楊 亮，劉淼兒，劉 云，許佳偉

（1. 中海石油氣電集團(tuán)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

海洋中蘊(yùn)藏有豐富的天然氣資源。對(duì)于常規(guī)的海上天然氣開發(fā)，需完成的配套工程包括海上平臺(tái)建設(shè)、海底天然氣輸送管道鋪設(shè)、岸上天然氣處理工廠建設(shè)及公路和港口等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，投資多、風(fēng)險(xiǎn)高、周期長(zhǎng)。目前得到開發(fā)的天然氣田一般是近海的天然氣田。20世紀(jì)90年代以來，海洋邊際氣田開發(fā)日益受到重視，海洋工程技術(shù)的不斷進(jìn)步使得邊際氣田開發(fā)成為可能。浮式液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（LNG Floating Production Storage and offloading Unit，F(xiàn)LNG）是邊際氣田開發(fā)的有效工具，可看作是一座浮動(dòng)的LNG生產(chǎn)接收終端，直接系泊于氣田上方進(jìn)行作業(yè)，無須在前期進(jìn)行海底輸氣管道鋪設(shè)、LNG工廠和碼頭建設(shè)，可使LNG的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和卸料功能一體化，簡(jiǎn)化氣田的開發(fā)過程，降低開發(fā)成本。FLNG已被證明是進(jìn)行LNG開發(fā)較為有效、經(jīng)濟(jì)的工具，便于遷移，可重復(fù)使用[1]。

在海上天然氣開發(fā)過程中，當(dāng)FLNG艙內(nèi)的LNG儲(chǔ)量達(dá)到一定程度時(shí)，需進(jìn)行LNG 卸料，以便為后續(xù)天然氣的開發(fā)提供充足的存儲(chǔ)空間。LNG卸料是 FLNG的重點(diǎn)和難點(diǎn)技術(shù)之一。為避免鋪設(shè)海底管道帶來技術(shù)難題及巨大的成本，將LNG從FLNG卸料至LNG船，再由LNG船運(yùn)送至陸上或離岸終端。由于FLNG和LNG船均漂浮于水上，在風(fēng)、浪、流的作用下不斷晃動(dòng)，兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)卸料的影響很大。海上LNG的輸送需依靠特殊設(shè)計(jì)的卸料系統(tǒng)進(jìn)行，以滿足低溫和晃動(dòng)工況的嚴(yán)苛要求，實(shí)現(xiàn)LNG在海洋環(huán)境下的安全、高效傳輸。

1 海上LNG卸料系統(tǒng)分類

海上LNG卸料系統(tǒng)主要有并靠卸料和串靠卸料2種形式。

1) 當(dāng)并靠卸料時(shí)，F(xiàn)LNG與 LNG船并行布置且距離較近，兩者之間將產(chǎn)生水動(dòng)力干擾，進(jìn)而影響水動(dòng)力響應(yīng)特性。并靠卸料系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮水動(dòng)力干擾的影響，避免兩船體發(fā)生碰撞[2]。剛性輸送臂卸料系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、便于LNG 輸送與控制等優(yōu)點(diǎn)，但船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致輸送臂連接處發(fā)生泄漏，存在火災(zāi)、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。隨著 LNG低溫軟管的成功研發(fā)，許多概念設(shè)計(jì)提出采用低溫軟管進(jìn)行并靠卸料，以降低船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)卸料安全性的影響。并靠卸料系統(tǒng)適用于允許最大有義波高≤2.5m的相對(duì)溫和海況。

2) 當(dāng)串靠卸料時(shí)，F(xiàn)LNG與LNG船前后布置，兩者之間的距離較大。兩船體艏艉之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是影響串靠卸料系統(tǒng)性能的主要因素之一。采用艏艉相接的串聯(lián)系泊方式，配置能跨越 50～100m距離的剛性管線及輸送臂，并采用動(dòng)態(tài)定位技術(shù)將船體之間的距離控制在允許的工作范圍之內(nèi)，能在較為惡劣的海況條件下進(jìn)行卸料作業(yè)，允許最大有義波高達(dá)4.5m，但傳輸距離遠(yuǎn)、輸送管線長(zhǎng)、投資多，在技術(shù)上存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

LNG 低溫軟管用于長(zhǎng)距離輸送的安全性和可靠性尚待確定，串靠軟管卸料方案目前還停留在概念設(shè)計(jì)的可行性討論與測(cè)試階段，尚未得到商業(yè)化應(yīng)用[3]。

2 并靠卸料系統(tǒng)

2.1 并靠剛性臂卸料系統(tǒng)

LNG卸料臂是接收終端連接LNG船與陸上管線的重要設(shè)施，產(chǎn)品技術(shù)相對(duì)成熟，供貨商主要為法國(guó)FMC、德國(guó)SVT和日本NIIGATA等歐日廠家。LNG卸料臂系統(tǒng)由陸上輸油臂系統(tǒng)發(fā)展而來，根據(jù)配重塊的不同，可分為單配重塊卸料臂和雙配重塊卸料臂2種（見圖1和圖2）。與輸油臂相比，LNG卸料臂設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的難點(diǎn)主要在材料深冷處理、旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)及低溫動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、緊急脫離裝置設(shè)計(jì)及可靠性和快速連接接頭可靠性等方面。LNG卸料臂在作業(yè)過程中，通過牽引線來引導(dǎo)卸料臂的端部與LNG船接收端互連，以保證在相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下能準(zhǔn)確對(duì)接；操控卸料臂的液壓系統(tǒng)，使其能承受船體運(yùn)動(dòng)帶來的速度和加速度影響。

圖1 單配重塊卸料臂

圖2 雙配重塊卸料臂

近年來，隨著LNG船的大型化發(fā)展，Q-max級(jí)LNG船的單船容量已達(dá)26.7萬m3，LNG卸料設(shè)備也在向大型化和能力兼容化方向發(fā)展。例如海南LNG 項(xiàng)目，除了要求LNG卸料臂能滿足Q-max 級(jí)船型的正常卸料要求以外，還要求具備為3萬m3小型LNG 船進(jìn)行返輸操作的能力。早期投產(chǎn)的大鵬LNG和福建LNG項(xiàng)目配備4套或5套（4用1備）16in（1in=2.54cm，下同）的LNG卸料臂，其中1套作為蒸發(fā)氣（Boil Off Gas, BOG）返回臂使用。隨著LNG接收站的大型化發(fā)展及Q-max 級(jí)LNG 船的出現(xiàn)，考慮到流量、壓降及能耗等方面的因素，海南LNG、珠海LNG等項(xiàng)目在選型時(shí)均采用20in的LNG卸料臂的方案。表1為國(guó)內(nèi)部分LNG接收站卸料臂尺寸參數(shù)。由表1可知，從早期建設(shè)的福建LNG和上海LNG等項(xiàng)目，到后期投入運(yùn)營(yíng)的深圳LNG和天津LNG等項(xiàng)目，卸料臂的尺寸呈逐漸增加的趨勢(shì)。

表1 國(guó)內(nèi)部分LNG接收站卸料臂尺寸參數(shù)

2.2 并靠軟管卸料系統(tǒng)

圖3為TECHNIP公司開發(fā)的柔性臂（Flexible Arm，F(xiàn)lexArm）并靠軟管卸料系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)結(jié)合剛性臂和柔性管的技術(shù)特點(diǎn)，可提升 LNG傳輸系統(tǒng)的靈活性。該系統(tǒng)采用軟管懸吊技術(shù)，通過柔性管的懸垂晃動(dòng)來適應(yīng)浮體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，允許的操作包絡(luò)線相比剛性臂卸料系統(tǒng)范圍更大。FlexArm卸料系統(tǒng)配備完整的快速連接裝置（Quick Connect/Disconnect Coupling，QC/DC）、緊急釋放系統(tǒng)（Emergency Release System，ERS）和集成控制設(shè)備，其連接系統(tǒng)位于軟管端部，通過QC/DC實(shí)現(xiàn)軟管與船體柔性接頭的安全和動(dòng)態(tài)連接，一旦出現(xiàn)LNG泄漏等緊急情況，ERS可快速斷開軟管與船體的連接，切斷LNG輸送；同時(shí)，并具備自密封功能，保障LNG傳輸過程中的安全。

圖4為低溫軟管連接系統(tǒng)示意，主要結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)向和定位系統(tǒng)、QC/DC及ERS等。在導(dǎo)向鋼絲牽引軟管定位之后，QC/DC通過夾抓快速與接收端法蘭互連；ERS通常采用雙油缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，一只液壓缸關(guān)閉低溫球閥，另一只打開緊急脫離。關(guān)閥機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條結(jié)構(gòu)，避免上下球閥關(guān)閉不同步的風(fēng)險(xiǎn)，且兩節(jié)式推桿設(shè)計(jì)可確保關(guān)閥之后安全可靠地分離。

圖3 FlexArm并靠軟管卸料系統(tǒng)

圖4 低溫軟管連接系統(tǒng)示意

圖5為GUTTELING & B.V并靠軟管卸料系統(tǒng)。該卸料系統(tǒng)采用GUTTELING公司開發(fā)的已通過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證的8in低溫復(fù)合軟管，軟管制造與測(cè)試參照的規(guī)范為EN 1474-2[4]。主要測(cè)試工作由荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)（Netherlands Organization for Applied Scientific Research，TNO）完成，產(chǎn)品已獲得DNV認(rèn)證，目前已投入商業(yè)化應(yīng)用。2007 年2 月，EXCELERATE和EXMAR公司采用GUTTELING軟管，成功地完成海上LNG 的輸送作業(yè)。GUTTELING公司在產(chǎn)品開發(fā)過程中指出，EN1474-2中的資格認(rèn)證過程還需補(bǔ)充其他測(cè)試內(nèi)容，如低溫復(fù)合軟管的疲勞和蠕變特性測(cè)試應(yīng)納入性能評(píng)價(jià)范圍[5]。

圖6為GUTTELING低溫軟管結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外依次為：螺旋形內(nèi)金屬圈、內(nèi)襯套、復(fù)合骨架、復(fù)合編織網(wǎng)、外螺旋金屬圈。由于最內(nèi)層和最外層都是螺旋形金屬圈，當(dāng)軟管破損失效時(shí)，應(yīng)力的變化將導(dǎo)致軟管變形，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切斷LNG的輸送。GUTTELING軟管最大工作壓力為1.4MPa，爆破壓力為7MPa，工作溫度范圍為-196 ～ 50℃，可采用多種標(biāo)準(zhǔn)的法蘭、螺紋接頭及快速接頭等連接方式。

圖5 GUTTELING & B.V并靠卸料軟管系統(tǒng)

圖6 GUTTELING低溫軟管結(jié)構(gòu)

3 串靠卸料系統(tǒng)

3.1 串靠剛性臂卸料系統(tǒng)

圖7為FMC公司開發(fā)的串靠剛性臂卸料系統(tǒng)，采用自動(dòng)伸縮管以適應(yīng)船體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過滑環(huán)和鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整方向自由度。圖8為FMC按1:5比例尺制作的試驗(yàn)裝置，安裝有計(jì)算機(jī)控制臺(tái)，用于模擬雙船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[6]。該卸料系統(tǒng)已成功應(yīng)用于SHELL公司的Bruni LNG設(shè)施中，已連續(xù)運(yùn)行多年。盡管FMC卸料系統(tǒng)是安裝在碼頭上的而不是安裝在浮體上，但同樣具備從碼頭向浮體卸料的能力。

圖7 FMC串靠剛性臂卸料系統(tǒng)

圖8 FMC串靠剛性臂試驗(yàn)裝置

剛性串靠卸料系統(tǒng)的系泊方式主要分為纜繩系泊、普通剛性臂系泊和雙剛性臂系泊等3種。最初的系泊方式是采用尼龍系泊纜繩串聯(lián)雙船，主要適用于溫和海域。軟鋼臂系泊方案的出現(xiàn)有效降低了船體之間的運(yùn)動(dòng)幅度，而采用雙軟鋼臂的設(shè)計(jì)能將船體之間的運(yùn)動(dòng)幅度限制在最小范圍內(nèi)。雙軟鋼臂系泊方案可分為固定懸臂式方案和轉(zhuǎn)動(dòng)懸臂式方案2種（見圖9和圖10）。固定懸臂式方案中的伸縮臂懸架是固定的，操作范圍比較受限；經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的轉(zhuǎn)動(dòng)懸臂式方案，懸臂架可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，具有更好的靈活性[7]。

圖9 固定懸臂式系泊方案

圖10 轉(zhuǎn)動(dòng)懸臂式系泊方案

3.2 串靠軟管卸料系統(tǒng)

目前串靠軟管卸料系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，TOTAL、TECHNIP及OCL等公司分別提出概念設(shè)計(jì)方案并開展一系列測(cè)試工作。圖11為TOTAL開發(fā)的海上LNG卸料系統(tǒng)，采用TRELLEBORG公司研發(fā)的低溫軟管[8-9]。該軟管內(nèi)徑為20in，LNG的流速范圍為10000～12000m3/h，管徑較大有利于減小管內(nèi)流動(dòng)阻力，減少能耗，降低BOG的產(chǎn)生。

圖12為TRELLEBORG低溫軟管結(jié)構(gòu)示意，管體主要包含5部分，各層結(jié)構(gòu)及功能見表2。該軟管最大工作壓力為 1.5MPa，設(shè)計(jì)溫度范圍為-196～40℃，最小彎曲半徑為 3m（軟管內(nèi)徑 20in）。每條軟管由12m的軟管段單元組成，按照EN1474-2規(guī)范完成一系列性能測(cè)試，滿足LNG串靠卸料的安全性要求[10]。

圖11 TOTAL海上LNG卸料系統(tǒng)

圖12 TRELLEBORG低溫軟管結(jié)構(gòu)示意

表2 TRELLEBORG低溫軟管結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖13為TECHNIP低溫軟管卸料系統(tǒng)。方案的一個(gè)特點(diǎn)是采用轉(zhuǎn)盤儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該卸料系統(tǒng)配備內(nèi)徑為16in的低溫軟管，儲(chǔ)存卷盤半徑為16m，繞盤一周能存放100m左右的軟管。軟管和艏部的接頭位置連接之后夾持固定，艏部能繞軟管懸掛線平面以一定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。軟管懸掛的長(zhǎng)度可通過卷軸調(diào)節(jié)。垂直滑環(huán)節(jié)點(diǎn)可使兩浮體在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)保持軟管懸掛線垂直，只有當(dāng)浮體受到劇烈的橫搖或縱搖時(shí)，軟管才會(huì)承受彎矩和扭轉(zhuǎn)力。

圖13 TECHNIP低溫軟管卸料系統(tǒng)

除了開發(fā)卸料系統(tǒng)以外，TECHNIP公司還開發(fā)出2種型式的低溫柔性軟管，分別為懸掛型LNG軟管和漂浮型LNG軟管，其結(jié)構(gòu)示意分別見圖14和圖15，軟管的各層結(jié)構(gòu)及功能見表3。2種型式的低溫軟管內(nèi)徑尺寸為16in，最大許用工作壓力為1.8MPa，LNG傳輸設(shè)計(jì)流速為7m/s，設(shè)計(jì)使用壽命為10a[11]。

圖14 懸掛型LNG軟管

圖15 漂浮型LNG軟管

表3 TECHNIP低溫軟管的各層結(jié)構(gòu)及功能

圖16為OCL公司開發(fā)的低溫軟管卸料系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個(gè)由FLNG艉部延伸至LNG艏部的可伸縮式框架起重機(jī)，起重機(jī)的頂端懸掛不銹鋼波紋柔性管，軟管與起重機(jī)的底部采用旋轉(zhuǎn)接頭互連，而穿梭LNG船上的接頭用彎曲加強(qiáng)筋固定。FLNG和LNG船通過“吊索”系泊設(shè)備連在一起，兩船體之間的距離約為65m。在卸料過程中，LNG船受到固定的艉側(cè)推力，以確保卸料系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

不銹鋼波紋柔性管是整個(gè)卸料系統(tǒng)重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)見圖17。該軟管采用雙層薄壁不銹鋼波紋管結(jié)構(gòu)，且在2層波紋管之間設(shè)有真空熱絕緣層[13]?？紤]到材料在低溫條件下的高強(qiáng)度和高韌性要求，波紋管材料選用ASTM 316L，在室溫和LNG工作溫度下均具有很好的抗疲勞性和耐腐蝕性，同時(shí)具有足夠的延展性和斷裂韌性，且波紋易加工成型。

圖16 OCL低溫軟管卸料系統(tǒng)

圖17 OCL卸料系統(tǒng)用不銹鋼波紋柔性管

4 結(jié) 語(yǔ)

FLNG是邊際氣田開發(fā)較為有效和經(jīng)濟(jì)的工具， LNG卸料是FLNG的重點(diǎn)和難點(diǎn)技術(shù)之一，海上LNG的卸料系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足低溫和晃動(dòng)工況的嚴(yán)苛要求。隨著 LNG低溫軟管的成功研發(fā)，許多概念設(shè)計(jì)提出采用低溫軟管卸料降低船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)卸料安全性的影響，國(guó)外低溫軟管制造廠商已開展一系列性能測(cè)試工作，結(jié)果表明低溫軟管的綜合性能優(yōu)勢(shì)明顯，因采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)而使其在相同拉伸剛度條件下具有很低的彎曲剛度。因此，在相同的壓力承載能力條件下，低溫軟管可有更小的彎曲半徑，同時(shí)增強(qiáng)了其承受因海流、渦激振動(dòng)、浮船運(yùn)動(dòng)和安裝導(dǎo)致的載荷而產(chǎn)生變形的能力。采用低溫軟管輸送 LNG能滿足安全技術(shù)要求且適用于多種操作條件。

此外，隨著全球海上LNG貿(mào)易的蓬勃發(fā)展及政府對(duì)LNG產(chǎn)業(yè)的大力支持，船舶“油改氣”產(chǎn)業(yè)將得到迅猛發(fā)展，陸用、水用LNG轉(zhuǎn)運(yùn)及加注裝備需求量巨大，這些都會(huì)對(duì)低溫軟管技術(shù)的推廣使用起到促進(jìn)作用，低溫軟管在LNG 輸送領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。