低溫軟管在海上LNG輸送領(lǐng)域的應(yīng)用研究

徐岸南，宋麗君，錢 強

（滬東中華造船集團有限公司，上海 200129）

0 引 言

世界上第一艘LNG FPSO船順利地開工建造表明，LNG海上運輸技術(shù)已取得突破[1]。海上LNG輸送應(yīng)用的低溫軟管主要包括懸浮式和漂浮式兩種形式。盡管目前LNG FPSO所處的環(huán)境只能是在“良好”海況下，采用的LNG外輸方式只局限于旁靠式剛性裝卸臂輸送[2]。但是，隨著技術(shù)進步，潛在資源需求的增加，LNG FPSO所處的區(qū)域或?qū)⒃絹碓竭h離“良好”海況的區(qū)域。此時，傳統(tǒng)的剛性裝卸臂已無法滿足卸載條件。要適應(yīng)惡劣海況下進行連續(xù)地外輸作業(yè)，采用低溫軟管將是一個可選的方式。

目前的低溫軟管技術(shù)能使外輸作業(yè)的 FLNG/LNG穿梭船（以下簡稱 LNGC）保持一個安全的距離，且不會因為波浪、FLNG/LNGC吃水變化造成的位移等因素頻繁地中斷卸載進程，再加上相對簡單和可靠的操作，將促進低溫軟管在海上LNG輸送領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 懸浮式低溫軟管

懸浮式低溫軟管，一般應(yīng)用于旁靠式的LNG卸載方式（見圖1）。當(dāng)穿梭LNG船與LNG FSRU采用旁靠式（SBS）卸載方式時，兩船間距較小，一般不超過10m。LNG FSRU停泊于近海區(qū)域，海況相對較好。

通過分析懸浮式低溫軟管的資料，荷蘭Gutteling公司已經(jīng)成功地開發(fā)了一款懸浮式低溫軟管，其主要技術(shù)參數(shù)為：

a. 最大工作壓力：1.4MPa

b. 最大流量：1250m3/h

c. 爆破壓力：7MPa

d. 工作溫度范圍：-196 ～ +50℃

e. 管徑：12英寸

f. 最小彎曲半徑：1860mm

g. 設(shè)計工作壽命：重要元件5a

h. 連接方式：多種標(biāo)準(zhǔn)的法蘭、多種標(biāo)準(zhǔn)的螺紋接頭，快速接頭等

i. 無低溫絕緣層

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成（圖2）由內(nèi)到外：最內(nèi)層為螺旋形內(nèi)金屬圈（不銹鋼316）；內(nèi)二層為內(nèi)襯套（聚酰胺/Hostaflon）；內(nèi)三層為復(fù)合骨架網(wǎng)（聚酰胺纖維布）；內(nèi)四層為復(fù)合編織網(wǎng)（聚酯纖維布）；最外層為外螺旋金屬圈（不銹鋼316）。由于最內(nèi)層和最外層都是螺旋形金屬圈，當(dāng)軟管破損時，由于應(yīng)力的變化而直接導(dǎo)致軟管變形，工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)，并切斷LNG的輸送。

圖1 旁靠式LNG輸送

圖2 Gutteling懸浮式低溫軟管結(jié)構(gòu)

當(dāng)懸浮式低溫軟管兩端的法蘭分別與穿梭LNG船和LNG-FSRU的通岸接頭連接后，就可以進行LNG的輸送。通岸接頭與低溫軟管對接時中間需有快速連接/斷開裝置。一旦發(fā)生緊急情況可以快速切斷 LNG的輸送，保證LNG的泄漏量在安全范圍內(nèi)。

低溫懸浮軟管已成功應(yīng)用于近海的LNG輸送作業(yè)中。2007年2月，Excelerate和Exmar公司在世界上首次采用了荷蘭Gutteling 公司的低溫軟管，成功地完成了海上LNG的輸送作業(yè)。

2 漂浮式低溫軟管

漂浮式低溫軟管，一般用于串聯(lián)式（TANDEM）LNG卸載方式。由于LNG FPSO停泊于深海區(qū)域，海況相對較差，H1/3>2.5m，屬于“惡劣”海況。旁靠式卸載方式幾乎無法滿足兩船間縱向、橫向及垂向距離補償，這就需要穿梭LNG船與LNG FPSO采用串聯(lián)式卸載方式（見圖3）。

圖3 串聯(lián)式LNG輸送

采用串聯(lián)式低溫軟管卸載方式，允許兩船間距為30～100m，適應(yīng)了惡劣海況下操作，當(dāng)然LNG FPSO安裝了一些特殊裝置，如動力定位（DP2）、艏部載裝置（Bow Loading System）等。

2009年，瑞典Trelleborg公司與意大利Saipem公司合作開發(fā)了串聯(lián)裝卸式低溫漂浮軟管技術(shù)。該軟管擁有：熱損率低、連接方式簡潔、安全可靠及使用壽命長等優(yōu)點，滿足 LNG輸送操作者在裝、卸載時安全、流量及操作簡單且可靠的要求。該軟管的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

內(nèi)徑： 20英寸

最大允許工作壓力： 1.5MPa

工作溫度范圍： -196 ～ +40℃

最小彎曲半徑： 3m

工作壽命： 5a

最大操作次數(shù)： 500次（按每周作業(yè)2次計算）

Trelleborg低溫漂浮軟管的設(shè)計是基于一個“管中管”的概念。它由外管和內(nèi)管組成：外管是一個業(yè)內(nèi)認可的適宜海上使用的橡膠軟管；內(nèi)管是 LNG低溫復(fù)合軟管。該低溫漂浮軟管專門用于“船對船”的LNG輸送。Trelleborg公司在橡膠軟管和復(fù)合軟管的制造方面已有多年的經(jīng)驗，在業(yè)界認可成熟技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計改進方面，Trelleborg公司有著很多成功的經(jīng)驗和很高的技術(shù)水平。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

圖4為Trelleborg低溫漂浮軟管的組成示意圖。該低溫漂浮軟管的主要元件為：

1) 內(nèi)管：內(nèi)管為低溫復(fù)合軟管，擁有良好的靈活性，已經(jīng)成功應(yīng)用于旁靠式“船對船”的 LNG輸送領(lǐng)域。該復(fù)合軟管通常由非粘合式、多層聚合薄膜和纖維織品層以及內(nèi)外兩層不銹鋼螺旋金屬圈組成。內(nèi)外兩層螺旋金屬圈將聚合薄膜和纖維織品層夾住，起塑型作用。聚合薄膜層起流體密封作用，防止管內(nèi)液體泄漏；而纖維織品層可以增強軟管的機械強度。聚合薄膜和纖維織品的層數(shù)由管徑以及輸送產(chǎn)品的種類決定。聚合薄膜和纖維織品的材料則根據(jù)輸送產(chǎn)品的極端溫度來選擇。該復(fù)合軟管已通過靜態(tài)、動態(tài)試驗和大量海上“船對船”的LNG輸送實際應(yīng)用證明其在LNG輸送過程的安全性和可靠性。

圖4 Trelleborg低溫漂浮軟管結(jié)構(gòu)

2) 外管：外管為橡膠軟管，擁有良好的抗疲勞和抗惡劣環(huán)境能力。橡膠軟管通常由橡膠、金屬環(huán)、鋼絲加強層和端部裝置組成。

3) 絕緣層：內(nèi)管與外管間的環(huán)形部分為絕緣材料層。絕緣材料層可以減少管內(nèi)外的熱量交換，有效防止外管結(jié)冰，同時還可以保證軟管漂浮在海面上。此外，它還有良好的抗動態(tài)疲勞能力。

4) 氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)：內(nèi)管與外管間的環(huán)形部分有一套完整的、基于光纖技術(shù)的氣體泄露監(jiān)測系統(tǒng)。兩條裝備著分布式布拉格光柵傳感器的光纖纏繞在復(fù)合軟管上以監(jiān)測溫度的變化，防止在卸貨時發(fā)生異常狀況。操作者可以通過這套快速、高效、可靠的控制系統(tǒng)監(jiān)控整個卸貨過程。

5) 簡單、專用的連接系統(tǒng)：這是一套為海上LNG輸送專門設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)。Trelleborg公司開發(fā)了一款全新概念的端部裝置以確保貨物輸送的密閉性，并減少卸貨管路的熱量損失。這套連接裝置的設(shè)計擁有專門的低溫應(yīng)用密封件。該密封件為單向密封，材料為聚四氟乙烯（PTFE）的膨脹密封圈。聚四氟乙烯是一種常用于靜態(tài)和動態(tài)的氣體、液體密封應(yīng)用的材料，可以承受溫度的快速變化。端部裝置設(shè)計的每個階段首先都應(yīng)有限元分析計算熱量以及機械負荷。然后，這些計算結(jié)果都要通過專門的整套實驗，驗證連接系統(tǒng)設(shè)計的可行性，驗證室溫以及低溫下接頭的密閉性，認可這項低溫密封技術(shù)的選擇。

2.2 軟管接頭

對于該串聯(lián)低溫漂浮軟管式輸送系統(tǒng)，低溫漂浮軟管的端頭將連接到一個單向接頭（見圖5）。該單向接頭有三個閥，每個閥控制一根低溫軟管。每兩條 LNG管路間都接有一個旁通閥。這些旁通閥使管路形成一個循環(huán)，當(dāng)這些單向接頭沒有與穿梭LNG船對接時，接通一條液貨管路可以沖洗其他兩條液貨管路。軟管接頭連接著浮動模塊，以保證LNG船與LNG FSRU或LNG FPSO進行裝卸貨時軟管接頭一直處于漂浮狀態(tài)。

2.3 軟管盤管存儲系統(tǒng)

軟管存儲系統(tǒng)（見圖 6）安裝于船尾，是一個簡單的三層同軸盤管結(jié)構(gòu)。每根軟管都獨立存儲于其所在的那層盤管上，基于這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)某根軟管因維修等原因不能操作時，不影響其他兩根軟管的正常操作。不過若是兩根軟管進行卸貨操作，需要降低 LNG的流速。水平的盤管結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)在緊急情況下可以允許 LNG通過重力進行泄放以保證安全。每層盤管上的軟管都通過液壓馬達控制收放。為了保護盤管上的元件，每層盤管都需連接到LNG溢流艙。

圖5 接頭示意圖

圖6 軟管存儲系統(tǒng)及接頭維護與存儲平臺

LNG FPSO的艉部安裝有一個存儲及維護平臺。每次LNG轉(zhuǎn)運操作結(jié)束后，在平臺上檢查軟管接頭，以及泄放軟管沖洗后仍殘余的LNG。

基于Trelleborg公司現(xiàn)有已經(jīng)認可的技術(shù)，該LNG低溫漂浮軟管將成為將來海上LNG輸送領(lǐng)域應(yīng)用中一個關(guān)鍵設(shè)備。它使惡劣海況下LNG的轉(zhuǎn)運更加安全，保障LNG連續(xù)輸送。

雖然低溫漂浮軟管在2012年底就已經(jīng)獲得國際認證，可以應(yīng)用到深海LNG輸送的業(yè)務(wù)中，但是由于目前世界上的LNG FPSO還沒有交付使用，低溫漂浮軟管的實際使用還需要一段時間[3]。

3 結(jié) 語

LNG外輸系統(tǒng)是LNG海工裝置極其重要的系統(tǒng)之一，低溫軟管因柔軟性好、重量輕、耐腐蝕、操作簡單安全、通用性好、兩船間運動補償高等優(yōu)點，在旁靠和串聯(lián)兩種方式中都得到業(yè)界的高度關(guān)注, 尤其是在惡劣海況只能選擇串聯(lián)作業(yè)時更具優(yōu)勢?？傊?，懸浮式低溫軟管適用于海況較好的近海進行 LNG的輸送；而漂浮式低溫軟管使用于海況惡劣的深海進行LNG的輸送。

[1] 童 波. 深水浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO）外輸油浮筒系統(tǒng)研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 21-25.

[2] 敬加強，梁光川，蔣宏業(yè). 液化天然氣技術(shù)問答[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3] 喻慧敏. GDF SUEZ的浮式技術(shù)革新[J]. CHINA LNG. 2013, (12).