摘要：为应对液化天然气（LiquefiedNaturalGas，LNG）接收终端海上化趋势，海底低温管道技术的研究应运而生。从工程造价和技术可行性方面考虑，LNG海底低温管道输送系统优于栈桥低温管道输送系统，由于LNG储存和传输的温度较低，海底低温管道在结构组成、管道材料、保冷材料、管道轴向应力吸收装置、检测系统和建造施工等方面相比陆上低温管道具有较高的技术要求。针对该情况，开展相关研究，结果表明，内壁管材采用9%Ni钢，保冷层选用气凝胶，利用隔离板技术克服管道产生的轴向应力，采用光纤传感技术实时监测管道的运行状态，可满足LNG海底低温管道实际应用要求。
关键词：液化天然气；海底低温管道；轴向应力；气凝胶；在线泄漏监测
前言
LNG接收站装卸平台大多以码头的形式安装在沿海区域，由于LNG运输船大，国内部分近海地区因地理位置较为特殊而难以满足船运需求，需投入较多的挖掘费用开发新的航道和泊位。LNG的温度低、气液体积比大，一旦在装卸过程中出现泄漏的情况，会给作业人员的安全和环境保护带来极大的威胁。通过工程实践，国内外相关人员一致认为应将码头设置在远离海岸一定距离的海上，在海上码头与陆上存储设施之间设置一个传输结构，以保证LNG顺利输送到岸上。
1栈桥低温管道输送系统与海底低温管道输送系统概况
1.1栈桥低温管道输送系统
图1为典型的LNG栈桥管道输送系统，主要包括LNG卸料总管、蒸发气（Boil-OffGas，BOG）管道、LNG循环保冷管线和公用工程管道等，其输送长度和布局取决于海上码头的最终位置。若当地的风、浪、流等水文条件相对恶劣，则采用防波堤式码头（见图2），有利于港内保持足够的水深和平稳的水面，以满足LNG船停泊、装卸作业和航行的要求。
图1：典型的LNG栈桥管道输送系统
图2：防波堤式LNG栈桥管道输送系统
1.2海底低温管道输送系统
图3为典型的LNG海底低温管道输送系统，该系统由LNG卸料总管、BOG管线、LNG循环保冷管线和公用工程管线一体化集成，整体埋入海底。根据国内外相关研发机构开展的大量试验及现有的海底低温管道工程实例，海底低温管道的有效输送距离可达20km。影响海底低温输送管道系统工程造价的主要因素有管道长度、管壁厚度和直径、防腐要求、管道材料及建造和安装方法等。海底低温管道输送系统的总体造价包括管道本身造价和施工费用2部分。按照目前的技术水平测算，总体造价为1300万~1600万美元/km。因此，从工程造价的角度考虑，海底LNG低温管道输送系统优于栈桥管道输送系统。SPM适应的水深范围大，可系泊大型LNG浮式装置，适应海洋环境的能力强，制造、安装、作业和维护费用较低，经济性和可靠性良好。
图3：典型的LNG海底低温管道输送系统
1.3LNG海底低温管道结构
LNG海底低温管道采用多层管壁技术，主要有双层管壁和三层管壁2种结构形式。内层管壁与LNG液流接触，通常选用热膨胀系数较低的Ni钢合金材料，同时配置管道应力吸收构件，以克服超低温导致的管道轴向收缩。内层管壁与外层管壁之间（三层壁结构则是内层管壁与中间层管壁之间）的环形空间内安装有保冷层，使得管道内的LNG处于绝热状态。外层管壁和中间层管壁主要用于抵抗外部冲击，通常采用碳钢或不锈钢材料，也可根据需要采用Ni钢合金材料。管道的最外层设置有混凝土配重层，一方面可缓冲和抵抗外部冲击，另一方面用于管道配重，若管道本身的重量满足工程需求，则不需要设置。
2 LNG海底低温管道关键技术
2.1内层管壁材料及焊接
LNG海底低温管道内层管壁材料要求具有良好的低温韧性、抗腐蚀性能和焊接性能。由于管道是在常温下安装、在低温下使用的，材料的热膨胀系数应尽量小。目前开发的具有较低热膨胀系数的合金材料主要是INVAR钢（36%Ni钢，也称为殷瓦钢）和9%Ni钢，其中：INVAR钢的热膨胀系数极小，数千米长的管道采用INVAR钢，整个管道的收缩量不足50mm，且管道两端接头处的应力处于管材的极限屈服应力以内，但INVAR钢的价格高，约为9%Ni钢的6倍，且生产难度大，供货商有限，限制了其在LNG低温管道领域的推广应用；9%Ni钢在-196℃下经拉伸试验测得断后伸长率<20%，不易发生塑性变形，经低温冲击试验测得平均线膨胀系数约为8.21μm/（m•℃），具有强度较高、韧性较好和线膨胀系数较低等特点，可获得性和经济性指标较好，是制造LNG海底低温管道的理想材料。
2.2管道轴向应力吸收装置
由于LNG的温度极低，与其直接接触的内层管壁将不可避免地出现轴向收缩，若轴向收缩量过大，接头处会产生应力集中而破坏管道结构。国内外相关研究[9]认为，在管道中采用隔离板技术可将内层管壁产生的载荷转移到外层管壁，使管道的轴向应力和管端接头应力均处于管材的屈服极限以内。隔离板主要有金属隔离板和非金属隔离板2种形式。金属隔离板使用9%Ni钢或INVAR钢锻造而成，非金属隔离板采用纳米多孔隔热材料制成。隔离板通常安装在各层管壁之间和管道弯曲部分，不会增加管道长度和施工难度。隔离板将外层管壁与内层管壁之间的环形空间密封，能优化绝热层的运行环境，在消除管道轴向应力的同时，防止各层管壁间滑移摩擦对绝热层造成损伤。
2.3管道保冷材料
保冷层的主要作用是维持低温管道内介质的温度。目前陆上低温管道保冷主要采用真空保冷层和堆积保冷层2种方式。真空保冷层的性能优异，所需设备简单，缺点是在管道运行期间形成和保持真空低压状态需消耗大量的能量，成本较高，若出现泄漏，会导致保冷性能迅速消失，可靠性较差。传统的堆积保冷层主要采用聚氨酯发泡材料，成本较低，工艺相对成熟，缺点是保冷性能较差，通常达到保冷性能要求所需的厚度较大，会增加材料成本和管道重量，不利于施工安装。此外，聚氨酯材料遇水会降解，当外层管壁泄漏或破损时，保冷层的性能会迅速下降。因此，真空保冷层和聚氨酯保冷材料均不是LNG海底低温管道的理想保冷材料。气凝胶是一种具有良好应用前景的保冷材料，具有孔隙率高、密度小和重量轻等特点，同时具有憎水特性，其保冷性能远高于传统绝热材料，气凝胶在常温常压下的热导率仅为0.013W/（m•K），而在同等条件下聚氨酯发泡材料的热导率约为0.035W/（m•K）。2.4在线泄漏监测LNG泄漏监测系统可为管道安全、高效运行提供保障，在线实时监测管道的运行状态，及时发现和定位泄漏点，最大限度地减少经济损失和环境污染。为实现该目标，FLUOR公司与ASTROTECHNOLOGY公司共同开发出针对LNG海底低温管道的在线泄漏监测系统，包括一系列光纤传感器和数据采集设备。光纤传感器具有多路复用能力强、抗电磁干扰和远距离信号传输能力强等优点，可为LNG海底管道提供实时应变、温度、振动和流量监测，并根据这些数据检测管道中是否有泄漏发生，便于及时应对处理。
3 结束语
LNG海底低温管道材料、特殊结构、检测系统及建造施工等方面的技术日趋成熟，工程测试和应用实例结果表明其效果良好。随着天然气行业的不断发展、技术的不断进步，LNG海底低温管道技术的应用前景将更广阔。
参考文献：
[1]梁光川，郑云萍，李又绿，等.液化天然气（LNG）长距离管道输送技术[J].天然气与石油，2003，21（2）：8-10.
[2]陈雪，马国光，谢剑飞.LNG长输管道输送技术研究[J].石油化工设计，2006，23（2）：56-58.
论文作者:杨明
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：管道论文; 低温论文; 管壁论文; 海底论文; 应力论文; 材料论文; 栈桥论文; 《基层建设》2018年第34期论文;