图1 单配重块卸料臂
杨 亮1，刘淼儿1，刘 云2，许佳伟1
（1. 中海石油气电集团技术研发中心，北京 100028；2. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）
摘要：海上液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）的输送需要采用特殊设计的卸料系统，以满足低温和晃动工况的严苛要求。介绍2类卸料系统，重点剖析低温软管的结构和参数，揭示低温软管在柔韧性、耐腐蚀性和隔热性等方面的综合优势。研究结果表明：并靠卸料系统适于在海况较好的近海进行LNG 输送，而串靠卸料系统更适用于在海况相对恶劣的深海的LNG 输送；低温软管在海上LNG 输送领域具有良好的应用前景。
关键词：液化天然气；卸料臂；低温软管；并靠卸料；串靠卸料
海洋中蕴藏有丰富的天然气资源。对于常规的海上天然气开发，需完成的配套工程包括海上平台建设、海底天然气输送管道铺设、岸上天然气处理工厂建设及公路和港口等基础设施建设，投资多、风险高、周期长。目前得到开发的天然气田一般是近海的天然气田。20世纪90年代以来，海洋边际气田开发日益受到重视，海洋工程技术的不断进步使得边际气田开发成为可能。浮式液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）生产储卸装置（LNG Floating Production Storage and offloading Unit，FLNG）是边际气田开发的有效工具，可看作是一座浮动的LNG生产接收终端，直接系泊于气田上方进行作业，无须在前期进行海底输气管道铺设、LNG工厂和码头建设，可使LNG的生产、储存和卸料功能一体化，简化气田的开发过程，降低开发成本。FLNG已被证明是进行LNG开发较为有效、经济的工具，便于迁移，可重复使用[1]。
在海上天然气开发过程中，当FLNG舱内的LNG储量达到一定程度时，需进行LNG 卸料，以便为后续天然气的开发提供充足的存储空间。LNG卸料是 FLNG的重点和难点技术之一。为避免铺设海底管道带来技术难题及巨大的成本，将LNG从FLNG卸料至LNG船，再由LNG船运送至陆上或离岸终端。由于FLNG和LNG船均漂浮于水上，在风、浪、流的作用下不断晃动，两者之间的相对运动对卸料的影响很大。海上LNG的输送需依靠特殊设计的卸料系统进行，以满足低温和晃动工况的严苛要求，实现LNG在海洋环境下的安全、高效传输。
海上LNG卸料系统主要有并靠卸料和串靠卸料2种形式。
1) 当并靠卸料时，FLNG与 LNG船并行布置且距离较近，两者之间将产生水动力干扰，进而影响水动力响应特性。并靠卸料系统设计应综合考虑水动力干扰的影响，避免两船体发生碰撞[2]。刚性输送臂卸料系统具有结构简单、投资少、便于LNG 输送与控制等优点，但船体的相对运动可能导致输送臂连接处发生泄漏，存在火灾、爆炸等风险。随着 LNG低温软管的成功研发，许多概念设计提出采用低温软管进行并靠卸料，以降低船体的相对运动对卸料安全性的影响。并靠卸料系统适用于允许最大有义波高≤2.5m的相对温和海况。
2) 当串靠卸料时，FLNG与LNG船前后布置，两者之间的距离较大。两船体艏艉之间的相对运动是影响串靠卸料系统性能的主要因素之一。采用艏艉相接的串联系泊方式，配置能跨越 50～100m距离的刚性管线及输送臂，并采用动态定位技术将船体之间的距离控制在允许的工作范围之内，能在较为恶劣的海况条件下进行卸料作业，允许最大有义波高达4.5m，但传输距离远、输送管线长、投资多，在技术上存在一定的风险。
LNG 低温软管用于长距离输送的安全性和可靠性尚待确定，串靠软管卸料方案目前还停留在概念设计的可行性讨论与测试阶段，尚未得到商业化应用[3]。
LNG卸料臂是接收终端连接LNG船与陆上管线的重要设施，产品技术相对成熟，供货商主要为法国FMC、德国SVT和日本NIIGATA等欧日厂家。LNG卸料臂系统由陆上输油臂系统发展而来，根据配重块的不同，可分为单配重块卸料臂和双配重块卸料臂2种（见图1和图2）。与输油臂相比，LNG卸料臂设计、制造和检验的难点主要在材料深冷处理、旋转接头设计及低温动态试验、紧急脱离装置设计及可靠性和快速连接接头可靠性等方面。LNG卸料臂在作业过程中，通过牵引线来引导卸料臂的端部与LNG船接收端互连，以保证在相对运动情况下能准确对接；操控卸料臂的液压系统，使其能承受船体运动带来的速度和加速度影响。
图1 单配重块卸料臂
图2 双配重块卸料臂
近年来，随着LNG船的大型化发展，Q-max级LNG船的单船容量已达26.7万m3，LNG卸料设备也在向大型化和能力兼容化方向发展。例如海南LNG 项目，除了要求LNG卸料臂能满足Q-max 级船型的正常卸料要求以外，还要求具备为3万m3小型LNG 船进行返输操作的能力。早期投产的大鹏LNG和福建LNG项目配备4套或5套（4用1备）16in（1in=2.54cm，下同）的LNG卸料臂，其中1套作为蒸发气（Boil Off Gas, BOG）返回臂使用。随着LNG接收站的大型化发展及Q-max 级LNG 船的出现，考虑到流量、压降及能耗等方面的因素，海南LNG、珠海LNG等项目在选型时均采用20in的LNG卸料臂的方案。表1为国内部分LNG接收站卸料臂尺寸参数。由表1可知，从早期建设的福建LNG和上海LNG等项目，到后期投入运营的深圳LNG和天津LNG等项目，卸料臂的尺寸呈逐渐增加的趋势。
表1 国内部分LNG接收站卸料臂尺寸参数
图3为TECHNIP公司开发的柔性臂（Flexible Arm，FlexArm）并靠软管卸料系统，该系统同时结合刚性臂和柔性管的技术特点，可提升 LNG传输系统的灵活性。该系统采用软管悬吊技术，通过柔性管的悬垂晃动来适应浮体之间的相对运动，允许的操作包络线相比刚性臂卸料系统范围更大。FlexArm卸料系统配备完整的快速连接装置（Quick Connect/Disconnect Coupling，QC/DC）、紧急释放系统（Emergency Release System，ERS）和集成控制设备，其连接系统位于软管端部，通过QC/DC实现软管与船体柔性接头的安全和动态连接，一旦出现LNG泄漏等紧急情况，ERS可快速断开软管与船体的连接，切断LNG输送；同时，并具备自密封功能，保障LNG传输过程中的安全。
图4为低温软管连接系统示意，主要结构包括导向和定位系统、QC/DC及ERS等。在导向钢丝牵引软管定位之后，QC/DC通过夹抓快速与接收端法兰互连；ERS通常采用双油缸驱动结构，一只液压缸关闭低温球阀，另一只打开紧急脱离。关阀机构采用齿轮、齿条结构，避免上下球阀关闭不同步的风险，且两节式推杆设计可确保关阀之后安全可靠地分离。
图3 FlexArm并靠软管卸料系统
图4 低温软管连接系统示意
图5为GUTTELING & B.V并靠软管卸料系统。该卸料系统采用GUTTELING公司开发的已通过一系列试验验证的8in低温复合软管，软管制造与测试参照的规范为EN 1474-2[4]。主要测试工作由荷兰应用科学研究机构（Netherlands Organization for Applied Scientific Research，TNO）完成，产品已获得DNV认证，目前已投入商业化应用。2007 年2 月，EXCELERATE和EXMAR公司采用GUTTELING软管，成功地完成海上LNG 的输送作业。GUTTELING公司在产品开发过程中指出，EN1474-2中的资格认证过程还需补充其他测试内容，如低温复合软管的疲劳和蠕变特性测试应纳入性能评价范围[5]。
图6为GUTTELING低温软管结构，由内到外依次为：螺旋形内金属圈、内衬套、复合骨架、复合编织网、外螺旋金属圈。由于最内层和最外层都是螺旋形金属圈，当软管破损失效时，应力的变化将导致软管变形，便于及时发现并切断LNG的输送。GUTTELING软管最大工作压力为1.4MPa，爆破压力为7MPa，工作温度范围为-196 ～ 50℃，可采用多种标准的法兰、螺纹接头及快速接头等连接方式。
图5 GUTTELING & B.V并靠卸料软管系统
图6 GUTTELING低温软管结构
图7为FMC公司开发的串靠刚性臂卸料系统，采用自动伸缩管以适应船体之间的相对运动，通过滑环和钢结构调整方向自由度。图8为FMC按1:5比例尺制作的试验装置，安装有计算机控制台，用于模拟双船的相对运动[6]。该卸料系统已成功应用于SHELL公司的Bruni LNG设施中，已连续运行多年。尽管FMC卸料系统是安装在码头上的而不是安装在浮体上，但同样具备从码头向浮体卸料的能力。
图7 FMC串靠刚性臂卸料系统
图8 FMC串靠刚性臂试验装置
刚性串靠卸料系统的系泊方式主要分为缆绳系泊、普通刚性臂系泊和双刚性臂系泊等3种。最初的系泊方式是采用尼龙系泊缆绳串联双船，主要适用于温和海域。软钢臂系泊方案的出现有效降低了船体之间的运动幅度，而采用双软钢臂的设计能将船体之间的运动幅度限制在最小范围内。双软钢臂系泊方案可分为固定悬臂式方案和转动悬臂式方案2种（见图9和图10）。固定悬臂式方案中的伸缩臂悬架是固定的，操作范围比较受限；经过优化设计之后的转动悬臂式方案，悬臂架可自由转动，具有更好的灵活性[7]。
图9 固定悬臂式系泊方案
图10 转动悬臂式系泊方案
目前串靠软管卸料系统尚未实现商业化应用，TOTAL、TECHNIP及OCL等公司分别提出概念设计方案并开展一系列测试工作。图11为TOTAL开发的海上LNG卸料系统，采用TRELLEBORG公司研发的低温软管[8-9]。该软管内径为20in，LNG的流速范围为10000～12000m3/h，管径较大有利于减小管内流动阻力，减少能耗，降低BOG的产生。
图12为TRELLEBORG低温软管结构示意，管体主要包含5部分，各层结构及功能见表2。该软管最大工作压力为 1.5MPa，设计温度范围为-196～40℃，最小弯曲半径为 3m（软管内径 20in）。每条软管由12m的软管段单元组成，按照EN1474-2规范完成一系列性能测试，满足LNG串靠卸料的安全性要求[10]。
图11 TOTAL海上LNG卸料系统
图12 TRELLEBORG低温软管结构示意
表2 TRELLEBORG低温软管结构参数
图13为TECHNIP低温软管卸料系统。方案的一个特点是采用转盘储存系统设计，该卸料系统配备内径为16in的低温软管，储存卷盘半径为16m，绕盘一周能存放100m左右的软管。软管和艏部的接头位置连接之后夹持固定，艏部能绕软管悬挂线平面以一定的角度转动。软管悬挂的长度可通过卷轴调节。垂直滑环节点可使两浮体在旋转的同时保持软管悬挂线垂直，只有当浮体受到剧烈的横摇或纵摇时，软管才会承受弯矩和扭转力。
图13 TECHNIP低温软管卸料系统
除了开发卸料系统以外，TECHNIP公司还开发出2种型式的低温柔性软管，分别为悬挂型LNG软管和漂浮型LNG软管，其结构示意分别见图14和图15，软管的各层结构及功能见表3。2种型式的低温软管内径尺寸为16in，最大许用工作压力为1.8MPa，LNG传输设计流速为7m/s，设计使用寿命为10a[11]。
图14 悬挂型LNG软管
图15 漂浮型LNG软管
表3 TECHNIP低温软管的各层结构及功能
图16为OCL公司开发的低温软管卸料系统。该系统包含一个由FLNG艉部延伸至LNG艏部的可伸缩式框架起重机，起重机的顶端悬挂不锈钢波纹柔性管，软管与起重机的底部采用旋转接头互连，而穿梭LNG船上的接头用弯曲加强筋固定。FLNG和LNG船通过“吊索”系泊设备连在一起，两船体之间的距离约为65m。在卸料过程中，LNG船受到固定的艉侧推力，以确保卸料系统的稳定性[12]。
不锈钢波纹柔性管是整个卸料系统重要的组成部分，其结构见图17。该软管采用双层薄壁不锈钢波纹管结构，且在2层波纹管之间设有真空热绝缘层[13]。考虑到材料在低温条件下的高强度和高韧性要求，波纹管材料选用ASTM 316L，在室温和LNG工作温度下均具有很好的抗疲劳性和耐腐蚀性，同时具有足够的延展性和断裂韧性，且波纹易加工成型。
图16 OCL低温软管卸料系统
图17 OCL卸料系统用不锈钢波纹柔性管
FLNG是边际气田开发较为有效和经济的工具， LNG卸料是FLNG的重点和难点技术之一，海上LNG的卸料系统设计应满足低温和晃动工况的严苛要求。随着 LNG低温软管的成功研发，许多概念设计提出采用低温软管卸料降低船体的相对运动对卸料安全性的影响，国外低温软管制造厂商已开展一系列性能测试工作，结果表明低温软管的综合性能优势明显，因采用多层复合结构而使其在相同拉伸刚度条件下具有很低的弯曲刚度。因此，在相同的压力承载能力条件下，低温软管可有更小的弯曲半径，同时增强了其承受因海流、涡激振动、浮船运动和安装导致的载荷而产生变形的能力。采用低温软管输送 LNG能满足安全技术要求且适用于多种操作条件。
此外，随着全球海上LNG贸易的蓬勃发展及政府对LNG产业的大力支持，船舶“油改气”产业将得到迅猛发展，陆用、水用LNG转运及加注装备需求量巨大，这些都会对低温软管技术的推广使用起到促进作用，低温软管在LNG 输送领域具有良好的应用前景。
【 参 考 文 献 】
[1] 王春节，魏林瑞，张磊. 浮式液化天然气液化工艺综述[J]. 化学工业，2010, 28 (2-3): 27-29.
[2] 谢敏，唐永生，邹涛，等. 液化天然气海上转运系统研究及开发[J]. 船舶与海洋工程，2015, 31 (6): 13-19.
[3] 徐岸南，宋丽君，钱强. 低温软管在海上 LNG 输送领域的应用研究[J]. 船舶与海洋工程，2015, 31 (1): 41-44.
[4] EN. Installation and equipment for liquefied natural gas-design and testing of marine transfer systems-Part 2: Design and testing of transfer hoses: EN1474-2[S]. 2008.
[5] VAN DEN B B, VAN B E, VAN DER W. Qualification of LNG STS transfer flexibles according to guideline EN1474[C]//Proceeding of Offshore Technology Conference, 2009. DOI: 10.4043/20063-MS.
[6] TAN Z, QUIGGIN P, SHELDRAKE T. Time domain simulation of the 3D bending hysteresis behavior of an unbonded flexible riser[J]. Journal of Offshore Mechanics & Arctic Engineering, 2009, 131 (3): 307-314.
[7] KANE L, ROMANOW S. New flexible cryogenic hose for LNG transfer[J]. Hydrocarbon Processing, 2004, 83 (7): 27.
[8] HAMADA M, TSUDA T. On design formulas of U-shaped bellows[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 1997, 119 (1):127-131.
[9] SMITH R, BRIEN P, SULLIVAN T. Fatigue analysis of unbonded flexible risers with irregular seas and hysteresis[C]//Proceeding of Offshore Technology Conference. Houston, Society of Petroleum Engineers, 2007. DOI: 10.4043/18905-MS.
[10] ALFANOA G, BAHTUIA A, BAHAI H. Numerical derivation of constitutive models for unbonded flexible risers[J].International Journal of Mechanical Sciences, 2016 (4): 295-304.
[11] PHILLIP J C. Preparing the Way for Future Offshore LNG Marine Terminals[C]//Proceeding of Offshore Technology Conference. Houston, Society of Petroleum Engineers, 2008. DOI: 10.4043/19267-MS.
[12] EIDE J, EIDE S, SAMUELSEN A. A new solution for tandem offloading of LNG[C]//Proceeding of Offshore Technology Conference. Houston, Society of Petroleum Engineers, 2002. DOI: 10.4043/14096-MS.
[13] FROHNE C, HARTEN F, SCHIPPL K. Innovative pipe system for offshore LNG transfer[C]//Proceeding of Offshore Technology Conference. Houston, Society of Petroleum Engineers, 2008. DOI: 10.4043/19239-MS.
Progress of the Research on Unloading System for LNG Floating Production Storage and Offloading Unit
YANG Liang1，LIU Miao-er1，LIU Yun2，XU Jia-wei1
（1. Research and Development Center, CNOOC Gas & Power Group Co., Ltd., Beijing 100028, China；2. CNOOC Research Institute Co., Ltd., Beijing 100028, China）
Abstract:Liquefied Natural Gas (LNG) floating production storage and offloading unit is an effective facility in the development of marginal gas field, where specially designed unloading systems are especially essential for offshore LNG transportation to meet the strict regulations regarding low temperature and sway conditions. Two types of unloading systems are introduced with emphasis on the structure and parameters of cryogenic flexible hose, which demonstrates the comprehensive advantages in terms of flexibility, corrosion resistance, thermal insulation and etc. It comes into the conclusion that side-by-side unloading system is suitable for offshore LNG transportation in the calm sea, while the tandem unloading system is more suitable for deep-sea LNG transportation in the rough sea. It also indicates that the cryogenic flexible hose has a cheerful prospect in the field of offshore LNG transportation.
Key words:LNG; unloading arm; cryogenic flexible hose; side-by-side offloading; tandem offloading
中图分类号：TE832
文献标志码：A
文章编号：2095-4069 (2018) 03-0008-07
DOI：10.14056/j.cnki.naoe.2018.03.002
收稿日期：2018-01-30
作者简介：杨亮，男，博士，1985年生。2014年毕业于中国石油大学（北京）动力工程及工程热物理专业，现从事 LNG设备产品设计与研发工作。