CN101680593A - 卸载管路 - Google Patents

Abstract

一种用于输送低温流体的系统，包括：一个承载管(2)；以及位于该承载管(2)之内并且与其热隔离的至少一个内部的产品流动管(1)；其中该产品管(1)具有大于承载管(2)的长度，并且通过跟随一条非线性路径被结合在该承载管(2)的整个长度中，这样使得由于产品管(1)在温度上的变化而引起的产品管(1)的热收缩受到产品管(1)的弹性几何变形的调节。

Description

卸载管路

技术领域

[0001]本发明涉及一种管路系统，该管路系统用于传输低温流体，如液化天然气(LNG)。特别是用于沿着海上终端与陆上设施之间的海床输送流体。

背景技术

[0002]在大量生产天然气的地方，用于将气体输送到遥远市场的常用技术包括在气源附近的沿海位置处使气体液化，并且然后对在海上船只上的特别设计的储罐中的液化天然气(LNG)进行输送。为形成LNG，天然气被压缩并且冷却至低温(例如-160℃)，以增加储罐中可以承载的量。一旦船只到达其目的地，LNG就被卸载到陆上储罐中，然后LNG可以从这些陆上储罐按照需要再蒸发并且通过管路等被输送到最终用户。如果海床离开海岸深度逐渐改变并且为了通过将装载/卸载设施设置为远离沿海环境以获得健康、安全和/或环境的优势，当必须在大型LNG油船的龙骨下方获得间隙时，令人希望的是将LNG的输入或装载终端定位为远离海岸。

[0003]目前已知的深冷流体传输系统包括安装在堤道上的系统或者专门建立在陆上储罐与海上接收/装载设施之间的引桥码头。在这样长的堤道或码头上支持LNG装载管线是昂贵的。该引桥必须在水表面上方足够高以防止传输管线暴露于水中，并且在某些情况下避免干扰水面上现有的海上交通。与建造相关的成本要求离岸设施被定位得邻近海岸，这进而可能要求疏浚新的接入航道和建设额外的港口设施以确保深吃水的LNG运输船只的安全通行。除此之外可能要制成在空转期间使LNG循环的回流管线并且将其与流动系统的主传输管线分开绝缘，由此显著增加了该传输系统的成本、复杂性和安全考虑。然而，作为由海床支撑的管路，淹没在水中的深冷流体输送系统允许该接收/装载站定位在与该海岸更远的距离处，并且消除了对于堤道或引桥码头的需要以及在原本不要求处理深吃水LNG船只的区域中疏浚接入航道和建筑昂贵的港口设施的需要。

[0004]在管路中输送深冷流体的问题是当低温流体进入管路时，它导致了大多数管路材料的显著收缩，由此产生了巨大的热应力。

[0005]对于置于海床上的流体传输系统而言，优选的是具有用于LNG的装载/卸载的一种绝缘的“管中管”结构，以保持正在被输送的LNG的低温度，其中在一个或多个产品管与外部承载管之间的环形空间中是真空的。通过在码头引桥或堤道支撑管路系统上的多个和/或大型膨胀环可以容纳产品管的热收缩。这些具有多个膨胀环的管路系统基本上仍是基本上线性的，具有多个直角以将弯曲部分结合在该线性产品管中。当发生温度变化时，在系统中具有的多个主要是线性的管路本质上仍只存在该产品管在长度上的变化，并且由于为了结合这些膨胀环而沿着该产品管定位的这些弯曲热收缩可产生局部化的应力。另外，在海床上铺设的海底“管中管”结构中的这些膨胀环的性能可能受到淤塞的损害，并且在海底“管中管”的管路中的这些大的膨胀环是难于制造和安装的。可替代的是，可以使用具有非常低的热膨胀系数的一种材料(例如殷钢(含36％镍的钢))来生产该流体承载内管，然而这是相对昂贵的。

[0006]本发明的目的是对用于海底流体输送系统的产品管的热收缩进行调节。具体地讲，本发明提供一种流体输送系统，该系统通过将该产品管形成为一条非线性路径、通过将一个增加长度的产品管引入到承载管中而在海上与陆上设施之间传输深冷流体，这样当发生热收缩时，基本上沿着该产品管的整个长度存在几何上和长度上的变化。

发明内容

[0007]本发明的一个第一方面包括用于输送低温度流体的一种系统，该系统包括：一个承载管；以及位于该承载管之中并且与其热隔离的至少一个内部的产品流动管；其中该产品管具有的展开长度大于该承载管，并且以非线性路径被结合在该承载管的整体长度中，这样使得由于该产品管的温度变化而引起的该产品管的热收缩受到该产品管的弹性几何变形的调节。

[0008]该系统可以输送的特别优选的低温流体是深冷流体，例如具有大约-160℃的温度的流体，如LNG。

[0009]产品管与承载管相比的额外长度是通过该产品管沿该承载管遵循的不同路径被容纳。在基本相等的温度下(比如在深冷流体流动通过该产品管之前)，该产品管具有的长度大于该承载管，并且当存在温度变化时，该产品管永远不短于承载管。在深冷流体经过该产品管流动之前，该产品管的形状不同于该承载管的形状，以便当该产品管通过深冷流体的引入而被冷却时，热收缩(并且因此它通过该承载管的路径)主要受到该产品管的几何变化的调节，而不是仅受到该产品管长度减小的调节(这发生在基本线性的管路系统中)。

[0010]优选地，该产品管被遍及该承载管的真空所绝缘。该真空是形成在该承载管与产品管之间的环形空间中。

[0011]优选地，该非线性路径是一条基本上连续弯曲的路径。该产品管可以基本上沿着它的整个长度(基本上没有直的部分)遵循一条曲线路径。

[0012]一条基本上非线性的产品管将导致该产品管长度上的变化以及几何变化以调节热收缩，而不是仅在由于温度变化而经受了热收缩的基本上线性管路系统中发现的长度的变化。具有一条连续弯曲的产品管在热收缩过程中将使应力分布在整个产品管上，相比之下主要是线性管路的系统则结合了多个膨胀环，其中的热收缩可以在为将这些环包括在产品管中而存在的直角弯曲部分处并且还在它们可以安装的多个中间隔板处产生局部应力。

[0013]优选地，在该产品管经受温度变化之前，该产品管具有一种规则的形状，如一种正弦曲线形状或陡倾角的螺旋形状。这种温度变化可以由深冷流体经过该产品管的流动所引起。

[0014]优选地，该系统包括位于该承载管内部的两个或更多个产品管。这允许有经过该系统的流体的更大的输送容量。

[0015]该系统可以包括用于支撑该产品管的多个隔离件。它们可以被定位为使它们防止该产品管在该承载管内变为真正直的。优选地，这些隔离件以该产品管的大约每半个波长来定位，其中它被构造为平面波的形状。

[0016]多个隔板可以被附装在该承载管和该产品管的两端上。这些可以在这些管的每一端部被定位以形成一个绝缘密封。

[0017]该系统可以进一步包括用于调整经过产品管的流量的多个阀门，这样可以获得产品流体的再循环，例如以维持没有正在进行LNG输送时的套管内部的深冷温度。

[0018]该系统可以进一步包括经过该承载管的一个抽吸口(tapping)以允许在该承载管内部抽真空。这允许围绕该产品管或这些产品管形成真空，以防止热量流进该产品中引起它的温度上升。

附图说明

[0019]图1示出了环境温度下在承载管内部的一种正弦曲线形状的产品管；

图2示出了环境温度下在承载管内部形成为螺旋形状的一个单个的产品管；

图3示出了在承载管内具有四条螺旋形状的产品管的流体输送系统的一个平面图；

图4示出了流体输送系统的陆上终端端部；

图5示出了流体输送系统的海上终端端部；以及

图6示出了流体管路的截面视图。

具体实施方式

[0020]现在参照附图描述本发明的优选实施方案。用于输送流体(特别是深冷流体，比如LNG)的一种流体传输系统具有包括位于一个承载管2内部的一个产品管1的一种“管中管”结构。在管中管结构的每一端部，一个隔板6的安排在该承载管周围形成了一个绝缘的不透气的密封。图1示出了本发明的一个实施方案。图1的产品管1具有一种正弦曲线的形状，然而该产品可以包括多个其他类似的有规则的重复形状。正弦曲线形状允许产品管的额外长度被容纳到更短的承载管中。管1可以通过轴向弯折或塑性变形被预成型为正弦曲线形状，这样当该产品管处于环境温度下时(即，在深冷流体经过流体输送系统的流动之前)，当该产品管和承载管处于基本相等的温度下时，该产品管在该承载管的内部具有正弦曲线形状。当深冷流体(比如LNG)流经产品管1时，LNG使该产品管冷却下来使它热收缩。当产品管1冷却时它的长度的减小主要由通过在该管中的弯曲部分的变直的产品管的几何的变化的调节，从而引起通过该承载管的产品管的路径变化，而不是通过热感应材料轴向应变。该产品管将在该管的弹性极限内变直。如果该产品管初始是直的，那么展开长度的减小将由塑性轴向应变来调节。除了该产品管的几何的变化，该产品管还可以具有长度的变化，然而该产品管的长度将永远不会变得比该承载管的长度短。存在于支撑隔离件11中的多个槽有助于产品管1在冷却时变直。这些隔离件和槽被定位，这样它们不允许在低温度时该产品管变为真正直的。当产品管返回至环境温度时，比如当深冷流体不再流经该管时，对于该产品管而言，保留足够的不完全的直度是有用的以允许产品管1恢复到它原来的结构。

[0021]设置隔离件以防止产品管接触承载管的内表面，由此防止真空绝缘旁边的一个热短路，以促使在适度的轴向压缩下有控制的使产品管弯曲至选定的波长，并且防止管线在低温度下变为真正直的，这样当该产品管线的温度返回到常温时发生任何所要求的有控制的弯曲或形状还原到最初的构形。

[0022]这些隔离件可以由任何适合的材料制成，比如尼龙，并且出于制造目的，可以被附装在该产品管上或在该承载管上。优选地，通过将产品管连同附装在该产品管上的隔离件滑动进入该承载管的内部对这些管进行装配。这些隔离件的轴向间隔可以是每半个波长或要求的任何这样的其他的间隔，以得到该产品所要求的形状。

[0023]通过在管路系统制造过程中在外部强加的轴向加载下使在该承载管内部的产品管弯曲，通过塑性预成型，或者两者的组合可以实现该变形的产品管的形状。在环境温度下施加在该产品管上的强加的轴向压缩力受到该承载管中的相应张力的反作用，并且通过端部隔板被传递。这个轴向载荷与假如该产品管是常规的直线结构时由产品管的轴向热收缩强加的载荷相比要小得多。

[0024]该变形形状的波长将取决于该承载管的内直径。相对于在低温度下没有过应力的承载管，该产品管具有足够的展开长度以调节该产品管的热收缩，这样在该产品管的低温结构中存在足够的剩余变形，以使它当它在低温与环境温度之间经受反复的热循环时恢复到它原来的形状。

[0025]还选择正弦曲线形状的产品管的波长，这样它将该产品管保持在允许的曲率半径之内，这样实现了在室温下将在该承载管内部弯曲的产品管引入所要求的任何预加载，并且仅引入适度的应力和/或应变。

[0026]用于该产品管的形状是使得当产品管被冷却时它将通过形状变化而不是通过热感应材料轴向应变来调节热收缩，从而允许多种材料(比如，不锈钢308或含9％镍的钢)被用于在海底LNG的管路中的产品管的制造。

[0027]承载管2是充真空的以提供绝缘性，并且是足够结实的以额外调节静水压力的外部压力差。承载管2本身可以被放置在另一个管中。这个另外的外部管可以提供额外的绝缘性，起到绝缘辅助层的作用，并且提供一种损害保护层。

[0028]例如由于该承载管要铺设的海床的起伏，它可以不是直的。该承载管的这种不完全的直度将影响所需要的偏心度的大小，以在环境温度制造条件时实现该产品管所希望的初始弯曲，并且当产品管线从低温度恢复到环境条件时以实现该弯曲的形状的恢复。

[0029]该产品管线的任意正弦曲线“波纹度”可以在水平的或垂直的平面中或以任意角度位于二者之间中。该定向被优选地选择以调节该承载管的不完全的直度，该不完全的直度取决于它是否在平面上或高度上偏离得更多。

[0030]在本发明的一个替代的实施方案中，产品管1在环境温度下可以具有预成型螺旋式结构，如图2中所示。流体传输系统包含一个产品管1，该产品管被预成型为包含在承载管2内部的真空之中的一种陡倾角螺旋状。螺旋状产品管1在由端部隔板6固定到承载管2上之前可以被预压缩为像一个弹簧，这样当产品管1冷却到深冷温度时，它的展开长度的减小受到产品管螺旋的弹性拉伸的调节，如同一个常规的弹簧。

[0031]该承载管可以承载多于一个的螺旋状产品管。多个产品管可以在多头螺旋中交错。图3示出了在承载管2中安置了四个产品管1的一种结构。隔离件11有助于防止每个产品管接触该承载管的内表面，并且有助于防止这些管在低温度下变为真正直的。虽然该多个产品管的系统使用了位于该承载管中的四个产品管来举例说明，但是可以使用任何合适数目的管。

[0032]该螺旋产品管能够以常规方式通过缝焊来制造，但是额外地拉出一个偏移，该偏移与形成该缝的板的多个匹配边缘平行并且在这些匹配边缘之间，从而在该产品管中引入一个恒定的陡倾角螺旋。

[0033]用于在该承载管内部制造这些螺旋产品管的一种替代方法是，将它们作为预制的一个束从远端插入到该承载管中，这些螺旋产品管是直的并且与承载管相比是过长的，具有已经被固定到这些产品管上的隔离环，并且然后用隔板组件将这些端部固定的产品管的远端该承载管上进行端部固定。在承载管的近端处，每个产品管的自由端在直径小于承载管直径的一个圆周中是扭曲的，同时每个产品管被允许关于它自身的轴线旋转，这样使得这些产品管缠绕成交错螺旋形。一旦形成了一个螺旋形状，这些产品管可以被固定到隔板的近端上，该近端防止这些产品管围绕它们的局部单独轴向中心线展开。这些产品管然后通过将隔板推向在承载管上的它的匹配凸缘进行预压缩，以还在适度绝缘下将该隔板固定到在承载管上之前提供额外的热收缩能力。该承载管然后反作用到张力的轴向预压缩加载以及在产品管中试图围绕该承载管中心线展开的扭力性的轴向旋转力矩。当这些产品管被充入LNG时，该轴向预压缩加载将变为当这些产品管线缩短时的张力而使承载管置于压缩状态。预期因为这些产品管是以此方式被围绕扭曲并压缩成交错弹簧的结构，在隔离件与承载管内部之间将积累摩擦力。这些摩擦力将是累积性的，这样使得可能发生一种情况，其中在近端隔板处的强加的扭矩和压缩正在导致在直接近端隔板之后的产品管中出现最大可允许的应力，但是使得在产品管与承载管之间引发的相对移动沿着该承载管的长度向下减小直到到达一个锚点，超过该锚点，在产品管与承载管之间不存在轴向相对移动，以及另一个锚点，超过该另一个锚点，这些产品管不存在相对于该承载管内部的环圆周移动。这种“锁定应力”的发生将暂时妨碍这些产品管进一步地缠绕和压缩成为一个弹簧。然而，在整个LNG管线以多公里长度进行制造的情况下，并且假定在一个陆上滚道上允许整个长度被拖进海中，这个滚道还将允许整个LNG管路围绕它的长轴线旋转。滚动该管同时扭曲并且压缩这些产品管的过程将顺序地随着它们的形成将这些摩擦锚点“解锁”，并且允许正被引入到近端处的这些产品管中的螺旋式形状以沿着该承载管的整个长度向下安全移动到远端。在从铺管驳船到海床上的LNG管线的安装发生时，为了防止该管线滚动，通过允许该承载管灌入海水可以减少摩擦锚点的形成，这样使得适当地设计的产品管在该套管中变得中性地有浮力，因此防止了相对产品管旋转和压缩的任何磨擦力的形成。在这种情况下，将需要随后使该套管排水并干燥的适当设施。

[0034]虽然对产品管具有一种正弦曲线或螺旋形状的流动系统特别进行了举例说明，但是可以使用该产品管的其他形状，其中该产品管的长度在环境温度下大于该承载管的长度，以允许当该产品管冷却到低温度时的热收缩。

[0035]该承载管和产品管的每个端部被固定到一个隔板安排上。图4和图5更详细地描述了用于陆上和海上端部的多种隔板安排。

[0036]图4示出了用于流体传输系统的一种陆上终端安排。位于承载管2中的产品管1在一个隔板6处终止，该隔板与承载管2形成一个绝缘不透气的密封。焊接到承载管2上的凸缘3被连接到一个陆上端部终端凸缘5上。这可以通过任何常规的连接装置实现，比如一种螺母和螺栓安排4。一种合适的绝缘材料7、8被用于防止热流动从承载管2、凸缘3、5和螺栓4进入隔板6和产品管1、以及其内部的处于低温度下的流体。提供了不透气的密封，以便在承载管2的环9的内部维持一个真空。优选地，该密封还是不透水的，以防止水进入该承载管。可以设置进入承载管2中的一个抽吸口安排10以能够进入环形区9，以允许利用一个外部真空泵来实现承载管2内部的真空。可替代的是，该抽吸口安排可以被设置为进入该隔板中。产品管1被焊接到隔板6上，以形成一个结构性的和不透气的密封。为了清晰，图4仅示出了在该承载管中的一个产品管，然而，可以使用多个产品管线，这些产品管线将全部在该隔板处终止。从该隔板进一步靠近海岸处，流体(比如LNG)利用常规安排被输送到陆上存储设施，并且利用常规绝缘材料13被保持在深冷温度。

[0037]图5示出了该系统的海上终端的一个实施方案。另一个隔板6与承载管2在如以上对于流动管线系统的陆上端部所说明的方式在这些管的海上末端处形成了一个绝缘不透气的密封。绝缘材料16、12防止从承载管2到隔板6和产品管23、24、25、26的热传输。隔板6可以被连接到一个绝缘的深冷油船连接终端14上。从该隔板进一步离岸处，LNG利用常规安排在该LNG油轮内部以及卸载台架处被保持在深冷温度下。

[0038]当在单个承载管内部存在多个产品管时，并且在LNG实际上未通过这些产品管被卸载或装载的一段时间内(比如在多个LNG油船到达之间的时间)，通过在该流体输运系统的海上和陆上终端处使用多个阀门安排，通过沿着一个或多个产品管连续循环LNG并且然后通过其他管返回，可以维持承载管的真空绝缘环形区内的深冷温度。图5中示出的是用于承载管的阀门安排的一个实例，该实例包括在LNG管线的海上终端处的四个产品管。通过使阀门17和19关闭以及分流阀21打开以将LNG从产品管23导入到产品管26中，可以建立一个单一流动循环来使LNG从海上设施经过产品管23流出并且然后经过产品管路26返回。通过产品管24从陆上终端出来并且通过产品管25返回可以建立第二个LNG循环，此处阀门18和20是关闭的并且分流阀22是打开的。然而，一旦油船到达，通过关闭分流阀21、22并且打开阀门17、18、19、20，所有的产品管可以被用于流体的快速卸载以给出一个短的油船轮次。

[0039]当LNG被保持在海上油轮端部处时，利用将流体从一个产品管路分流到在这些管路的陆上终端处的另一个产品管路(与用于海上端部所述的阀门安排相似)的一个阀门安排，可以建立流动循环以使LNG通过这些产品管路循环出来并且返回。

[0040]图6示出了一个完整的LNG管路的截面视图。位于承载管2中的每个螺旋状的产品管1由多个隔离件支撑，比如沿着管1的长度在适当位置处附装其中的隔离环11。隔离件11之间的距离将取决于流体输送系统被安置的条件，这样它们支撑该承载管内部的产品管线、防止跨越这些产品管与承载管之间的真空绝缘的热短路、并且当LNG被引入这些管中使它们冷却到深冷温度并且经受热收缩时协助该承载管内部的产品管的任何轴向移动。可以在整个管路上应用一个混凝土加重层15，以提供海床上的管路在环境海水流动下的稳定性和机械保护。沿着该管路的全部或部分长度挖沟也可以为该管路组件提供保护。

[0041]整个LNG管路可以被支撑在一个斜坡上从海上的油船终端下海床上并且沿着从陆上终端到海床上的一个逐渐倾斜的槽沟从海岸向下。该流体输送系统可用于从油轮到陆上终端卸载流体，或者可以被用于对来自陆上设施的流体进行输送以将该流体装载到油轮上。

[0042]LNG管路可以被制作在铺管驳船上，或者完全在陆上制造并且然后利用常规海床管线拖拽安装技术被拖拉到位置上。可替代地，将LNG管路制成多个部分，每个部分被拖拉到位置并且结合到一起以形成一个完整的管线。

[0043]虽然参考深冷流体(特别是LNG)的传输对本发明进行了描述，但是本系统适用于输送引起产品管的温度变化的其他多种流体。

Claims (11)

1.一种用于输送低温流体的系统，包括：

一条承载管；以及

位于该承载管内并且与其热隔离的至少一个内部的产品流动管；

其中该产品管具有的长度大于该承载管，并且它通过跟随一条非线性路径被结合在该承载管的全部长度之中，这样使得由于该产品管在温度上的变化而引起的该产品管的热收缩受到该产品管的弹性几何变形的调节。

2.根据权利要求1所述的系统，其中该产品管被遍及该承载管的真空所绝缘。

3.根据权利要求2所述的系统，其中该非线性路径是一条基本上连续弯曲的路径。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中在该产品管经受温度变化之前，该产品管具有一种正弦曲线的形状。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中在该产品管经受温度变化之前，该产品管具有一种螺旋的形状。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，包括位于该承载管内部的两个或更多个产品管。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中该承载管包括用于支撑该产品管的至少一个隔离件。

8.根据权利要求7所述的系统，其中多个隔离件以该产品管的大约每半个波长来定位。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，包括附装在该承载管和产品管的每个端部的一个隔板。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，进一步包括用于调节通过该产品管的流动的至少一个阀门。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，进一步包括通过该承载管的一个抽吸口，以允许在该承载管内部形成一个真空。

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