海洋LNG低溫軟管結構設計與試驗研究現狀*

張 進安 晨高 強李方遒魏代鋒段夢蘭李忠利

(1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院，北京102249；2.上海海事大學海洋科學與工程學院，上海 201306；3.中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100027；4.河北澤邦塑膠科技有限公司，衡水 053000)

0 引 言

LNG(liquefied natural gas，液化天然氣)是天然氣經壓縮、冷卻至其沸點-161.5℃后變成的液體，體積約為同量氣態天然氣體積的1/625，主要成分是甲烷。近幾年來，中國LNG需求量增長迅速，2017年中國已超越韓國成為世界第二大進口國。當前，LNG主要是通過FSRU(floating storage and regasification unit，浮式儲存氣化裝置)進行儲存及再氣化的，LNG運輸船與FSRU之間的卸載主要是通過剛性裝卸臂完成的[1-2]。傳統的剛性裝卸臂雖可完成LNG的裝卸，但僅限于在良好海況下進行工作，無法適應惡劣海況。因為軟管具有柔軟性好、重量輕、兩船間運動補償高的優點[3-5]，使得船舶間的LNG裝卸將不只局限于良好海況，而可以適應惡劣海況下的輸送要求，成為LNG外輸系統最有競爭力的裝備之一[6-7]。目前，LNG低溫軟管技術被國外壟斷，國外公司集設計、制造、測試和安裝于一體[8-10]。國內在LNG低溫軟管設計、制造領域的研究基本處于空白狀態，長期依賴于進口，價格昂貴。本文介紹了LNG低溫軟管的技術規范，論述了國外代表性企業的相關產品結構設計與性能試驗，為國內LNG低溫軟管的設計和開發提供參考。

1 規范推薦的軟管結構與試驗要求

目前，LNG低溫軟管設計、制造參考的主要規范是EN 1474-2—2008 Installation and equipment for liquefied natural gas-Design and testing of testing of transfer hoses[11]。根據制造方法的不marine transfer systems-Part2：Design and同，該規范將LNG低溫軟管分為兩類： 金屬波紋管和復合軟管。EN 1474-2規范規定了LNG輸送軟管和組件的設計要求，但沒有涉及產品設計和關鍵部件的細節內容；根據EN 1474-2規范要求，需要對LNG低溫軟管進行的試驗主要分為實驗室測試和原型軟管測試兩大類，具體的測試項目如表1所示，對于具體的測試流程、測試要求等沒有進行具體的說明；EN 1474-2規范是一個概述性規范，有待進一步細化。針對LNG低溫軟管的設計，廠商根據用戶不同的使用要求(功能要求、環境要求、保溫要求等)對LNG低溫軟管進行定制化設計，再進行一系列性能試驗驗證LNG低溫軟管的設計是否滿足使用要求。

表1 測試項目表

1.1 金屬波紋管

金屬波紋管根據結構的不同，可以分為加強的金屬波紋管和真空絕熱的金屬波紋管。

1.1.1 加強的金屬波紋管

加強的金屬波紋管內層由不銹鋼波紋管制成，能保證內層不泄漏，且承擔內部的徑向壓力。鑒于使用工況的不同，可根據需要配置鎧裝層和螺線層。鎧裝層承受軸向載荷，也是第一道絕熱層；螺線層確保鎧裝層處于正確的位置，也起到一定的絕熱作用。為了防止軟管外部結冰，軟管配置了單層或多層絕熱層，同時保證了內部溫度恒定。中間密封層護套使軟管形成兩個獨立的環形空間，一旦發生LNG泄漏就能立即檢測到，外部密封層護套可防止外部水的滲入。典型的加強金屬波紋管構成如圖1所示。

圖1 加強的金屬波紋管[11]

1.1.2 真空絕熱的金屬波紋管

真空絕熱的金屬波紋管主要由內外螺旋波紋鋼管、雙層抗拉鎧裝層、防磨層和外護套組成。波紋內管和外管的環狀空隙抽成了真空，絕熱由環狀間隙里的超級絕熱的真空層維持，環狀空隙的壓力監測也起到了檢測內管、外管泄漏的作用。典型的真空絕熱的LNG軟管構成如圖2所示。

圖2 真空絕熱的LNG軟管[11]

1.2 復合軟管

復合軟管由非黏結的多層聚合膜和纖維層構成，內外兩層螺旋金屬條將其夾緊并形成密封的管狀結構，如圖3所示。一般來說，聚合膜層用于防止所輸送液體的滲漏，而纖維層主要提供軟管的強度。整個軟管制造的順序如下： 將內金屬條按預定的螺距盤好；復合纖維層用來構成支撐材料；由多層聚合薄膜形成一個管腔，并且形成一個防止液體泄漏的密封層；多層復合纖維層用于提高軟管的強度；外層螺旋形金屬條與內層金屬條錯開半個螺距纏繞，形成所要求的纏繞結構。復合纖維層的層數和布置應根據軟管的尺寸和用途確定，聚合膜和纖維材料的選擇應符合所輸送液體的特性和極端操作溫度要求。

圖3 復合軟管[11]

2 國外LNG金屬波紋管產品概況

2.1 Technip公司的LNG軟管

作為最初少數幾家涉足LNG軟管制造的公司，法國Technip所研制的LNG軟管結構如圖4所示[12-14]，主要包括內波紋管、抗拉鎧裝層、絕熱層以及外防護層。根據使用工況的不同，Technip研制的LNG軟管又可以分為懸掛式和漂浮式[15]，兩種軟管結構分別如圖5和圖6所示，各層所采用的材料以及功能列于表2[16]。懸掛式LNG軟管主要應用于旁靠式卸載，一般要求HS＜3 m，兩船間距不超過10 m[17]，于2010年12月通過了BV(Bureau Veritas)認證；漂浮式LNG軟管主要應用于串靠式卸載，一般要求HS＜5.5 m，允許兩船間距為30～100 m[17]，于2015年2月通過了BV認證[18-19]。

圖4 LNG金屬波紋軟管結構[14]

圖5 懸掛式LNG金屬波紋軟管結構[15]

圖6 漂浮式LNG金屬波紋軟管結構[15]

表2 LNG金屬波紋管各層特點

2.2 Nexans公司的LNG軟管

法國Nexans公司自2000年開始研制LNG真空絕熱金屬波紋管，主要應用于海上串靠式卸載，適用于良好海況下LNG的輸送(一般要求HS＜2.5 m)[20]，其結構如圖7和圖8所示[21-23]，主要包括金屬波紋內管、絕熱層、墊片、金屬波紋外管、鎧裝層以及外保護層，各層功能詳細說明列于表3。2010年，DNV(Det Norsk Veritas)根據EN 1474-2規范對Nexans公司研制的16 in (1 in=0.254 m)LNG真空絕熱金屬波紋管Cryodyn進行了認證測試[24]，包括常溫彎曲循環疲勞測試、常溫下擠壓試驗等(見圖10和圖11)，最終在2011年1月完成了認證。

圖7 LNG真空絕熱金屬波紋管結構[21]

圖8 LNG真空絕熱金屬波紋管橫截面[24]

表3 LNG真空絕熱金屬波紋管各層特點

圖9 鎧裝機械[24]

圖10 常溫彎曲循環疲勞測試[24]

圖11 常溫下擠壓試驗[22]

3 國外LNG復合軟管產品概況

3.1 Gutteling B.V.公司的LNG軟管

2007年，比利時船運公司Exmar和美國天然氣貿易公司Excelerate在世界上首次采用了荷蘭Gutteling B.V.公司生產的LNG低溫復合軟管，成功完成了海上LNG的輸送作業[25]，如圖12所示。Gutteling B.V.公司生產的LNG復合軟管內部結構(見圖13)由內到外分別為： 螺旋形金屬條(奧氏體不銹鋼316 L)；復合骨架網(芳綸布)；內襯套(超高相對分子質量聚乙烯膜)；復合編織網(滌綸布)；螺旋形金屬條(奧氏體不銹鋼316 L)。

Gutteling B.V.公司是世界上第一家生產LNG低溫復合軟管的公司，其產品尺寸范圍為1～16 in，其中12 in和16 in的軟管需要根據客戶需求定制。Gutteling B.V.公司生產的LNG低溫軟管適用于旁靠式卸載，兩船間距較小，一般不超過10 m[7]。Gutteling B.V.公司委托荷蘭研究所TNO制訂了多級測試計劃[2]，如圖14所示。2010年，Gutteling B.V.公司8 in LNG低溫復合軟管通過了DNV的認證，其中部分認證測試情況如圖15～圖17所示[26-27]，通過測試得到的8 in復合軟管主要技術參數列于表4。

圖12 旁靠式LNG輸送[25]

圖13 LNG復合軟管結構[7]

圖14 多級測試計劃[5]

圖15 常溫下沖擊試驗[26]

圖16 低溫彎曲循環疲勞測試[27]

圖17 LNG流動測試[27]

表4 8 in LNG低溫復合軟管參數①

3.2 SBM Offshore公司的LNG軟管

荷蘭SBM Offshore公司生產的LNG漂浮式低溫復合軟管COOLTM(cryogenic offshore offloading and loading)主要用于海上LNG串靠卸載(見圖18)，允許兩船間距為30～100 m，對作業環境條件(一般要求HS＜5.5 m)適應性高[28]，滿足惡劣海況下LNG的卸載要求。

圖18 SBM Offshore LNG串靠式卸載系統[28]

COOLTM軟管設計基于“管中管”的概念[29]，內管是LNG低溫復合軟管，外管是海上使用的橡膠軟管，圖19為COOLTM軟管組成示意圖。其主要元件詳細結構如下：

(1) 內管： 內管為非黏結低溫復合軟管，內、外螺旋金屬圈錯開半個螺距纏繞，纖維層和薄膜層以一定角度纏繞在旋轉芯軸上。內、外螺旋金屬圈將纖維層和薄膜層夾住，起塑形作用；聚合膜層形成密封，防止液體泄漏；纖維層增強軟管的強度。

(2) 外管： 外管為黏結橡膠軟管，通常由橡膠、鋼絲、簾布加強層硫化形成，已多年成功應用于海上石油輸送，擁有良好的抗疲勞能力。

(3) 絕熱層： 絕熱材料氣凝膠與旋轉芯軸成一定角度纏繞在內部復合軟管上，填充內管與外管之間的環形空間。絕熱材料顯著降低了管內外的熱量交換，可有效防止外管結冰，同時可以保證軟管漂浮在海面上。

(4) 泄漏監測系統： 基于光纖分布式溫度傳感技術的泄漏監測系統沿光纖以固定的間隔測量溫度，從而能夠即時檢測到液化天然氣從內管泄漏到環形空間而產生的溫降。

圖19 漂浮式COOLTM軟管組成[28]

2010年，SBM Offshore公司生產的18 in LNG漂浮軟管通過了ABS(American Bureau of Shipping)和DNV的認證[29]，為世界上第一個通過EN 1474-2規范認證的漂浮式LNG軟管，其認證測試流程與相互銜接如圖20所示，水平試驗臺如圖21所示。在認證過程中，根據EN 1474-2規范對COOLTM軟管在常溫、低溫環境下進行了一系列材料測試、原型軟管測試，其中包括彎曲剛度測試、常溫下擠壓試驗等，如圖22和圖23所示。根據認證測試結果，得到18 in漂浮式COOLTM軟管主要技術參數，列于表5。

圖20 測試順序流程圖[29]

圖21 水平試驗臺[29]

圖22 彎曲剛度測試[29]

圖23 常溫下擠壓試驗[29]

表5 18in漂浮式COOLTM軟管參數

3.3 Dunlop公司的LNG軟管

英國Dunlop公司在海洋石油管線領域有著60年的發展歷史，在2011年通過收購Bluewater公司的LNG軟管專利技術才開始涉足LNG傳輸領域，并一直致力于研制輕便、強韌、柔性的大口徑LNG復合軟管[30]。為了克服LNG復合軟管在壓力和軸向載荷下所帶來的伸長效應，Dunlop公司研制出了一種16 in新型LNG復合軟管設計方案[31]，并對該軟管在常溫、低溫下的各項性能進行了一系列的測試工作，于2016年底通過了DNV的認證，其具體結構如圖24所示，相關技術參數列于表6。在內外螺旋金屬條之間嵌入了管狀雙軸超高相對分子質量聚乙烯纖維編織物，顯著提高了軟管抵抗軸向載荷及抗壓能力。

圖24 LNG軟管組成

表6 16 in LNG軟管參數

3.4 Trelleborg公司的LNG軟管

2009年，瑞典Trelleborg公司聯合意大利Saipem公司以及法國Total公司共同開發LNG復合軟管技術[32]。Trelleborg公司研制的Cryoline軟管與SBM Offshore公司推出的COOLTM軟管結構類似，都是基于“管中管”概念，主要應用于LNG串靠式卸載[33]，可以滿足惡劣海況下的輸送需求，HS＞2.5 m，允許兩船間距為30～100 m[32]，具體結構(見圖25)如下：

(1) 內管： 為了達到更好的密封性能，內管在傳統的LNG低溫復合軟管的基礎上加入了超高相對分子質量聚乙烯套管，其在-163℃下依然具有良好的柔性及抗彎曲疲勞的能力，內管具體結構以及超高相對分子質量聚乙烯套管層分別如圖26和圖27所示。

(2) 外管： Trelleborg公司基于成熟的膠管技術開發了LNG軟管的外管，具有良好的抗疲勞和抗惡劣環境的能力。

(3) 絕熱層： 內管與外管間的環形空間纏繞新型三維織物作為絕熱層，該材料密度極低且在-160℃下的熱導率僅為0.03 W/m·K，顯著降低了內外管間的熱量交換，有效防止了外部結冰，同時可以保證軟管漂浮在海面上，具體加工工藝如圖28所示。

(4) 泄漏監測系統： 內管與外管的環形空間內有一套基于光纖技術的氣體泄漏監測系統，一旦發生泄漏，兩條纏繞在軟管上的光纖便能立刻檢測到因泄漏而產生的溫降。

圖25 Cryoline軟管組成[33]

圖26 內復合軟管組成

圖27 超高相對分子質量聚乙烯套管

圖28 絕熱層加工過程

2016年4月，Trelleborg公司研制的20 in Cryoline軟管成功通過了BV的認證[34]。在認證過程中，根據EN 1474-2規范對20 in Cryoline軟管在常溫、低溫環境下進行了一系列靜態、動態測試，其中包括常溫下爆破測試、低溫下爆破測試、低溫流量測試等[34]，如圖29～圖31所示。根據測試結果，得到20 in Cryoline軟管主要技術參數，列于表7。

圖29 常溫爆破測試[33]

圖30 低溫爆破測試[31]

圖31 低溫流量測試[31]

表7 20inCryoline軟管參數

綜上，將2種LNG金屬波紋管與4種LNG復合軟管進行對比，總結不同結構形式的LNG軟管產品的優缺點，如表8所示。

表8 不同公司的LNG軟管產品優缺點對比

(續表)

4 結 語

LNG外輸系統是LNG海工裝置極其重要的系統之一。LNG低溫軟管材料選型與結構設計難度大，加工制造及性能測試復雜，其技術被歐美等少數國家壟斷，國內LNG低溫軟管領域處于空白狀態。LNG 金屬波紋管的主要生產商為法國Technip和法國Nexans兩家公司，LNG低溫復合軟管的主要生產商為荷蘭Gutteling B.V.、荷蘭SBM Offshore、英國Dunlop以及瑞典Trelleborg四家公司，本文對這六家公司的產品及其認證試驗進行了詳細說明，并對六家公司產品的優缺點進行了總結。盡早開展LNG低溫軟管的國產化研制，突破低溫軟管材料選型、結構設計、加工制造以及性能測試等方面的關鍵技術，研發大尺寸低溫軟管及全尺寸測試裝置，對LNG低溫軟管結構設計理論、計算方法以及性能試驗理論、方法進行深入研究，對于打破國外技術壟斷、打通國內LNG關鍵技術鏈具有重要意義。