LNG海底低溫管道技術(shù)研究及應(yīng)用

楊 亮，劉 云，劉淼兒，許佳偉，范嘉堃

（1. 中海石油氣電集團技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引 言

目前我國對天然氣的開發(fā)和利用正處于快速發(fā)展期，在需求日益旺盛、價格逐步理順等因素的作用下，天然氣產(chǎn)量將以較快的速度增長。由于進口液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）有利于能源消費國實現(xiàn)能源供應(yīng)多元化、保障能源安全，而出口 LNG有助于天然氣生產(chǎn)國有效開發(fā)天然氣資源、增加外匯收入、促進經(jīng)濟發(fā)展，因此LNG貿(mào)易逐漸成為全球能源市場的新熱點。LNG可通過鐵路、公路和船舶運輸，供氣靈活，輻射范圍廣，能有效解決我國天然氣輸送能力不足的問題[1]。目前國內(nèi)共有42家LNG生產(chǎn)企業(yè)，已建成和投產(chǎn)LNG接收站17座，年均產(chǎn)量增速為28%，未來可逐漸形成沿海LNG接收、存儲和輸送網(wǎng)絡(luò)。

LNG接收站裝卸平臺大多以碼頭的形式安裝在沿海區(qū)域，由于LNG運輸船大，國內(nèi)部分近海地區(qū)因地理位置較為特殊而難以滿足船運需求，需投入較多的挖掘費用開發(fā)新的航道和泊位。LNG的溫度低、氣液體積比大，一旦在裝卸過程中出現(xiàn)泄漏的情況，會給作業(yè)人員的安全和環(huán)境保護帶來極大的威脅。通過工程實踐，國內(nèi)外相關(guān)人員一致認(rèn)為應(yīng)將碼頭設(shè)置在遠離海岸一定距離的海上，在海上碼頭與陸上存儲設(shè)施之間設(shè)置一個傳輸結(jié)構(gòu)，以保證LNG順利輸送到岸上[2]。目前LNG接收站基本上都是通過棧橋管道結(jié)構(gòu)連接海上碼頭和陸上存儲設(shè)施，隨著LNG產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，新建LNG接收站越來越受地理位置和工程造價等因素的影響，選址愈加困難。針對上述情況，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)及工程公司開展大量工作，推出一種以埋地管道方式連接海上裝卸平臺和陸上存儲設(shè)施的LNG海底低溫管道技術(shù)[3-4]。

1 棧橋低溫管道輸送系統(tǒng)與海底低溫管道輸送系統(tǒng)概況

1.1 棧橋低溫管道輸送系統(tǒng)

圖1為典型的LNG棧橋管道輸送系統(tǒng)，主要包括LNG卸料總管、蒸發(fā)氣（Boil-Off Gas，BOG）管道、LNG循環(huán)保冷管線和公用工程管道等，其輸送長度和布局取決于海上碼頭的最終位置。若當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)、浪、流等水文條件相對惡劣，則采用防波堤式碼頭（見圖2），有利于港內(nèi)保持足夠的水深和平穩(wěn)的水面，以滿足LNG船停泊、裝卸作業(yè)和航行的要求。

圖1 典型的LNG棧橋管道輸送系統(tǒng)

圖2 防波堤式LNG棧橋管道輸送系統(tǒng)

在設(shè)計棧橋管道輸送系統(tǒng)時，要考慮LNG運輸船的操作空間、波浪和水深定位等影響因素。碼頭的最終位置和棧橋的布局需滿足輸送管道發(fā)生破裂或泄漏引起的BOG蒸氣云的安全距離要求，棧橋系統(tǒng)通常配備結(jié)構(gòu)防護和隔斷閥等裝置，使LNG管道具有一定的防碰撞和安全自鎖功能[5]。

影響棧橋管道輸送系統(tǒng)工程造價的因素包括棧橋的長度、水文條件、管道數(shù)量與尺寸、施工材料、建造和安裝方法等。在保證施工質(zhì)量和自然條件及規(guī)范規(guī)定的安全需求不變的前提下，棧橋管道系統(tǒng)工程造價與棧橋管道系統(tǒng)的長度成正比。由于LNG屬于超低溫介質(zhì)流體，在管道內(nèi)流動時會使管材冷縮，且熱運動會在管道的各個方向上施加應(yīng)力，應(yīng)力較大會導(dǎo)致管道變形甚至破裂，因此在設(shè)計管道時必須設(shè)置能承受材料冷縮和因熱運動而產(chǎn)生應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，例如膨脹彎等[6]。膨脹彎的設(shè)置會使管道總長度增加約20%。目前LNG棧橋的長度在幾百米到10km之間，造價為1500萬～5400萬美元/km，且這些費用不包括棧橋的維護費和管道本身的費用。

1.2 海底低溫管道輸送系統(tǒng)

圖3為典型的LNG海底低溫管道輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)由LNG卸料總管、BOG管線、LNG循環(huán)保冷管線和公用工程管線一體化集成，整體埋入海底。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研發(fā)機構(gòu)開展的大量試驗及現(xiàn)有的海底低溫管道工程實例，海底低溫管道的有效輸送距離可達20km。

影響海底低溫輸送管道系統(tǒng)工程造價的主要因素有管道長度、管壁厚度和直徑、防腐要求、管道材料及建造和安裝方法等。海底低溫管道輸送系統(tǒng)的總體造價包括管道本身造價和施工費用2部分。按照目前的技術(shù)水平測算，總體造價為1300萬～1600萬美元/km。因此，從工程造價的角度考慮，海底LNG低溫管道輸送系統(tǒng)優(yōu)于棧橋管道輸送系統(tǒng)。此外，海底低溫管道的埋地施工方式能降低因碰撞等外力因素導(dǎo)致的管道泄漏和破壞，運行更為安全，可為LNG輸送提供一種兼具經(jīng)濟性和可靠性的解決方案。

若碼頭區(qū)的水深不足或航道作業(yè)受限，采用單點系泊式（Single Point Mooring System，SPM）輸送方案更具吸引力（見圖4）。SPM的主要作用是將LNG海上終端定位于預(yù)定海域，兼具流體輸送和電力通信傳輸?shù)裙δ?，同時具有風(fēng)向標(biāo)的效應(yīng)，在各種風(fēng)、浪、流作用下受力最小，從而保證海上終端長期連續(xù)工作。SPM適應(yīng)的水深范圍大，可系泊大型LNG浮式裝置，適應(yīng)海洋環(huán)境的能力強，制造、安裝、作業(yè)和維護費用較低，經(jīng)濟性和可靠性良好。

圖3 典型的LNG海底低溫管道輸送系統(tǒng)

圖4 單點系泊式LNG海底低溫管道輸送系統(tǒng)

SPM管道輸送系統(tǒng)由漂浮在海面上的浮筒和鋪設(shè)在海底的與陸地存儲系統(tǒng)連接的低溫管道組成。LNG通過漂浮軟管進入浮筒之后，通過水下軟管進入海底管線，輸送到岸上的接收終端。LNG海上終端設(shè)置在較深的水域，可避免高成本的航道疏浚和土建工程。SPM低溫管道輸送系統(tǒng)對沿海區(qū)域的交通干擾和對環(huán)境的影響小于棧橋管道輸送系統(tǒng)，且可更好地防止管道破壞和泄漏，能提高其安全性和可用性[7]。

1.3 LNG海底低溫管道結(jié)構(gòu)

LNG 海底低溫管道采用多層管壁技術(shù)，主要有雙層管壁和三層管壁2種結(jié)構(gòu)形式[8]（見圖5和圖6）。內(nèi)層管壁與LNG液流接觸，通常選用熱膨脹系數(shù)較低的Ni鋼合金材料，同時配置管道應(yīng)力吸收構(gòu)件，以克服超低溫導(dǎo)致的管道軸向收縮。內(nèi)層管壁與外層管壁之間（三層壁結(jié)構(gòu)則是內(nèi)層管壁與中間層管壁之間）的環(huán)形空間內(nèi)安裝有保冷層，使得管道內(nèi)的LNG處于絕熱狀態(tài)。外層管壁和中間層管壁主要用于抵抗外部沖擊，通常采用碳鋼或不銹鋼材料，也可根據(jù)需要采用Ni鋼合金材料。管道的最外層設(shè)置有混凝土配重層，一方面可緩沖和抵抗外部沖擊，另一方面用于管道配重，若管道本身的重量滿足工程需求，則不需要設(shè)置。

圖5 LNG海底低溫管道（雙層管壁結(jié)構(gòu)）

圖6 LNG海底低溫管道（三層管壁結(jié)構(gòu)）

2 LNG海底低溫管道關(guān)鍵技術(shù)

2.1 內(nèi)層管壁材料及焊接

LNG海底低溫管道內(nèi)層管壁材料要求具有良好的低溫韌性、抗腐蝕性能和焊接性能。由于管道是在常溫下安裝、在低溫下使用的，材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡量小。目前開發(fā)的具有較低熱膨脹系數(shù)的合金材料主要是INVAR鋼（36%Ni鋼，也稱為殷瓦鋼）和9%Ni鋼，其中：INVAR鋼的熱膨脹系數(shù)極小，數(shù)千米長的管道采用INVAR鋼，整個管道的收縮量不足50mm，且管道兩端接頭處的應(yīng)力處于管材的極限屈服應(yīng)力以內(nèi)，但INVAR鋼的價格高，約為9%Ni鋼的6倍，且生產(chǎn)難度大，供貨商有限，限制了其在LNG低溫管道領(lǐng)域的推廣應(yīng)用；9%Ni鋼在-196℃下經(jīng)拉伸試驗測得斷后伸長率＜20%，不易發(fā)生塑性變形，經(jīng)低溫沖擊試驗測得平均線膨脹系數(shù)約為8.21μm/(m·℃)，具有強度較高、韌性較好和線膨脹系數(shù)較低等特點，可獲得性和經(jīng)濟性指標(biāo)較好，是制造LNG海底低溫管道的理想材料。

9%Ni鋼焊材通常由管材供貨商配套提供。為使焊材的性能與管材優(yōu)化匹配，減少焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力， FLUOR公司開發(fā)并優(yōu)化了幾種焊接工藝，其焊接性能通過了美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）和挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）的認(rèn)證。FLUOR公司采用的焊接工藝的適用標(biāo)準(zhǔn)為ASME IX和ASME B31.3；9%Ni鋼管道外徑為16～42in（1in=2.54cm），壁厚2.5～7.5mm，管道材料最小屈服強度為85ksi（1ksi = 6.895MPa），最小抗拉強度為100ksi；選用的焊材與管材的屈服強度、抗拉強度和延展性相適配；焊縫檢測采用100%射線探傷或自動超聲波探傷。圖7和圖8分別為LNG海底低溫管道內(nèi)層管壁及管材焊縫截面。

圖7 LNG海底低溫管道內(nèi)層管壁（9%Ni鋼管材）

圖8 9%Ni鋼管材焊縫截面

FLUOR公司開發(fā)的9%Ni鋼低溫管道是長度為12m的管段，使用自動焊接設(shè)備完成現(xiàn)場焊接組裝。此外，為減少9%Ni鋼管道在運輸和存儲過程中的表面氧化，F(xiàn)LUOR公司專門開發(fā)一種抗氧化涂層，該涂層性能穩(wěn)定，在低溫條件下也能保持良好的黏附性和完整性。

2.2 管道軸向應(yīng)力吸收裝置

由于LNG的溫度極低，與其直接接觸的內(nèi)層管壁將不可避免地出現(xiàn)軸向收縮，若軸向收縮量過大，接頭處會產(chǎn)生應(yīng)力集中而破壞管道結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外相關(guān)研究[9]認(rèn)為，在管道中采用隔離板技術(shù)可將內(nèi)層管壁產(chǎn)生的載荷轉(zhuǎn)移到外層管壁，使管道的軸向應(yīng)力和管端接頭應(yīng)力均處于管材的屈服極限以內(nèi)。隔離板主要有金屬隔離板和非金屬隔離板2種形式（見圖9和圖10）。金屬隔離板使用9%Ni鋼或INVAR鋼鍛造而成，非金屬隔離板采用納米多孔隔熱材料制成。隔離板通常安裝在各層管壁之間和管道彎曲部分，不會增加管道長度和施工難度。隔離板將外層管壁與內(nèi)層管壁之間的環(huán)形空間密封，能優(yōu)化絕熱層的運行環(huán)境，在消除管道軸向應(yīng)力的同時，防止各層管壁間滑移摩擦對絕熱層造成損傷。

圖9 金屬隔離板軸向應(yīng)力吸收系統(tǒng)

圖10 非金屬隔離板軸向應(yīng)力吸收系統(tǒng)

2.3 管道保冷材料

保冷層的主要作用是維持低溫管道內(nèi)介質(zhì)的溫度。目前陸上低溫管道保冷主要采用真空保冷層和堆積保冷層2種方式。真空保冷層的性能優(yōu)異，所需設(shè)備簡單，缺點是在管道運行期間形成和保持真空低壓狀態(tài)需消耗大量的能量，成本較高，若出現(xiàn)泄漏，會導(dǎo)致保冷性能迅速消失，可靠性較差。傳統(tǒng)的堆積保冷層主要采用聚氨酯發(fā)泡材料，成本較低，工藝相對成熟，缺點是保冷性能較差，通常達到保冷性能要求所需的厚度較大，會增加材料成本和管道重量，不利于施工安裝。此外，聚氨酯材料遇水會降解，當(dāng)外層管壁泄漏或破損時，保冷層的性能會迅速下降。因此，真空保冷層和聚氨酯保冷材料均不是LNG 海底低溫管道的理想保冷材料。氣凝膠是一種具有良好應(yīng)用前景的保冷材料，具有孔隙率高、密度小和重量輕等特點，同時具有憎水特性，其保冷性能遠高于傳統(tǒng)絕熱材料，氣凝膠在常溫常壓下的熱導(dǎo)率僅為0.013W/(m·K)，而在同等條件下聚氨酯發(fā)泡材料的熱導(dǎo)率約為0.035W/(m·K)。因此，采用氣凝膠能減小保冷層的厚度和外層管壁的直徑，降低管道成本，現(xiàn)場施工方便，其安裝過程見圖11和圖12。

圖11 氣凝膠材料及安裝位置

圖12 氣凝膠保冷層安裝過程

2.4 在線泄漏監(jiān)測

LNG泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可為管道安全、高效運行提供保障，在線實時監(jiān)測管道的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和定位泄漏點，最大限度地減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。為實現(xiàn)該目標(biāo)，F(xiàn)LUOR公司與ASTRO TECHNOLOGY公司共同開發(fā)出針對LNG海底低溫管道的在線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)（見圖13），包括一系列光纖傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其安裝和布置方式見圖14[10]。光纖傳感器具有多路復(fù)用能力強、抗電磁干擾和遠距離信號傳輸能力強等優(yōu)點，可為LNG海底管道提供實時應(yīng)變、溫度、振動和流量監(jiān)測，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)檢測管道中是否有泄漏發(fā)生，便于及時應(yīng)對處理。光纖傳感器通常設(shè)置于LNG海底管道內(nèi)層管壁與外層管壁之間，內(nèi)環(huán)中的光纖傳感器主要用于監(jiān)測LNG管道系統(tǒng)的溫度變化，而外環(huán)中的光纖傳感系統(tǒng)可提供輔助的泄漏探測和定位功能，為監(jiān)測LNG海底低溫管道的運行狀態(tài)和管道維護提供有效的技術(shù)手段。

圖13 光纖傳感器泄漏監(jiān)測系統(tǒng)示意

圖14 光纖傳感器安裝與布置方式

3 LNG海底低溫管道性能測試與應(yīng)用

目前國內(nèi)外應(yīng)用海底低溫管道技術(shù)的實例較少，擁有該技術(shù)的公司主要有FLOUR、ITP和TECHNIP等。

2012年，F(xiàn)LOUR公司在休斯敦DELTA測試中心完成了24in和32in 2種規(guī)格的低溫管道的性能測試，所測試的LNG低溫管道為雙層管壁結(jié)構(gòu)，長度為12m，內(nèi)層管壁材質(zhì)為9%Ni鋼，外層管壁材質(zhì)為碳鋼，測試介質(zhì)為液氮，保冷層采用氣凝膠。測試結(jié)果證明了軸向應(yīng)力吸收裝置、保冷材料及光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，可為LNG流動特性研究及低溫管道優(yōu)化配置提供參考。

ITP公司于2004年成功設(shè)計和建造出海上低溫流體輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)是位于秘魯西南部太平洋海岸的一條長4km的海底液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）管道。陸上分餾工廠通過海底管道，以30000bbl/h的速率向離岸3057km、水深15m的海上裝卸碼頭輸送LPG，項目經(jīng)驗可為海底LNG管道施工技術(shù)研究提供參考。

2004年，TECHNIP公司對其生產(chǎn)的三層管壁結(jié)構(gòu)的LNG海底管道進行較為全面的性能測試，包括管道的壓力和張力特征、絕熱性能、收縮性能及管道在陸上和水下埋地的各項反應(yīng)等。2009年，在美國WEAVER’S COVE ENERGY公司的LNG接收終端改建項目中應(yīng)用該項技術(shù)，采用的管道鋪設(shè)方法為底拖法，圖15和圖16分別為海底低溫管道現(xiàn)場焊接與施工鋪設(shè)過程。底拖法適用于管道較短、岸上有組裝場所及風(fēng)浪較小的情況，需首先在岸上預(yù)制成一定長度的管段單元，然后將其吊裝到用于管道下水的軌道上，與前一管段焊接連接。焊完一段往下拖一管段距離，當(dāng)拖移到某一段位之后再拖往預(yù)定鋪設(shè)的位置。

圖15 海底低溫管道現(xiàn)場焊接

圖16 海底低溫管道施工鋪設(shè)

4 結(jié) 語

隨著LNG產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，新建的LNG接收站受地理位置和工程造價等因素的影響越來越大，選址愈加困難，海底低溫管道技術(shù)為海上LNG輸送提供了一種兼具經(jīng)濟性和可靠性的解決方案。由于LNG海底低溫管道是埋藏在海底的，其運行安全性和可用性比棧橋管道高，發(fā)生事故時造成的危害比棧橋管道小。埋地管道周圍的環(huán)境溫度受季節(jié)變化的影響較小，有利于降低LNG輸送過程中因溫差變化導(dǎo)致的BOG增加，使管道運行更加安全可靠。LNG海底低溫管道材料、特殊結(jié)構(gòu)、檢測系統(tǒng)及建造施工等方面的技術(shù)日趨成熟，工程測試和應(yīng)用實例結(jié)果表明其效果良好。隨著天然氣行業(yè)的不斷發(fā)展、技術(shù)的不斷進步，LNG海底低溫管道技術(shù)的應(yīng)用前景將更廣闊。