海洋LNG低温软管结构设计与试验研究现状*

张 进安 晨高 强李方遒魏代锋段梦兰李忠利

(1.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院，北京102249；2.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306；3.中海石油气电集团技术研发中心，北京 100027；4.河北泽邦塑胶科技有限公司，衡水 053000)

0 引 言

LNG(liquefied natural gas，液化天然气)是天然气经压缩、冷却至其沸点-161.5℃后变成的液体，体积约为同量气态天然气体积的1/625，主要成分是甲烷。近几年来，中国LNG需求量增长迅速，2017年中国已超越韩国成为世界第二大进口国。当前，LNG主要是通过FSRU(floating storage and regasification unit，浮式储存气化装置)进行储存及再气化的，LNG运输船与FSRU之间的卸载主要是通过刚性装卸臂完成的[1-2]。传统的刚性装卸臂虽可完成LNG的装卸，但仅限于在良好海况下进行工作，无法适应恶劣海况。因为软管具有柔软性好、重量轻、两船间运动补偿高的优点[3-5]，使得船舶间的LNG装卸将不只局限于良好海况，而可以适应恶劣海况下的输送要求，成为LNG外输系统最有竞争力的装备之一[6-7]。目前，LNG低温软管技术被国外垄断，国外公司集设计、制造、测试和安装于一体[8-10]。国内在LNG低温软管设计、制造领域的研究基本处于空白状态，长期依赖于进口，价格昂贵。本文介绍了LNG低温软管的技术规范，论述了国外代表性企业的相关产品结构设计与性能试验，为国内LNG低温软管的设计和开发提供参考。

1 规范推荐的软管结构与试验要求

目前，LNG低温软管设计、制造参考的主要规范是EN 1474-2—2008 Installation and equipment for liquefied natural gas-Design and testing of testing of transfer hoses[11]。根据制造方法的不marine transfer systems-Part2：Design and同，该规范将LNG低温软管分为两类： 金属波纹管和复合软管。EN 1474-2规范规定了LNG输送软管和组件的设计要求，但没有涉及产品设计和关键部件的细节内容；根据EN 1474-2规范要求，需要对LNG低温软管进行的试验主要分为实验室测试和原型软管测试两大类，具体的测试项目如表1所示，对于具体的测试流程、测试要求等没有进行具体的说明；EN 1474-2规范是一个概述性规范，有待进一步细化。针对LNG低温软管的设计，厂商根据用户不同的使用要求(功能要求、环境要求、保温要求等)对LNG低温软管进行定制化设计，再进行一系列性能试验验证LNG低温软管的设计是否满足使用要求。

表1 测试项目表

1.1 金属波纹管

金属波纹管根据结构的不同，可以分为加强的金属波纹管和真空绝热的金属波纹管。

1.1.1 加强的金属波纹管

加强的金属波纹管内层由不锈钢波纹管制成，能保证内层不泄漏，且承担内部的径向压力。鉴于使用工况的不同，可根据需要配置铠装层和螺线层。铠装层承受轴向载荷，也是第一道绝热层；螺线层确保铠装层处于正确的位置，也起到一定的绝热作用。为了防止软管外部结冰，软管配置了单层或多层绝热层，同时保证了内部温度恒定。中间密封层护套使软管形成两个独立的环形空间，一旦发生LNG泄漏就能立即检测到，外部密封层护套可防止外部水的渗入。典型的加强金属波纹管构成如图1所示。

图1 加强的金属波纹管[11]

1.1.2 真空绝热的金属波纹管

真空绝热的金属波纹管主要由内外螺旋波纹钢管、双层抗拉铠装层、防磨层和外护套组成。波纹内管和外管的环状空隙抽成了真空，绝热由环状间隙里的超级绝热的真空层维持，环状空隙的压力监测也起到了检测内管、外管泄漏的作用。典型的真空绝热的LNG软管构成如图2所示。

图2 真空绝热的LNG软管[11]

1.2 复合软管

复合软管由非黏结的多层聚合膜和纤维层构成，内外两层螺旋金属条将其夹紧并形成密封的管状结构，如图3所示。一般来说，聚合膜层用于防止所输送液体的渗漏，而纤维层主要提供软管的强度。整个软管制造的顺序如下： 将内金属条按预定的螺距盘好；复合纤维层用来构成支撑材料；由多层聚合薄膜形成一个管腔，并且形成一个防止液体泄漏的密封层；多层复合纤维层用于提高软管的强度；外层螺旋形金属条与内层金属条错开半个螺距缠绕，形成所要求的缠绕结构。复合纤维层的层数和布置应根据软管的尺寸和用途确定，聚合膜和纤维材料的选择应符合所输送液体的特性和极端操作温度要求。

图3 复合软管[11]

2 国外LNG金属波纹管产品概况

2.1 Technip公司的LNG软管

作为最初少数几家涉足LNG软管制造的公司，法国Technip所研制的LNG软管结构如图4所示[12-14]，主要包括内波纹管、抗拉铠装层、绝热层以及外防护层。根据使用工况的不同，Technip研制的LNG软管又可以分为悬挂式和漂浮式[15]，两种软管结构分别如图5和图6所示，各层所采用的材料以及功能列于表2[16]。悬挂式LNG软管主要应用于旁靠式卸载，一般要求HS＜3 m，两船间距不超过10 m[17]，于2010年12月通过了BV(Bureau Veritas)认证；漂浮式LNG软管主要应用于串靠式卸载，一般要求HS＜5.5 m，允许两船间距为30～100 m[17]，于2015年2月通过了BV认证[18-19]。

图4 LNG金属波纹软管结构[14]

图5 悬挂式LNG金属波纹软管结构[15]

图6 漂浮式LNG金属波纹软管结构[15]

表2 LNG金属波纹管各层特点

2.2 Nexans公司的LNG软管

法国Nexans公司自2000年开始研制LNG真空绝热金属波纹管，主要应用于海上串靠式卸载，适用于良好海况下LNG的输送(一般要求HS＜2.5 m)[20]，其结构如图7和图8所示[21-23]，主要包括金属波纹内管、绝热层、垫片、金属波纹外管、铠装层以及外保护层，各层功能详细说明列于表3。2010年，DNV(Det Norsk Veritas)根据EN 1474-2规范对Nexans公司研制的16 in (1 in=0.254 m)LNG真空绝热金属波纹管Cryodyn进行了认证测试[24]，包括常温弯曲循环疲劳测试、常温下挤压试验等(见图10和图11)，最终在2011年1月完成了认证。

图7 LNG真空绝热金属波纹管结构[21]

图8 LNG真空绝热金属波纹管横截面[24]

表3 LNG真空绝热金属波纹管各层特点

图9 铠装机械[24]

图10 常温弯曲循环疲劳测试[24]

图11 常温下挤压试验[22]

3 国外LNG复合软管产品概况

3.1 Gutteling B.V.公司的LNG软管

2007年，比利时船运公司Exmar和美国天然气贸易公司Excelerate在世界上首次采用了荷兰Gutteling B.V.公司生产的LNG低温复合软管，成功完成了海上LNG的输送作业[25]，如图12所示。Gutteling B.V.公司生产的LNG复合软管内部结构(见图13)由内到外分别为： 螺旋形金属条(奥氏体不锈钢316 L)；复合骨架网(芳纶布)；内衬套(超高相对分子质量聚乙烯膜)；复合编织网(涤纶布)；螺旋形金属条(奥氏体不锈钢316 L)。

Gutteling B.V.公司是世界上第一家生产LNG低温复合软管的公司，其产品尺寸范围为1～16 in，其中12 in和16 in的软管需要根据客户需求定制。Gutteling B.V.公司生产的LNG低温软管适用于旁靠式卸载，两船间距较小，一般不超过10 m[7]。Gutteling B.V.公司委托荷兰研究所TNO制订了多级测试计划[2]，如图14所示。2010年，Gutteling B.V.公司8 in LNG低温复合软管通过了DNV的认证，其中部分认证测试情况如图15～图17所示[26-27]，通过测试得到的8 in复合软管主要技术参数列于表4。

图12 旁靠式LNG输送[25]

图13 LNG复合软管结构[7]

图14 多级测试计划[5]

图15 常温下冲击试验[26]

图16 低温弯曲循环疲劳测试[27]

图17 LNG流动测试[27]

表4 8 in LNG低温复合软管参数①

3.2 SBM Offshore公司的LNG软管

荷兰SBM Offshore公司生产的LNG漂浮式低温复合软管COOLTM(cryogenic offshore offloading and loading)主要用于海上LNG串靠卸载(见图18)，允许两船间距为30～100 m，对作业环境条件(一般要求HS＜5.5 m)适应性高[28]，满足恶劣海况下LNG的卸载要求。

图18 SBM Offshore LNG串靠式卸载系统[28]

COOLTM软管设计基于“管中管”的概念[29]，内管是LNG低温复合软管，外管是海上使用的橡胶软管，图19为COOLTM软管组成示意图。其主要元件详细结构如下：

(1) 内管： 内管为非黏结低温复合软管，内、外螺旋金属圈错开半个螺距缠绕，纤维层和薄膜层以一定角度缠绕在旋转芯轴上。内、外螺旋金属圈将纤维层和薄膜层夹住，起塑形作用；聚合膜层形成密封，防止液体泄漏；纤维层增强软管的强度。

(2) 外管： 外管为黏结橡胶软管，通常由橡胶、钢丝、帘布加强层硫化形成，已多年成功应用于海上石油输送，拥有良好的抗疲劳能力。

(3) 绝热层： 绝热材料气凝胶与旋转芯轴成一定角度缠绕在内部复合软管上，填充内管与外管之间的环形空间。绝热材料显著降低了管内外的热量交换，可有效防止外管结冰，同时可以保证软管漂浮在海面上。

(4) 泄漏监测系统： 基于光纤分布式温度传感技术的泄漏监测系统沿光纤以固定的间隔测量温度，从而能够即时检测到液化天然气从内管泄漏到环形空间而产生的温降。

图19 漂浮式COOLTM软管组成[28]

2010年，SBM Offshore公司生产的18 in LNG漂浮软管通过了ABS(American Bureau of Shipping)和DNV的认证[29]，为世界上第一个通过EN 1474-2规范认证的漂浮式LNG软管，其认证测试流程与相互衔接如图20所示，水平试验台如图21所示。在认证过程中，根据EN 1474-2规范对COOLTM软管在常温、低温环境下进行了一系列材料测试、原型软管测试，其中包括弯曲刚度测试、常温下挤压试验等，如图22和图23所示。根据认证测试结果，得到18 in漂浮式COOLTM软管主要技术参数，列于表5。

图20 测试顺序流程图[29]

图21 水平试验台[29]

图22 弯曲刚度测试[29]

图23 常温下挤压试验[29]

表5 18in漂浮式COOLTM软管参数

3.3 Dunlop公司的LNG软管

英国Dunlop公司在海洋石油管线领域有着60年的发展历史，在2011年通过收购Bluewater公司的LNG软管专利技术才开始涉足LNG传输领域，并一直致力于研制轻便、强韧、柔性的大口径LNG复合软管[30]。为了克服LNG复合软管在压力和轴向载荷下所带来的伸长效应，Dunlop公司研制出了一种16 in新型LNG复合软管设计方案[31]，并对该软管在常温、低温下的各项性能进行了一系列的测试工作，于2016年底通过了DNV的认证，其具体结构如图24所示，相关技术参数列于表6。在内外螺旋金属条之间嵌入了管状双轴超高相对分子质量聚乙烯纤维编织物，显著提高了软管抵抗轴向载荷及抗压能力。

图24 LNG软管组成

表6 16 in LNG软管参数

3.4 Trelleborg公司的LNG软管

2009年，瑞典Trelleborg公司联合意大利Saipem公司以及法国Total公司共同开发LNG复合软管技术[32]。Trelleborg公司研制的Cryoline软管与SBM Offshore公司推出的COOLTM软管结构类似，都是基于“管中管”概念，主要应用于LNG串靠式卸载[33]，可以满足恶劣海况下的输送需求，HS＞2.5 m，允许两船间距为30～100 m[32]，具体结构(见图25)如下：

(1) 内管： 为了达到更好的密封性能，内管在传统的LNG低温复合软管的基础上加入了超高相对分子质量聚乙烯套管，其在-163℃下依然具有良好的柔性及抗弯曲疲劳的能力，内管具体结构以及超高相对分子质量聚乙烯套管层分别如图26和图27所示。

(2) 外管： Trelleborg公司基于成熟的胶管技术开发了LNG软管的外管，具有良好的抗疲劳和抗恶劣环境的能力。

(3) 绝热层： 内管与外管间的环形空间缠绕新型三维织物作为绝热层，该材料密度极低且在-160℃下的热导率仅为0.03 W/m·K，显著降低了内外管间的热量交换，有效防止了外部结冰，同时可以保证软管漂浮在海面上，具体加工工艺如图28所示。

(4) 泄漏监测系统： 内管与外管的环形空间内有一套基于光纤技术的气体泄漏监测系统，一旦发生泄漏，两条缠绕在软管上的光纤便能立刻检测到因泄漏而产生的温降。

图25 Cryoline软管组成[33]

图26 内复合软管组成

图27 超高相对分子质量聚乙烯套管

图28 绝热层加工过程

2016年4月，Trelleborg公司研制的20 in Cryoline软管成功通过了BV的认证[34]。在认证过程中，根据EN 1474-2规范对20 in Cryoline软管在常温、低温环境下进行了一系列静态、动态测试，其中包括常温下爆破测试、低温下爆破测试、低温流量测试等[34]，如图29～图31所示。根据测试结果，得到20 in Cryoline软管主要技术参数，列于表7。

图29 常温爆破测试[33]

图30 低温爆破测试[31]

图31 低温流量测试[31]

表7 20inCryoline软管参数

综上，将2种LNG金属波纹管与4种LNG复合软管进行对比，总结不同结构形式的LNG软管产品的优缺点，如表8所示。

表8 不同公司的LNG软管产品优缺点对比

(续表)

4 结 语

LNG外输系统是LNG海工装置极其重要的系统之一。LNG低温软管材料选型与结构设计难度大，加工制造及性能测试复杂，其技术被欧美等少数国家垄断，国内LNG低温软管领域处于空白状态。LNG 金属波纹管的主要生产商为法国Technip和法国Nexans两家公司，LNG低温复合软管的主要生产商为荷兰Gutteling B.V.、荷兰SBM Offshore、英国Dunlop以及瑞典Trelleborg四家公司，本文对这六家公司的产品及其认证试验进行了详细说明，并对六家公司产品的优缺点进行了总结。尽早开展LNG低温软管的国产化研制，突破低温软管材料选型、结构设计、加工制造以及性能测试等方面的关键技术，研发大尺寸低温软管及全尺寸测试装置，对LNG低温软管结构设计理论、计算方法以及性能试验理论、方法进行深入研究，对于打破国外技术垄断、打通国内LNG关键技术链具有重要意义。