LNG海底低温管道技术研究及应用

NA V AL ARCHITECTURE AND OCEAN ENGINEERING 船舶与海洋工程2018年第34卷第4期（总第122期）DOI：10.14056/ki.naoe.2018.04.012

LNG海底低温管道技术研究及应用

杨亮1，刘云2，刘淼儿1，许佳伟1，范嘉堃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：为应对液化天然气（Liquefied Natural Gas，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

中图分类号：TE832 文献标志码：A 文章编号：2095-4069 (2018) 04-0062-06

Research and Application of LNG Subsea

Cryogenic Pipeline Technology

YANG Liang1，LIU Yun 2，LIU Miao-er1，XU Jia-wei1，FAN Jia-kun1（1. Research and Development Center, CNOOC Gas & Power Group Co., Ltd., Beijing 100028, China；

2. CNOOC Research Institute Ltd., Beijing 100028, China）

Abstract: The subsea cryogenic pipeline technology has emerged to conform to the trend that Liquefied Natural Gas (LNG) receiving terminals are moving to offshore. Considering the engineering cost and the technological feasibility, the LNG subsea cryogenic pipeline system is superior to the trestle pipeline system. As LNG storage and transportation requires low temperature, there are higher requirements on the subsea cryogenic pipeline than the land based cryogenic pipelines regarding structure composition, pipeline material, thermal insulation materials, pipeline axial stress absorbing devices, detection system and constructions. Researches are carried out and the result shows that the requirements on practical application of the LNG subsea cryogenic pipelines could be met when 9% Ni steel is used as the inner pipe material, aerogel is used as the thermal insulation layer, the fender technology is adopted to overcome the axial stress on the pipeline and the optical fiber sensing technology is introduced to monitor the pipeline operation status in real time.

Key words:liquefied natural gas; subsea cryogenic pipeline; axial stress; aerogel; online leak monitoring

0引言

目前我国对天然气的开发和利用正处于快速发展期，在需求日益旺盛、价格逐步理顺等因素的作用下，

收稿日期：2018-03-14

基金项目：工信部财政部LNG液力透平研制项目（工信部联装[2014] 503号）

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。

杨 亮，等：LNG 海底低温管道技术研究及应用 63

天然气产量将以较快的速度增长。由于进口液化天然气（Liquefied Natural Gas ，LNG ）有利于能源消费国实现能源供应多元化、保障能源安全，而出口LNG 有助于天然气生产国有效开发天然气资源、增加外汇收入、促进经济发展，因此LNG 贸易逐渐成为全球能源市场的新热点。LNG 可通过铁路、公路和船舶运输，供气灵活，辐射范围广，能有效解决我国天然气输送能力不足的问题[1]。目前国内共有42家LNG 生产企业，已建成和投产LNG 接收站17座，年均产量增速为28%，未来可逐渐形成沿海LNG 接收、存储和输送网络。

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[2]。目前LNG 接收站基本上都是通过栈桥管道结构连接海上码头和陆上存储设施，随着LNG 产业的不断发展，新建LNG 接收站越来越受地理位置和工程造价等因素的影响，选址愈加困难。针对上述情况，国内外相关研究机构及工程公司开展大量工作，推出一种以埋地管道方式连接海上装卸平台和陆上存储设施的LNG 海底低温管道技术[3-4]。

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-Off Gas ，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 在设计栈桥管道输送系统时，要考虑LNG 运输船的操作空间、波浪和水深定位等影响因素。码头的最终位置和栈桥的布局需满足输送管道发生破裂或泄漏引起的BOG 蒸气云的安全距离要求，栈桥系统通常配备结构防护和隔断阀等装置，使LNG 管道具有一定的防碰撞和安全自锁功能[5]。

影响栈桥管道输送系统工程造价的因素包括栈桥的长度、水文条件、管道数量与尺寸、施工材料、建造和安装方法等。在保证施工质量和自然条件及规范规定的安全需求不变的前提下，栈桥管道系统工程造价与栈桥管道系统的长度成正比。由于LNG 属于超低温介质流体，在管道内流动时会使管材冷缩，且热运动会在管道的各个方向上施加应力，应力较大会导致管道变形甚至破裂，因此在设计管道时必须设置能承受材料冷缩和因热运动而产生应力的结构，例如膨胀弯等[6]。膨胀弯的设置会使管道总长度增加约20%。目前LNG 栈桥的长度在几百米到10km 之间，造价为1500万~5400万美元/km ，且这些费用不包括栈桥的维护费和管道本身的费用。

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 。

陆上LNG

存储设施

LNG 运输船 固定泊位 栈桥 疏浚掉头区 陆上LNG

存储设施 栈桥

海上装货终端 防波堤 疏浚航道