劉富鵬， 楊 亮， 孫紫麾， 毛建斌， 董貴君

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451；2. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072；3. 中海石油氣電集團(tuán) 技術(shù)研發(fā)中心， 北京 100028)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)運(yùn)輸船靠泊和卸料過程的可靠性是影響LNG傳輸作業(yè)的關(guān)鍵因素。對于近岸LNG儲存終端，港口碼頭能夠為靠泊和卸料提供良好的作業(yè)環(huán)境。LNG運(yùn)輸船采用傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)，通過剛性卸料臂與船體中部卸料管匯連接完成卸料，這種并靠卸料方式適用于較好的海況條件，通常有效波高Hs不大于1 m。對于離岸LNG儲存終端，建立作業(yè)保護(hù)區(qū)變得越來越困難，傳統(tǒng)的并靠作業(yè)方式無法完成靠泊和卸料。同時，為保證離岸LNG儲存終端的經(jīng)濟(jì)性和可用性，通常需要增大LNG儲存能力或降低LNG外輸速率，這2種解決方案將增加LNG卸料傳輸作業(yè)時間、增加投資成本、降低經(jīng)濟(jì)效益[1-2]?，F(xiàn)有研究表明，使用帶固定運(yùn)動單點的硬臂、線導(dǎo)或管線連接的卸料系統(tǒng)可使有效波高對旁靠卸料操作的限制擴(kuò)大至3～4 m。原油運(yùn)輸工業(yè)已經(jīng)通過使用不可解脫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒以解決在惡劣海況下的原油卸載問題。這種輸送系統(tǒng)體現(xiàn)了高適應(yīng)性。利用該系統(tǒng)，基于可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒的LNG輸送系統(tǒng)，可使有效波高對卸料的限制擴(kuò)大至5～6 m。

1 LNG水下低溫輸送系統(tǒng)概念

圖1為LNG水下輸送系統(tǒng)，是所研究的用于惡劣海域淺海環(huán)境的LNG運(yùn)輸船(Liquefied Natural Gas Carrier，LNGC)卸料和裝載概念設(shè)計。盡管浮式儲存再氣化裝置(Floating Storage and Regasification Unit，F(xiàn)SRU)在概念設(shè)計中常作為LNG接收端，該LNG水下輸送系統(tǒng)也可用于其他LNG接收端和外輸端的設(shè)計。LNG水下輸送系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表1所示。LNG輸送通過使用改造的LNGC、可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒、動態(tài)柔性低溫立管和2條海底低溫管線完成。可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒為LNGC輸送工況提供系泊，同時為普遍海況下LNGC操作提供風(fēng)向標(biāo)。

圖1 LNG水下低溫輸送系統(tǒng)

表1 LNG水下低溫輸送系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2 系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LNG運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于LNGC與可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒有界面，因此需要進(jìn)行改造，改造部分如圖2所示。與系泊浮筒形狀互補(bǔ)的錐形容器或浮艙放置在船體內(nèi)外艙之間，在LNGC底部形成月池或開口。錐形浮艙用于保證系泊浮筒與LNGC連接時處于恰當(dāng)位置。浮艙頂部安裝艙口以防止在航行過程中海浪對LNGC的沖擊。錐形浮艙直接置于浮艙上方，從內(nèi)船艙頂部延伸至LNGC甲板，維持LNGC與系泊浮筒的連接。布置在設(shè)備艙上方甲板的牽引絞車為將浮筒拉進(jìn)浮艙提供動力。浮艙內(nèi)的設(shè)備包括用于減小連接載荷的垂蕩補(bǔ)償器和用于卸料過程中保持浮筒位置的千斤頂。由于LNGC允許風(fēng)向標(biāo)、滑環(huán)堆場位于設(shè)備艙，因此流體必須從LNGC流過系泊浮筒。該設(shè)計由單根LNG滑環(huán)組成，由已有的Chiksan恒定動滑環(huán)接頭延伸出來。LNG滑環(huán)對流體采用液壓動力的面密封。滑環(huán)有泄漏檢測端口，安裝在主密封與輔助密封之間，以保證主密封的嚴(yán)密性。若沒有這個裝置，將無法檢測主密封泄漏，這是由于輔助密封會有氣體或液體泄漏。需要說明的是滑環(huán)連接處在使用時，泄漏的風(fēng)險極低。當(dāng)密封裝置和密封面在安裝中被損壞時，泄漏易在初始檢測時發(fā)生。研究表明LNGC水下可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒在連接時需要1個標(biāo)準(zhǔn)等級為2的動力定位系統(tǒng)，包括船首推進(jìn)器、可控螺距螺旋槳、高性能船舵以提高LNGC的操控性。同時還需要改進(jìn)控制冗余的位置控制系統(tǒng)、風(fēng)傳感器、陀螺羅經(jīng)和垂直參考傳感器、聲信標(biāo)和水聽器、1個廣闊區(qū)域內(nèi)水下定位和導(dǎo)航系統(tǒng)。改造將允許LNGC安全地連接至可撤離低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒。對現(xiàn)有LNGC貨油泵和管線進(jìn)行小改造以適應(yīng)用水下LNG傳輸系統(tǒng)進(jìn)行卸料。經(jīng)系統(tǒng)水力計算，在設(shè)計裝載工況下貨油泵流量為14 000 m3/h，此數(shù)值大于標(biāo)準(zhǔn)LNG貨油泵排量。因此，若需要大揚(yáng)程還需要增加貨油泵級數(shù)并使用更大的電機(jī)。此外，由于傳統(tǒng)的LNGC在船中央有卸料管匯，至設(shè)備艙的卸料管線需要設(shè)置在船首浮筒處。

圖2 LNGC結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.2 可分離式式浮力轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)

可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒的主要功能是保證LNGC具有隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動的能力，同時為動態(tài)柔性低溫立管提供支持。圖3展示了非連接狀態(tài)下的可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒、系泊纜繩和動態(tài)柔性低溫立管?？煞蛛x式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒是1個有浮力的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其與LNGC不相連時位于海面下，以防與其他物體碰撞。為便于連接時取回浮筒，1個與引入管線相連的先驅(qū)浮筒浮在水面上?？煞蛛x式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒有浮力錐體和綜合轉(zhuǎn)塔2個主要組成部分，具體外觀如圖4所示。浮力錐體外表面焊接鋼結(jié)構(gòu)，為可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒提供浮力以保證輸送暢通，消除立管對船艙的作用力。浮力錐體由幾個獨立的水封艙體組成，從而降低錐體被破壞帶來的風(fēng)險。外殼的設(shè)計需承受一定的靜水壓力和連接及解脫時可能產(chǎn)生的擠壓載荷，為此外殼設(shè)置并排的橡膠防撞墊。當(dāng)可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒處于連接狀態(tài)時，浮力錐體固定在LNGC中。浮力錐體上方的嵌壁式圓環(huán)用于鎖定千斤頂，作為固定浮筒軸向位置的主要方式，浮筒內(nèi)壁與轉(zhuǎn)塔軸線配合，維持浮筒軸向位置。浮力錐體上安裝蓋子，在解脫狀態(tài)下保護(hù)浮筒內(nèi)部構(gòu)件。系泊浮筒的轉(zhuǎn)塔與地球旋轉(zhuǎn)同步，由上部轉(zhuǎn)塔軸和下部圓柱形浮艙組成，浮艙延伸至系泊管線接口處。圓柱形浮艙為系泊浮筒提供額外的浮力，分為幾個獨立的水封艙以降低浮力減小的風(fēng)險。轉(zhuǎn)塔有3個主軸承：上層和下層半徑軸承，以及用于提供垂向載荷的軸向軸承。軸承能夠?qū)⑤d荷從轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)移至浮力錐體，使LNGC隨風(fēng)向移動，且不受有效波高8 m的限制。整個轉(zhuǎn)塔與動態(tài)柔性低溫立管終端相連。連接終端內(nèi)部有低溫流管管道集中在轉(zhuǎn)塔上部。低溫管匯的設(shè)計應(yīng)與LNG卸料管線和接頭匹配，使LNG從LNGC的卸料管匯流至低溫立管處?？煞蛛x式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒的系泊系統(tǒng)設(shè)計須降低LNGC連接時的損壞和運(yùn)動頻率，減少LNGC解脫時浮筒受海浪作用的傾斜運(yùn)動。通過運(yùn)動減弱使立管處于可允許彎曲半徑和張力限制之內(nèi)。系泊系統(tǒng)分析基于連接狀態(tài)下有效波高為8 m的限制及非連接狀態(tài)下考慮百年一遇的環(huán)境條件。所有系泊纜在危險環(huán)境下的安全因素應(yīng)滿足美國石油協(xié)會(API)對最小安全因素的要求。系泊系統(tǒng)利用由有擋錨鏈和有保護(hù)套的螺旋繩索組成的系泊纜。系泊纜被分組并間隔90°擺放以確保有足夠的空間布置立管和臍帶纜，使安裝水下設(shè)備時不會發(fā)生碰撞且能適應(yīng)管線路由。每根系泊纜由吸力樁固定。每根系泊纜的第一部分由有保護(hù)套的螺旋繩索構(gòu)成，這部分重量輕，允許導(dǎo)纜器與水平方向有一個小傾角，使連接和解脫狀態(tài)下水平方向恢復(fù)力較大，連接狀態(tài)下靜態(tài)牽引載荷相對低。系泊纜的組成還有有擋錨鏈，作為重偏移限制器和電纜的界面。一部分恢復(fù)力作用于降落區(qū)附近的重偏移限制器。重偏移限制器由有擋載荷軸承鏈組成，連接多種長度的錨鏈。最后一部分是有保護(hù)套的螺旋繩索，其重量輕且有彈力，可減少錨的上升。對系泊浮筒的瞬態(tài)連接進(jìn)行分析以確保牽拉載荷和接觸力在操作過程中滿足設(shè)計基本需求。同時進(jìn)行解脫分析以驗證LNGC船艙與系泊浮筒在解脫時不會發(fā)生接觸。分析結(jié)果表明連接和解脫操作在技術(shù)上可行。

圖3 典型LNG海底低溫管道輸送系統(tǒng)

圖4 可分離式式浮力轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)

2.3 動態(tài)柔性低溫立管

動態(tài)柔性低溫立管的概念設(shè)計基于已有柔性低溫軟管，這種軟管的初始設(shè)計是為了懸掛于空氣中。動態(tài)柔性低溫立管的核心組成是2個同心波紋管，該管由復(fù)合材料構(gòu)成且位于管內(nèi)壁。波紋管之間的環(huán)空保持負(fù)壓，以防止熱量進(jìn)入LNG。聚合材料層置于波紋管外部，以防止腐蝕并保護(hù)立管。2個防傷螺旋鋼鎧甲層位于聚合層外，為立管提供必要的拉伸能力。在鋼鎧甲層之間有聚合材料層以防磨損。最外層是聚合材料層，布置在鋼鎧甲層外以防腐蝕和磨損[3-4]。動態(tài)柔性低溫立管用于連接可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒和海管終端管匯。每組中相鄰的立管間有足夠的空間以防發(fā)生碰撞。大波浪結(jié)構(gòu)低溫立管如圖5所示。為滿足這種形狀要求，外部聚合層需承受離散的重力和浮力。為減輕在固定連接點處的急劇過度，立管兩端都需要進(jìn)行彎曲加強(qiáng)設(shè)計[5-6]。為保證設(shè)計時拉伸能力和最小彎曲半徑不超過限值，對動態(tài)柔性低溫立管開展總體運(yùn)動分析，分析不采用環(huán)境定向性。因此，共線風(fēng)浪流和連接狀態(tài)被用來評估環(huán)境極值和設(shè)計裕量?；谏鲜龇治?，動態(tài)柔性低溫立管的大波浪形狀能夠滿足極限。此外，需要對動態(tài)柔性低溫立管進(jìn)行疲勞壽命分析以保證立管可達(dá)25 a的目標(biāo)壽命。在計算中使用一個疲勞壽命的安全影響因素。對連接和解脫兩個狀態(tài)都須進(jìn)行疲勞壽命估算。通過接收端的卸載剖面，例如預(yù)測浮筒連接和斷開狀態(tài)的時間，從計算結(jié)果中可以估算出立管工作疲勞壽命。分析表明，疲勞分析與總體運(yùn)動分析相同，環(huán)境定向性沒有優(yōu)勢，因此，在連接狀態(tài)下需對0°彎曲和30°彎曲的疲勞壽命進(jìn)行估算并考慮最惡劣工況。例如軟管即使不長期處于30°彎曲，其疲勞損壞仍不會減少。

圖5 LNG海底低溫立管(雙層管壁結(jié)構(gòu))

2.4 水下低溫管道

水下低溫海管概念設(shè)計由2個同心管線組成，2根管線中間的環(huán)空布置絕緣層，以減少LNG熱量傳遞。圖6為典型的水下低溫海管橫截面，展示的是在焊接過程中海管原型[7-8]。需注意的是照片只是典型的截面圖，在LNG水下傳輸系統(tǒng)的概念設(shè)計中海管不包括最外層的碳鋼管。水下低溫海管設(shè)計關(guān)鍵部分是36鎳鋼內(nèi)管。這種材料性質(zhì)特殊，熱膨脹系數(shù)是不銹鋼的10倍。使用36鎳鋼可在海管敷設(shè)階段省去膨脹彎和膨脹環(huán)。另一個關(guān)鍵部分是布置在環(huán)空位置的納米多孔絕緣材料，這種材料維持在減壓環(huán)境中。不同于其他固體絕緣材料，多孔絕緣材料熱導(dǎo)率甚至比空氣還低。另外，這種納米多孔絕緣材料需承受機(jī)械擠壓，以作為內(nèi)管的扶正器。管道終端管匯用于連接2個水下海管頂端，利用同心管道原則建造。管道終端管匯(Pipe Line End Manifold，PLEM)是每組動態(tài)柔性低溫立管的集輸系統(tǒng)。PLEM上與立管連接處設(shè)置1個遠(yuǎn)程操控的低溫閥門，作隔離用。閥門裝有真空夾克以減小LNG熱量損失。PLEM堆放在海床上以適應(yīng)立管和海管應(yīng)力。使用2條低溫海管可以在斷開狀態(tài)下使LNG在管內(nèi)形成循環(huán)回路。這種再循環(huán)使整個系統(tǒng)組成在LNGC卸料過程中維持低溫。為便于再循環(huán)，動態(tài)柔性低溫立管被分為2組，每組與1個PLEM相連。

圖6 LNG海底低溫管道內(nèi)層管壁(36%Ni鋼管材)

2.5 控制系統(tǒng)及臍帶纜

對LNG水下傳輸系統(tǒng)而言，水下控制系統(tǒng)的應(yīng)用存在一系列的挑戰(zhàn)，包括關(guān)斷需求、儀表低溫操作可靠性和泄漏檢測需求。在概念設(shè)計時，為便于實現(xiàn)儀表和臍帶纜操作富余需求，采用全多路復(fù)用控制系統(tǒng)。所有控制都由LNG接收端監(jiān)測和執(zhí)行。從LNG接收端來的富余臍帶纜將被安裝，臍帶纜由液壓供給線、電力通信信號對組成[9-10]。臍帶纜的動態(tài)部分來自位于PLEM附近的臍帶纜終端配件。動態(tài)部分的另一端連接可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒或FSRU的轉(zhuǎn)塔。

LNGC以正常速度靠近LNG水下輸送系統(tǒng)直至距離可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒一定距離后，開始連接和準(zhǔn)備卸料。LNGC的主發(fā)動機(jī)將關(guān)閉，使航行速度降低，其動力分配給推進(jìn)器和支持系統(tǒng)。在傳輸過程中，聲音水診器伸入船體降至LNGC底部操作位置。LNGC以最低速度行進(jìn)直至達(dá)到動態(tài)定位參考系統(tǒng)范圍之內(nèi)。當(dāng)參考信號穩(wěn)定后，動態(tài)定位系統(tǒng)靠近LNGC并指引其達(dá)到最終連接位置。當(dāng)LNGC到達(dá)最終連接位置時，移走浮艙艙口，浮艙外的牽引繩索被拉至LNGC甲板上。信息浮筒從水中撈出，拉入繩索與牽引繩索相連。2根繩索均沉入水中，可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒被牽引繩索拉入LNGC的浮艙。一旦進(jìn)入浮艙，可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒將被多個鎖定卡子嵌入浮力錐體頂部環(huán)形空間，牽引絞車和LNGC動態(tài)定位系統(tǒng)隨即脫離。上鎖過程需要浮艙與浮筒間是水密封的，設(shè)備和浮艙可泵送干燥。一旦干燥，浮筒蓋將被移除，位于設(shè)備艙的LNG卸料管線將與浮筒上的低溫管匯相連，開始輸送LNG。

在LNG輸送完成后，進(jìn)行LNG卸料管線惰化并與浮筒斷開連接，重新蓋上浮筒蓋，設(shè)備和浮艙處于受控狀態(tài)。在解除鎖定夾克之前開啟LNGC動態(tài)定位系統(tǒng)。若鎖定夾克被解除，系泊系統(tǒng)的張力迅速將可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒從浮艙拉出并遠(yuǎn)離LNGC。浮艙艙口重新關(guān)閉，LNGC在動力定位系統(tǒng)控制下離開。當(dāng)LNGC位于動力定位系統(tǒng)以外時，聲音水診器伸回且LNGC以正常速度駛離。

3 結(jié) 論

針對相對嚴(yán)酷淺水環(huán)境研究LNG卸料系統(tǒng)概念設(shè)計，重點介紹如下組成：可分離式低溫轉(zhuǎn)塔系泊浮筒、動態(tài)柔性低溫立管、水下低溫海管、低溫滑環(huán)、水下低溫閥門和所有相關(guān)船體改造?；诟拍钤O(shè)計階段的分析結(jié)果，水下LNG傳輸系統(tǒng)技術(shù)可行，且經(jīng)濟(jì)性較好。