低温软管在海上LNG输送领域的应用研究

徐岸南，宋丽君，钱 强

（沪东中华造船集团有限公司，上海 200129）

0 引 言

世界上第一艘LNG FPSO船顺利地开工建造表明，LNG海上运输技术已取得突破[1]。海上LNG输送应用的低温软管主要包括悬浮式和漂浮式两种形式。尽管目前LNG FPSO所处的环境只能是在“良好”海况下，采用的LNG外输方式只局限于旁靠式刚性装卸臂输送[2]。但是，随着技术进步，潜在资源需求的增加，LNG FPSO所处的区域或将越来越远离“良好”海况的区域。此时，传统的刚性装卸臂已无法满足卸载条件。要适应恶劣海况下进行连续地外输作业，采用低温软管将是一个可选的方式。

目前的低温软管技术能使外输作业的 FLNG/LNG穿梭船（以下简称 LNGC）保持一个安全的距离，且不会因为波浪、FLNG/LNGC吃水变化造成的位移等因素频繁地中断卸载进程，再加上相对简单和可靠的操作，将促进低温软管在海上LNG输送领域的应用。

1 悬浮式低温软管

悬浮式低温软管，一般应用于旁靠式的LNG卸载方式（见图1）。当穿梭LNG船与LNG FSRU采用旁靠式（SBS）卸载方式时，两船间距较小，一般不超过10m。LNG FSRU停泊于近海区域，海况相对较好。

通过分析悬浮式低温软管的资料，荷兰Gutteling公司已经成功地开发了一款悬浮式低温软管，其主要技术参数为：

a. 最大工作压力：1.4MPa

b. 最大流量：1250m3/h

c. 爆破压力：7MPa

d. 工作温度范围：-196 ～ +50℃

e. 管径：12英寸

f. 最小弯曲半径：1860mm

g. 设计工作寿命：重要元件5a

h. 连接方式：多种标准的法兰、多种标准的螺纹接头，快速接头等

i. 无低温绝缘层

其内部结构组成（图2）由内到外：最内层为螺旋形内金属圈（不锈钢316）；内二层为内衬套（聚酰胺/Hostaflon）；内三层为复合骨架网（聚酰胺纤维布）；内四层为复合编织网（聚酯纤维布）；最外层为外螺旋金属圈（不锈钢316）。由于最内层和最外层都是螺旋形金属圈，当软管破损时，由于应力的变化而直接导致软管变形，工作人员可以及时发现，并切断LNG的输送。

图1 旁靠式LNG输送

图2 Gutteling悬浮式低温软管结构

当悬浮式低温软管两端的法兰分别与穿梭LNG船和LNG-FSRU的通岸接头连接后，就可以进行LNG的输送。通岸接头与低温软管对接时中间需有快速连接/断开装置。一旦发生紧急情况可以快速切断 LNG的输送，保证LNG的泄漏量在安全范围内。

低温悬浮软管已成功应用于近海的LNG输送作业中。2007年2月，Excelerate和Exmar公司在世界上首次采用了荷兰Gutteling 公司的低温软管，成功地完成了海上LNG的输送作业。

2 漂浮式低温软管

漂浮式低温软管，一般用于串联式（TANDEM）LNG卸载方式。由于LNG FPSO停泊于深海区域，海况相对较差，H1/3>2.5m，属于“恶劣”海况。旁靠式卸载方式几乎无法满足两船间纵向、横向及垂向距离补偿，这就需要穿梭LNG船与LNG FPSO采用串联式卸载方式（见图3）。

图3 串联式LNG输送

采用串联式低温软管卸载方式，允许两船间距为30～100m，适应了恶劣海况下操作，当然LNG FPSO安装了一些特殊装置，如动力定位（DP2）、艏部载装置（Bow Loading System）等。

2009年，瑞典Trelleborg公司与意大利Saipem公司合作开发了串联装卸式低温漂浮软管技术。该软管拥有：热损率低、连接方式简洁、安全可靠及使用寿命长等优点，满足 LNG输送操作者在装、卸载时安全、流量及操作简单且可靠的要求。该软管的相关技术参数如下：

内径： 20英寸

最大允许工作压力： 1.5MPa

工作温度范围： -196 ～ +40℃

最小弯曲半径： 3m

工作寿命： 5a

最大操作次数： 500次（按每周作业2次计算）

Trelleborg低温漂浮软管的设计是基于一个“管中管”的概念。它由外管和内管组成：外管是一个业内认可的适宜海上使用的橡胶软管；内管是 LNG低温复合软管。该低温漂浮软管专门用于“船对船”的LNG输送。Trelleborg公司在橡胶软管和复合软管的制造方面已有多年的经验，在业界认可成熟技术产品的设计改进方面，Trelleborg公司有着很多成功的经验和很高的技术水平。

2.1 结构组成

图4为Trelleborg低温漂浮软管的组成示意图。该低温漂浮软管的主要元件为：

1) 内管：内管为低温复合软管，拥有良好的灵活性，已经成功应用于旁靠式“船对船”的 LNG输送领域。该复合软管通常由非粘合式、多层聚合薄膜和纤维织品层以及内外两层不锈钢螺旋金属圈组成。内外两层螺旋金属圈将聚合薄膜和纤维织品层夹住，起塑型作用。聚合薄膜层起流体密封作用，防止管内液体泄漏；而纤维织品层可以增强软管的机械强度。聚合薄膜和纤维织品的层数由管径以及输送产品的种类决定。聚合薄膜和纤维织品的材料则根据输送产品的极端温度来选择。该复合软管已通过静态、动态试验和大量海上“船对船”的LNG输送实际应用证明其在LNG输送过程的安全性和可靠性。

图4 Trelleborg低温漂浮软管结构

2) 外管：外管为橡胶软管，拥有良好的抗疲劳和抗恶劣环境能力。橡胶软管通常由橡胶、金属环、钢丝加强层和端部装置组成。

3) 绝缘层：内管与外管间的环形部分为绝缘材料层。绝缘材料层可以减少管内外的热量交换，有效防止外管结冰，同时还可以保证软管漂浮在海面上。此外，它还有良好的抗动态疲劳能力。

4) 气体泄露监控系统：内管与外管间的环形部分有一套完整的、基于光纤技术的气体泄露监测系统。两条装备着分布式布拉格光栅传感器的光纤缠绕在复合软管上以监测温度的变化，防止在卸货时发生异常状况。操作者可以通过这套快速、高效、可靠的控制系统监控整个卸货过程。

5) 简单、专用的连接系统：这是一套为海上LNG输送专门设计的应用系统。Trelleborg公司开发了一款全新概念的端部装置以确保货物输送的密闭性，并减少卸货管路的热量损失。这套连接装置的设计拥有专门的低温应用密封件。该密封件为单向密封，材料为聚四氟乙烯（PTFE）的膨胀密封圈。聚四氟乙烯是一种常用于静态和动态的气体、液体密封应用的材料，可以承受温度的快速变化。端部装置设计的每个阶段首先都应有限元分析计算热量以及机械负荷。然后，这些计算结果都要通过专门的整套实验，验证连接系统设计的可行性，验证室温以及低温下接头的密闭性，认可这项低温密封技术的选择。

2.2 软管接头

对于该串联低温漂浮软管式输送系统，低温漂浮软管的端头将连接到一个单向接头（见图5）。该单向接头有三个阀，每个阀控制一根低温软管。每两条 LNG管路间都接有一个旁通阀。这些旁通阀使管路形成一个循环，当这些单向接头没有与穿梭LNG船对接时，接通一条液货管路可以冲洗其他两条液货管路。软管接头连接着浮动模块，以保证LNG船与LNG FSRU或LNG FPSO进行装卸货时软管接头一直处于漂浮状态。

2.3 软管盘管存储系统

软管存储系统（见图 6）安装于船尾，是一个简单的三层同轴盘管结构。每根软管都独立存储于其所在的那层盘管上，基于这种结构，当某根软管因维修等原因不能操作时，不影响其他两根软管的正常操作。不过若是两根软管进行卸货操作，需要降低 LNG的流速。水平的盘管结构，使得系统在紧急情况下可以允许 LNG通过重力进行泄放以保证安全。每层盘管上的软管都通过液压马达控制收放。为了保护盘管上的元件，每层盘管都需连接到LNG溢流舱。

图5 接头示意图

图6 软管存储系统及接头维护与存储平台

LNG FPSO的艉部安装有一个存储及维护平台。每次LNG转运操作结束后，在平台上检查软管接头，以及泄放软管冲洗后仍残余的LNG。

基于Trelleborg公司现有已经认可的技术，该LNG低温漂浮软管将成为将来海上LNG输送领域应用中一个关键设备。它使恶劣海况下LNG的转运更加安全，保障LNG连续输送。

虽然低温漂浮软管在2012年底就已经获得国际认证，可以应用到深海LNG输送的业务中，但是由于目前世界上的LNG FPSO还没有交付使用，低温漂浮软管的实际使用还需要一段时间[3]。

3 结 语

LNG外输系统是LNG海工装置极其重要的系统之一，低温软管因柔软性好、重量轻、耐腐蚀、操作简单安全、通用性好、两船间运动补偿高等优点，在旁靠和串联两种方式中都得到业界的高度关注, 尤其是在恶劣海况只能选择串联作业时更具优势。总之，悬浮式低温软管适用于海况较好的近海进行 LNG的输送；而漂浮式低温软管使用于海况恶劣的深海进行LNG的输送。

[1] 童 波. 深水浮式生产储油装置（FPSO）外输油浮筒系统研究[J]. 船舶与海洋工程，2012, (1): 21-25.

[2] 敬加强，梁光川，蒋宏业. 液化天然气技术问答[M]. 北京：化学工业出版社，2007.

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