海洋LNG低溫軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究現(xiàn)狀*

張 進(jìn)安 晨高 強(qiáng)李方遒魏代鋒段夢(mèng)蘭李忠利

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院，北京102249；2.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306；3.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)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(jīng)壓縮、冷卻至其沸點(diǎn)-161.5℃后變成的液體，體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625，主要成分是甲烷。近幾年來(lái)，中國(guó)LNG需求量增長(zhǎng)迅速，2017年中國(guó)已超越韓國(guó)成為世界第二大進(jìn)口國(guó)。當(dāng)前，LNG主要是通過(guò)FSRU(floating storage and regasification unit，浮式儲(chǔ)存氣化裝置)進(jìn)行儲(chǔ)存及再氣化的，LNG運(yùn)輸船與FSRU之間的卸載主要是通過(guò)剛性裝卸臂完成的[1-2]。傳統(tǒng)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(jìn)行工作，無(wú)法適應(yīng)惡劣海況。因?yàn)檐浌芫哂腥彳浶院?、重量輕、兩船間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償高的優(yōu)點(diǎn)[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(yīng)惡劣海況下的輸送要求，成為L(zhǎng)NG外輸系統(tǒng)最有競(jìng)爭(zhēng)力的裝備之一[6-7]。目前，LNG低溫軟管技術(shù)被國(guó)外壟斷，國(guó)外公司集設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和安裝于一體[8-10]。國(guó)內(nèi)在LNG低溫軟管設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域的研究基本處于空白狀態(tài)，長(zhǎng)期依賴于進(jìn)口，價(jià)格昂貴。本文介紹了LNG低溫軟管的技術(shù)規(guī)范，論述了國(guó)外代表性企業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)，為國(guó)內(nèi)LNG低溫軟管的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供參考。

1 規(guī)范推薦的軟管結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)要求

目前，LNG低溫軟管設(shè)計(jì)、制造參考的主要規(guī)范是EN 1474-2—2008 Installation and equipment for liquefied natural gas-Design and testing of testing of transfer hoses[11]。根據(jù)制造方法的不marine transfer systems-Part2：Design and同，該規(guī)范將LNG低溫軟管分為兩類(lèi)： 金屬波紋管和復(fù)合軟管。EN 1474-2規(guī)范規(guī)定了LNG輸送軟管和組件的設(shè)計(jì)要求，但沒(méi)有涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的細(xì)節(jié)內(nèi)容；根據(jù)EN 1474-2規(guī)范要求，需要對(duì)LNG低溫軟管進(jìn)行的試驗(yàn)主要分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和原型軟管測(cè)試兩大類(lèi)，具體的測(cè)試項(xiàng)目如表1所示，對(duì)于具體的測(cè)試流程、測(cè)試要求等沒(méi)有進(jìn)行具體的說(shuō)明；EN 1474-2規(guī)范是一個(gè)概述性規(guī)范，有待進(jìn)一步細(xì)化。針對(duì)LNG低溫軟管的設(shè)計(jì)，廠商根據(jù)用戶不同的使用要求(功能要求、環(huán)境要求、保溫要求等)對(duì)LNG低溫軟管進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，再進(jìn)行一系列性能試驗(yàn)驗(yàn)證LNG低溫軟管的設(shè)計(jì)是否滿足使用要求。

表1 測(cè)試項(xiàng)目表

1.1 金屬波紋管

金屬波紋管根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可以分為加強(qiáng)的金屬波紋管和真空絕熱的金屬波紋管。

1.1.1 加強(qiáng)的金屬波紋管

加強(qiáng)的金屬波紋管內(nèi)層由不銹鋼波紋管制成，能保證內(nèi)層不泄漏，且承擔(dān)內(nèi)部的徑向壓力。鑒于使用工況的不同，可根據(jù)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(jié)冰，軟管配置了單層或多層絕熱層，同時(shí)保證了內(nèi)部溫度恒定。中間密封層護(hù)套使軟管形成兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)形空間，一旦發(fā)生LNG泄漏就能立即檢測(cè)到，外部密封層護(hù)套可防止外部水的滲入。典型的加強(qiáng)金屬波紋管構(gòu)成如圖1所示。

圖1 加強(qiáng)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(nèi)外螺旋波紋鋼管、雙層抗拉鎧裝層、防磨層和外護(hù)套組成。波紋內(nèi)管和外管的環(huán)狀空隙抽成了真空，絕熱由環(huán)狀間隙里的超級(jí)絕熱的真空層維持，環(huán)狀空隙的壓力監(jiān)測(cè)也起到了檢測(cè)內(nèi)管、外管泄漏的作用。典型的真空絕熱的LNG軟管構(gòu)成如圖2所示。

圖2 真空絕熱的LNG軟管[11]

1.2 復(fù)合軟管

復(fù)合軟管由非黏結(jié)的多層聚合膜和纖維層構(gòu)成，內(nèi)外兩層螺旋金屬條將其夾緊并形成密封的管狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。一般來(lái)說(shuō)，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(qiáng)度。整個(gè)軟管制造的順序如下： 將內(nèi)金屬條按預(yù)定的螺距盤(pán)好；復(fù)合纖維層用來(lái)構(gòu)成支撐材料；由多層聚合薄膜形成一個(gè)管腔，并且形成一個(gè)防止液體泄漏的密封層；多層復(fù)合纖維層用于提高軟管的強(qiáng)度；外層螺旋形金屬條與內(nèi)層金屬條錯(cuò)開(kāi)半個(gè)螺距纏繞，形成所要求的纏繞結(jié)構(gòu)。復(fù)合纖維層的層數(shù)和布置應(yīng)根據(jù)軟管的尺寸和用途確定，聚合膜和纖維材料的選擇應(yīng)符合所輸送液體的特性和極端操作溫度要求。

圖3 復(fù)合軟管[11]

2 國(guó)外LNG金屬波紋管產(chǎn)品概況

2.1 Technip公司的LNG軟管

作為最初少數(shù)幾家涉足LNG軟管制造的公司，法國(guó)Technip所研制的LNG軟管結(jié)構(gòu)如圖4所示[12-14]，主要包括內(nèi)波紋管、抗拉鎧裝層、絕熱層以及外防護(hù)層。根據(jù)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(jié)構(gòu)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(yīng)用于旁靠式卸載，一般要求HS＜3 m，兩船間距不超過(guò)10 m[17]，于2010年12月通過(guò)了BV(Bureau Veritas)認(rèn)證；漂浮式LNG軟管主要應(yīng)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(guò)了BV認(rèn)證[18-19]。

圖4 LNG金屬波紋軟管結(jié)構(gòu)[14]

圖5 懸掛式LNG金屬波紋軟管結(jié)構(gòu)[15]

圖6 漂浮式LNG金屬波紋軟管結(jié)構(gòu)[15]

表2 LNG金屬波紋管各層特點(diǎn)

2.2 Nexans公司的LNG軟管

法國(guó)Nexans公司自2000年開(kāi)始研制LNG真空絕熱金屬波紋管，主要應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示[21-23]，主要包括金屬波紋內(nèi)管、絕熱層、墊片、金屬波紋外管、鎧裝層以及外保護(hù)層，各層功能詳細(xì)說(shuō)明列于表3。2010年，DNV(Det Norsk Veritas)根據(jù)EN 1474-2規(guī)范對(duì)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(jìn)行了認(rèn)證測(cè)試[24]，包括常溫彎曲循環(huán)疲勞測(cè)試、常溫下擠壓試驗(yàn)等(見(jiàn)圖10和圖11)，最終在2011年1月完成了認(rèn)證。

圖7 LNG真空絕熱金屬波紋管結(jié)構(gòu)[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(diǎn)

圖9 鎧裝機(jī)械[24]

圖10 常溫彎曲循環(huán)疲勞測(cè)試[24]

圖11 常溫下擠壓試驗(yàn)[22]

3 國(guó)外LNG復(fù)合軟管產(chǎn)品概況

3.1 Gutteling B.V.公司的LNG軟管

2007年，比利時(shí)船運(yùn)公司Exmar和美國(guó)天然氣貿(mào)易公司Excelerate在世界上首次采用了荷蘭Gutteling B.V.公司生產(chǎn)的LNG低溫復(fù)合軟管，成功完成了海上LNG的輸送作業(yè)[25]，如圖12所示。Gutteling B.V.公司生產(chǎn)的LNG復(fù)合軟管內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖13)由內(nèi)到外分別為： 螺旋形金屬條(奧氏體不銹鋼316 L)；復(fù)合骨架網(wǎng)(芳綸布)；內(nèi)襯套(超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯膜)；復(fù)合編織網(wǎng)(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(chǎn)LNG低溫復(fù)合軟管的公司，其產(chǎn)品尺寸范圍為1～16 in，其中12 in和16 in的軟管需要根據(jù)客戶需求定制。Gutteling B.V.公司生產(chǎn)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(guò)10 m[7]。Gutteling B.V.公司委托荷蘭研究所TNO制訂了多級(jí)測(cè)試計(jì)劃[2]，如圖14所示。2010年，Gutteling B.V.公司8 in LNG低溫復(fù)合軟管通過(guò)了DNV的認(rèn)證，其中部分認(rèn)證測(cè)試情況如圖15～圖17所示[26-27]，通過(guò)測(cè)試得到的8 in復(fù)合軟管主要技術(shù)參數(shù)列于表4。

圖12 旁靠式LNG輸送[25]

圖13 LNG復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)[7]

圖14 多級(jí)測(cè)試計(jì)劃[5]

圖15 常溫下沖擊試驗(yàn)[26]

圖16 低溫彎曲循環(huán)疲勞測(cè)試[27]

圖17 LNG流動(dòng)測(cè)試[27]

表4 8 in LNG低溫復(fù)合軟管參數(shù)①

3.2 SBM Offshore公司的LNG軟管

荷蘭SBM Offshore公司生產(chǎn)的LNG漂浮式低溫復(fù)合軟管COOLTM(cryogenic offshore offloading and loading)主要用于海上LNG串靠卸載(見(jiàn)圖18)，允許兩船間距為30～100 m，對(duì)作業(yè)環(huán)境條件(一般要求HS＜5.5 m)適應(yīng)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(tǒng)[28]

COOLTM軟管設(shè)計(jì)基于“管中管”的概念[29]，內(nèi)管是LNG低溫復(fù)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(xì)結(jié)構(gòu)如下：

(1) 內(nèi)管： 內(nèi)管為非黏結(jié)低溫復(fù)合軟管，內(nèi)、外螺旋金屬圈錯(cuò)開(kāi)半個(gè)螺距纏繞，纖維層和薄膜層以一定角度纏繞在旋轉(zhuǎn)芯軸上。內(nèi)、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(qiáng)軟管的強(qiáng)度。

(2) 外管： 外管為黏結(jié)橡膠軟管，通常由橡膠、鋼絲、簾布加強(qiáng)層硫化形成，已多年成功應(yīng)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(zhuǎn)芯軸成一定角度纏繞在內(nèi)部復(fù)合軟管上，填充內(nèi)管與外管之間的環(huán)形空間。絕熱材料顯著降低了管內(nèi)外的熱量交換，可有效防止外管結(jié)冰，同時(shí)可以保證軟管漂浮在海面上。

(4) 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)： 基于光纖分布式溫度傳感技術(shù)的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沿光纖以固定的間隔測(cè)量溫度，從而能夠即時(shí)檢測(cè)到液化天然氣從內(nèi)管泄漏到環(huán)形空間而產(chǎn)生的溫降。

圖19 漂浮式COOLTM軟管組成[28]

2010年，SBM Offshore公司生產(chǎn)的18 in LNG漂浮軟管通過(guò)了ABS(American Bureau of Shipping)和DNV的認(rèn)證[29]，為世界上第一個(gè)通過(guò)EN 1474-2規(guī)范認(rèn)證的漂浮式LNG軟管，其認(rèn)證測(cè)試流程與相互銜接如圖20所示，水平試驗(yàn)臺(tái)如圖21所示。在認(rèn)證過(guò)程中，根據(jù)EN 1474-2規(guī)范對(duì)COOLTM軟管在常溫、低溫環(huán)境下進(jìn)行了一系列材料測(cè)試、原型軟管測(cè)試，其中包括彎曲剛度測(cè)試、常溫下擠壓試驗(yàn)等，如圖22和圖23所示。根據(jù)認(rèn)證測(cè)試結(jié)果，得到18 in漂浮式COOLTM軟管主要技術(shù)參數(shù)，列于表5。

圖20 測(cè)試順序流程圖[29]

圖21 水平試驗(yàn)臺(tái)[29]

圖22 彎曲剛度測(cè)試[29]

圖23 常溫下擠壓試驗(yàn)[29]

表5 18in漂浮式COOLTM軟管參數(shù)

3.3 Dunlop公司的LNG軟管

英國(guó)Dunlop公司在海洋石油管線領(lǐng)域有著60年的發(fā)展歷史，在2011年通過(guò)收購(gòu)Bluewater公司的LNG軟管專(zhuān)利技術(shù)才開(kāi)始涉足LNG傳輸領(lǐng)域，并一直致力于研制輕便、強(qiáng)韌、柔性的大口徑LNG復(fù)合軟管[30]。為了克服LNG復(fù)合軟管在壓力和軸向載荷下所帶來(lái)的伸長(zhǎng)效應(yīng)，Dunlop公司研制出了一種16 in新型LNG復(fù)合軟管設(shè)計(jì)方案[31]，并對(duì)該軟管在常溫、低溫下的各項(xiàng)性能進(jìn)行了一系列的測(cè)試工作，于2016年底通過(guò)了DNV的認(rèn)證，其具體結(jié)構(gòu)如圖24所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)列于表6。在內(nèi)外螺旋金屬條之間嵌入了管狀雙軸超高相對(duì)分子質(zhì)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(shù)

3.4 Trelleborg公司的LNG軟管

2009年，瑞典Trelleborg公司聯(lián)合意大利Saipem公司以及法國(guó)Total公司共同開(kāi)發(fā)LNG復(fù)合軟管技術(shù)[32]。Trelleborg公司研制的Cryoline軟管與SBM Offshore公司推出的COOLTM軟管結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都是基于“管中管”概念，主要應(yīng)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(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖25)如下：

(1) 內(nèi)管： 為了達(dá)到更好的密封性能，內(nèi)管在傳統(tǒng)的LNG低溫復(fù)合軟管的基礎(chǔ)上加入了超高相對(duì)分子質(zhì)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(nèi)管具體結(jié)構(gòu)以及超高相對(duì)分子質(zhì)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(shù)開(kāi)發(fā)了LNG軟管的外管，具有良好的抗疲勞和抗惡劣環(huán)境的能力。

(3) 絕熱層： 內(nèi)管與外管間的環(huán)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(dǎo)率僅為0.03 W/m·K，顯著降低了內(nèi)外管間的熱量交換，有效防止了外部結(jié)冰，同時(shí)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)： 內(nèi)管與外管的環(huán)形空間內(nèi)有一套基于光纖技術(shù)的氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一旦發(fā)生泄漏，兩條纏繞在軟管上的光纖便能立刻檢測(cè)到因泄漏而產(chǎn)生的溫降。

圖25 Cryoline軟管組成[33]

圖26 內(nèi)復(fù)合軟管組成

圖27 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯套管

圖28 絕熱層加工過(guò)程

2016年4月，Trelleborg公司研制的20 in Cryoline軟管成功通過(guò)了BV的認(rèn)證[34]。在認(rèn)證過(guò)程中，根據(jù)EN 1474-2規(guī)范對(duì)20 in Cryoline軟管在常溫、低溫環(huán)境下進(jìn)行了一系列靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試，其中包括常溫下爆破測(cè)試、低溫下爆破測(cè)試、低溫流量測(cè)試等[34]，如圖29～圖31所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得到20 in Cryoline軟管主要技術(shù)參數(shù)，列于表7。

圖29 常溫爆破測(cè)試[33]

圖30 低溫爆破測(cè)試[31]

圖31 低溫流量測(cè)試[31]

表7 20inCryoline軟管參數(shù)

綜上，將2種LNG金屬波紋管與4種LNG復(fù)合軟管進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)不同結(jié)構(gòu)形式的LNG軟管產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，如表8所示。

表8 不同公司的LNG軟管產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

(續(xù)表)

4 結(jié) 語(yǔ)

LNG外輸系統(tǒng)是LNG海工裝置極其重要的系統(tǒng)之一。LNG低溫軟管材料選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，加工制造及性能測(cè)試復(fù)雜，其技術(shù)被歐美等少數(shù)國(guó)家壟斷，國(guó)內(nèi)LNG低溫軟管領(lǐng)域處于空白狀態(tài)。LNG 金屬波紋管的主要生產(chǎn)商為法國(guó)Technip和法國(guó)Nexans兩家公司，LNG低溫復(fù)合軟管的主要生產(chǎn)商為荷蘭Gutteling B.V.、荷蘭SBM Offshore、英國(guó)Dunlop以及瑞典Trelleborg四家公司，本文對(duì)這六家公司的產(chǎn)品及其認(rèn)證試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并對(duì)六家公司產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。盡早開(kāi)展LNG低溫軟管的國(guó)產(chǎn)化研制，突破低溫軟管材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造以及性能測(cè)試等方面的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)大尺寸低溫軟管及全尺寸測(cè)試裝置，對(duì)LNG低溫軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法以及性能試驗(yàn)理論、方法進(jìn)行深入研究，對(duì)于打破國(guó)外技術(shù)壟斷、打通國(guó)內(nèi)LNG關(guān)鍵技術(shù)鏈具有重要意義。