1、1LNG 海底低温管道技术的探索摘 要：随着 LNG 事业的不断发展，LNG 接收站不断增加，新建的LNG 接收站受地理位置、工程造价等因素的影响越来越大，选址也愈加困难。针对这种情况，国内外研究机构及工程公司做了大量的工作，LNG 海底低温管道技术应运而生。在充分的了解与学习后，本文对新兴 LNG 海底低温管道卸货程式与目前常使用的 LNG 栈桥管道卸货程式从投资与技术可行性两个角度进行了对比，认为海底 LNG 低温管道系统优于栈桥管道系统，同时也对新兴的 LNG 海底低温管道系统的结构组成、关键技术、管道材料、保冷材料、特殊结构、检测系统等方面展开了全面深入的分析，对海底低温管道技术目前的
2、技术水平及应用情况进行了调研，在调研的基础上对 LNG 海底低温管道技术、LNG 接收站选址以及工程造价带来的良好帮助进行了充分的肯定。 关键词：液化天然气 栈桥 海底低温管道 9%镍钢 低温材料 目前我国天然气正处在快速发展期，在国内需求旺盛、价格逐步理顺等因素影响下，天然气产量将较快增长。2013 年我国天然气产量达到1150 亿立方左右米，增长约 8%，预计 20132015 年均增长约20%，2015 年达到约 1650 亿立方米。同时由于消费量增长迅速，对外依存度将进一步加大，预计将由 2012 年的 26.2%上升到 2015 年的 34%左右。 伴随着对外依存度的进一步加大，需要
3、加大 LNG 进口量以满足国内2的旺盛需求，随之而来的是越来越多的液化天然气（LNG）接收站不断的在我国沿海地矗立起来。目前 LNG 运输系统具有如下约束： 1.运输船体积大多在 8 万 M327 万 M3 之间，这都属于超大船行列，船的灵活性不足，会给本就繁忙的沿海航道和泊位带来较大的负荷； 2.LNG 运输船船体大，排水量大，泊位要求的水深较高，但是国内的部分近海地区地理位置较为特殊，较难满足其需求，所以就需要花费非常昂贵的挖掘费用开发新的航道和泊位； 3.LNG 特性是温度较低且气液体积比很大，一旦出现装卸过程中的温度过高或者发生泄漏，对装卸设备或者附近的人员会造成极高的风险； 由于这些
4、存在的缺点难以避免，通过工程实践，国内外一致认为应当将 LNG 码头设置到距离海岸一定距离的海上，海上码头和陆上储存设施之间设置一个传输结构以保证 LNG 能顺利的输送到岸上。这种传输结构现在有两种形式：一种是修建栈桥，以栈桥结构支撑 LNG 低温管道，以连接海上码头和陆上储存设施；另外一种就是以海底低温管道的形式连接海上平台和陆上存储设施。 一、栈桥管道系统与海底低温管道系统经济性分析 1.栈桥管道系统 1.1 基本构成 目前国内外的 LNG 接收站基本都是以栈桥管道结构连接海上卸货码头和陆上 LNG 储存设施。栈桥是 LNG 卸料总管、气化天然气（BOG）管道、LNG 循环保冷管线以及公共
5、事业管道的支撑结构，其长度和位置决定于海上码头的最终位置。对码头和栈桥进行设计设计时要考虑如下因素： 3码头设计时要考虑到 LNG 运输船的操作空间、潮流、波浪、水深的定位以及影响到视点安全位置的盛行风等 码头的最终位置和栈桥的布局要满足管道可能发生破裂或者泄露时引起的蒸气云的安全距离 栈桥要有足够的宽度能够满足车辆行人进入卸货码头 1.2 栈桥管道系统经济性分析 影响栈桥结构造价的因素包括：栈桥的长度、水深、土壤条件、管道系统的数量和尺寸、车辆和步行进入的需求、环境条件（波浪和潮汐等） 、设施所用的材料、建造和安装的方法、安全需求等。 在保证施工质量与自然条件和规范强行规定的安全需求无法改变
6、的条件下，影响栈桥管道系统总价格的关键条件就是栈桥管道系统的长度。由于 LNG 属于超低温介质流体，在管道中流动时会使得管道材料冷缩，并且有介质流动时管道会产生热运动，给管道各个方向施加应力，应力大时会导致管道变形甚至发生破裂，所以管道设计时必须设置能够解决材料冷缩和因热运动而产生各种应力的结构，例如膨胀弯等。膨胀弯的设置会增加管道大约 20%的总长度。 目前 LNG 栈桥的长度处在一百多米到 10 公里之间，造价大约在 1500万美元/公里到 5400 万美元/公里之间，且这些费用不包括栈桥的维护费和管道本身的费用。 2. 海底低温管道系统 2.1 基本构成 海底低温管道系统是将 LNG 卸
7、料总管、BOG 管线、LNG 循环保冷管线4以及公共事业管线集合成一个整体，然后将整个整体埋入海底。通过国内外研发机构进行的大量实验及现有的海底低温管道工程实例的验证，LNG 海底低温管道的有效输送距离能够达到 20 公里。其基本构成如图一所示。 图一 海底低温管道卸货平台 2.2 海底低温管道系统经济性分析 影响海底低温管道整体工程造价的主要的因素有：管道的长度、管壁的厚度和直径、防腐需求、安装需求、结构使用的主要材料、制造，建设和安装的方法、 安全需求等。 海底低温系统的主要费用为两大块，一个是管道本身造价，另外一个是施工费用。按照目前技术水平测算，海底低温管道系统总体造价大约在 1300
8、 万美元/公里到 1600 万美元/公里之间。由此可以看出，从工程造价的角度上来看，海底 LNG 低温管道系统优于栈桥管道系统。 二、典型技术工艺 1.栈桥管道系统管道结构 在 LNG 常规项目中一般采用“双层聚异氰脲酸酯（PIR）+不锈钢管”的 LNG 输送管路。管道主体采用 304L 不锈钢，管道保冷结构由内至外分别为保冷层、防潮层、金属保护层，组成一个完整的保冷结构体系。低温保冷结构采用阻燃型 PIR 制品作为主绝热层，高阻燃改性 PIR 作为次绝热层及防火层，进口隔潮密封胶、PAP 聚酯铝箔、STI4100 为 PIR 粘接剂及主次防潮层，镀铝钢板为保护层并采用不锈钢带捆扎。栈桥管道技
9、术目前已经非常成熟，国内外接收站多用这项技术，在此不多做介绍。5其结构如图二所示。 图二 常规 LNG 陆上管道结构图 2. 海底低温管道系统管道结构 2.1 海底低温管道基本结构 目前海底管道水平较为成熟，海底低温管道技术属于前沿科技，在LNG 行业还没有得到应用，但是在 LPG 行业有应用记录。经研究，现有LNG 海底低温管道大多采用多层管壁技术，其中以双层管壁和三层管壁两种结构最为普遍。本文主要对双层结构进行阐述，双层结构图如图三所示： 图三 LNG 海底低温管道的双层管壁结构方案 LNG 海底低温管道中的内层管壁需要直接接触低温的 LNG 液流，过低的温度使得管道轴向会产生较大的收缩，
10、并且在海底不便于设置膨胀弯等吸收轴向应力的结构，因此内层管壁都是采用具有较低热膨胀系数材料并且设置能够应用于海底管道的吸收管道轴向应力的结构。对于双层管壁结构方案，其外层管壁主要用于抵抗外部冲击，能够对保冷材料提供最好的保护，并且还能有效的吸收内层管壁因热运动而产生的应力。在内层管壁与外层管壁之间的环形空间安装保冷层，用以对管道内的 LNG保冷。通常在管道的最外层还设置有混凝土配重层，一方面可以用于缓冲和抵抗外部冲击；另一方面也可用于对管道本身进行配重，如果管道本身的重量满足工程需求则不需要设置。 2.2 关键技术 2.2.1 吸收轴向应力结构 海底管道最大的技术难点就是如何解决管道的轴向收缩
11、问题，若果6管道的轴向收缩量过大，则会在管道的接头处产生很大的应力，对管道结构造成破坏。目前应对管道收缩问题有两种方法：其一是设置特殊的结构吸收管道的轴向应力，如膨胀节或者波纹管；第二是是采用具有较低热膨胀系数的合金管道材料。 设置特殊的结构吸收管道轴向应力是最常用的方法。由于 LNG 海底低温管道所处环境特殊，常规的结构并不适合海底低温管道。只能在管道连接处设置一种特殊的结构以解决管道收缩问题。结构如图四所示： 图四 海底低温管道应力吸收结装置结构图 该种结构使用线膨胀系数低的 9%镍钢或者 36%镍钢锻造而成，能够解决海底低温管道轴向收缩问题，而不需要增加管道的长度与施工的难度。 2.2.
12、2 管道材料 由于 LNG 的超低温，所以要求和 LNG 接触的材料要具有良好的低温韧性、抗腐蚀性能、焊接性能；由于管道在常温下安装，在低温下使用，材料的线膨胀系数应尽量小，另外还要兼顾材料的可获得性和经济性指标等因数。 现在国内常使用的 LNG 低温管道材料有铝合金、不锈钢和 9%镍钢。 铝合金：现在因为其线膨胀系数偏高且强度偏低，所以管道的热应力大、管壁厚，所以现在的 LNG 设施几乎不用。 不锈钢：现在在国内具有成熟的生产技术和优良的耐腐蚀性能，其线膨胀系数较高，应用于 LNG 管道需要设置较多的膨胀弯，现在多应用于陆地接收站内的 LNG 管道。 79%镍钢：近些年来 9%镍钢以其优良的
13、综合性能在国外的 LNG 工业中得到越来越多的应用，再且国内太钢和鞍钢已经攻克 9%镍钢的生产技术难关，在国内的 LNG 设施中也逐渐得到应用。 在-196下，9%镍钢具有非常明显的强度优势。9%镍钢在断后伸长率不足 20%，塑性较差，不易发生塑性变形；9%钢在进行低温冲击试验时表现出量好的韧性；9%镍钢的含碳量高于不锈钢，所以其焊接性能较差。9%镍钢的平均线膨胀系数约为 8.21m/（m.） ，低于不锈钢。 从上述的分析可以看出 9 %镍钢强度较高，韧性好、线膨胀系数较低，使用该材料可以大大节省钢材，且管道在低温条件下收缩变形小，是目前 LNG 低温管道最好的选择。且与上述的吸收轴向应力结构
14、结合，收缩量完全能够满足海底低温管道的需求。 目前在国外的很多实验中选用 36%镍钢来铺设海底 LNG 管道，实验表明，数千米长的管道用 36%镍钢整个管道的收缩量都不足 50mm，而且管道两端接头处的应力也在 36%镍钢的极限屈服应力以内。但是其价格太高，且供应商不多，所以很难普及到海底低温管道。 2.2.3 保冷结构 保冷层是决定保冷结构保冷性能的关键部分，其主要作用是维护介质温度。海底低温管道由于其所处的地理环境特殊，所以对管道保冷系统的安全性和保冷效果要求比陆地高出很多，对于陆地常出现的真空保冷层与堆积绝热层都不适合，开发新型的保冷材料就势在必行。 气凝胶材料是一类具有良好应用前景的绝
15、热材料。其具有如下优点：8绝热性能远高于传统绝热材料（但低于真空的绝热性能） 达到要求的绝热性能所需要的材料用量较少，降低了绝热层的厚度和外层管壁的直径，降低了管道成本 气凝胶的现场安装工艺非常的方便，装好后能够自主发泡，自动的充满整个管道空间 气凝胶具有憎水的特性，不会因为水分的降解而降低绝热性能 从上可以看出，气凝胶绝热层是海底低温管道的良好选择。其安装过程如图五所示： 图五 气凝胶安装示意图 2.2.4 隔离板 隔离板是 LNG 海底低温管道与一般海底管道的区别之一，也是 LNG低温管道中最重要的管道附件。隔离板将外层管壁和内层管壁之间的环形空间密封，能有效的优化保冷层的运行环境；可以把
16、内层管壁所产生的载荷转移到中间层或者外层管壁。 2.2.5 光纤传感器及环压探测系统 LNG 海底管道在内层管壁和外层管壁之间设置有光纤传感器、如有需求在外层管壁外也会设置光纤传感器。内环中的光纤传感器在管道安装时埋于绝热层中，绝热层发泡后会自动固定光纤传感器，其主要作用是对 LNG 管道系统的温度变化进行监测；外环中的光纤传感系统可以提供次要的泄露探测和定位。 低温管道的泄露探测的手段主要是监测环内的压力。由于内环的封闭性，小的泄露均可以通过压力测量而探测到，不同的是所需时间的长9短。对于泄露量足够大，而影响到中间管温度的泄露，其泄露定位可以通过光纤测温方法探测。对于小的泄露，环压探测比光纤
17、温度监测更快。对于大量的泄露，光纤传感方法探测得更快。中间管泄漏不同于内管或外管的泄露，可以通过光纤传感测量或者内环和外环中的压力变化速率来探测。 检测管道中是否发生泄漏，以便能够及时的做出正确的应对措施。如图六所示： 图六 海底管道光纤传感布置示意图 三、海底低温管道技术国内外研究情况 海底低温管道技术在国内外应用较少，现在国外拥有这项领先技术的公司有 ITP、FLOUR、TECHNIP 等，其中以 ITP 的技术最具有代表性。 ITP 已于 2004 年成功设计和建造了 Camisea 海上装载系统，该项目是位于秘鲁西南部太平洋海岸的一条 4km 的海底 LPG 管道。内陆离岸 1km的分
18、馏工厂通过海底管线以 30000bbl/h 的速率向离岸 3057km，水深 15米的海上装载码头运输 LPG。该项目的施工方法为我们研究海底 LNG 管道的施工技术提供了参考。 TECHNIP 公司作为世界 500 强之一，其 LNG 海底管道技术已经发展的相当成熟。该公司的主要设计能力和产品在于 C-PIP 管道，该管道产品的外层管壁多用碳钢，在需要的时候也用 9%的镍钢，内层管壁用ASTM533 号产品（9%镍钢） ，两层管壁中间填充气凝胶绝热，在需要的时候外层管壁上还会浇灌混凝土。TECHNIP 公司于 2004 年 6 月对其生产的LNG 海底管道进行了各项测试，包括管道的压力及张力
19、特征、绝热性能、收缩性能，以及管道在陆上、水中、水中埋地的各种反应等。该项技术10在 2006 年获得了 ABS 以及 DNV 的管道设计原理认证。在 2009 年美国Weavers Cove Energy 公司在 Massachusetts 的 LNG 接收终端改建中计划使用这项技术，但是由于受到当地环境保护者的反对，该工程已中止。四、结论 通过上述可以看出海底低温管道埋藏在海底，在正常的工作中安全性较栈桥管道高，当发生事故时其造成的危害也较栈桥管道小。埋藏在海底的 LNG 低温管道周围的温度在一年四季变化是很小的，减少了因为温差的不断变化而导致的 BOG 产生增加的情况，这样的运行环境更加
20、安全且利于 LNG 的输送。在设计海底低温管道时管道的周围一般都会设置光纤检测系统，随时的检测周围环境的温度变化以便于发生事故时能够及时的做出处理。从上述可以看出，海底低温管道除了施工难度高于栈桥管道外，其余各方面性能皆高于栈桥管道。 随着国内 LNG 需求的日益旺盛，国内需要建立越来越多的接收站，但是由于受到地理位置、工程造价等因素的限制，接收站选址越来越困难。随着 LNG 海底低温管道技术的不断发展，能够为 LNG 接收站站址带来更广阔的选择，能够为接收站的建设节省一大笔的投资，相信随着天然气行业的不断发展，技术的不断进步，海底低温管道技术会有着更广阔的天地。 参考文献： 期刊 1马坤明，孙国民，雷震名，李旭，刘新帅等。海底管道的管材选
