LNG船用裝卸臂工藝技術及國產化的必然性分析

王西超　徐杰

摘要：文章通過對LNG裝卸過程中對裝卸臂原材料性能、結構、密封性及主要部件的性能進行分析，選擇適合的材料，進行深冷工藝處理，設計制造完全滿足要求的裝卸臂，并通過嚴格的試驗程序進行試驗。該款裝卸臂結構簡潔、性能優越、成本低，極具推廣價值。

關鍵詞：LNG船用裝卸臂；旋轉接頭；緊急脫離裝置（ERC）；液壓QC/DC；國產化 文獻標識碼：A

中圖分類號：U664 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

1 概述

隨著我國對能源需求的不斷增長，引進和生產液化天然氣對優化我國的能源結構，有效解決能源供應、安全、生態環保保護，實現經濟社會的可持續發展將發揮重要的作用。從2006年首座液化天然氣接收站在深圳大鵬建成投產以來，相續建成（包括在建）20多座，其中碼頭選用的關鍵設備——船用裝卸臂一直被歐美國家所壟斷，價格高、交貨期長、服務不及時。無疑地對LNG碼頭的生產及操作的安全性帶來一定的約束性。

而國內類似設備的設計與生產廠家已在常溫，乃至低溫乙烯裝卸設備的設計與生產控制方面取得了巨大的成績，常溫裝卸臂完全取代了進口產品，低溫乙烯裝卸臂在五年前成功打破了壟斷的格局，并逐漸實現常溫裝卸臂一樣完全取代進口產品。所以，我們已與綜合實力較強的生產廠（上海冠卓）合作組成LNG裝卸設備研發小組，經過近三年的不懈努力，終于成功設計、生產制造出了完全適宜LNG裝卸的設備，經試驗證明其主要部件的性能超過了國外同類產品。

2 LNG裝卸臂技術與工藝分析

2.1 LNG裝卸臂主體結構計算分析

為了全面分析整個冷卻過程的影響，多個不同體系的分析被進行，包括使用四個非常詳細的有限元模型進行的穩態熱、穩態半耦合熱力和瞬態半耦合熱力分析等。使用FEMAP軟件、應用計算機模擬設計，研究在各種瞬態溫度荷載作用下輸送臂的性能。

2.1.1 在-163℃的環境下，把液化氣從海岸傳輸到輪船或從輪船傳輸到海岸，現在正面臨著許多問題。這主要是因為傳輸設備上存在著熱沖擊和冰塊的堆積。為了評估液化氣輸送臂能在寒冷的工況及變暖環境過程中的材料變化，使用FEMAP軟件進行分析設計。并通過使用FEMAP software，淺析地證明，在寒冷條件下新的設計完全能滿足低溫工況的各種狀態，而且對主要構件沒有任何有害的影響。

2.1.2 輸送臂的裝配。整個管道裝配的三維模型用來模擬系統的整個行為。這個非常復雜的模型和分析過程，同時分析了熱和結構荷載的影響。所獲得的結果證實了在冷卻過程中構件內的收縮量和應力值，并突出了使用局部模型進行進一步分析的重要性。

2.1.3 碼頭基架立柱?；堋⑥D軸箱、旋轉接頭和回轉支承的三維模型，在周圍的構件上研究管道的冷卻效應，使用一個保守的穩態熱分析對流和傳導效應。

2.1.4 支承支架。支承支架的三維模型，研究了由于周圍剛性約束引起的冷卻和熱應力的程度。雖然不容易遭受熱沖擊（因為板是薄的），但是支架也很容易產生一個溫度梯度。因此，需要對支架進行進一步的設計和建模，來改進它們的性能。

2.2 主要部件的深冷處理方案

LNG裝卸臂的主要部件有旋轉接頭（內圈、外圈、法蘭、密封圈等）、緊急脫離裝置（ERC，閥、閥體、閥座、抱箍、密封件等）、液壓快速接頭（EDC/DC）以及彎頭等；為了確保這些部件在-196℃狀態下能保持相同的收縮率，必需在加工前期及加工過程在特定的低溫處理設備，按照OCMIF、BS 6364-1998《低溫閥門》和BS EN 1474-1-2008《LNG輸送臂》的標準要求進行2～3次的深冷處理，處理方案如下：

將需要深冷的零件放至裝有低溫容器中進行深冷處理，深冷處理溫度應低于使用溫度，冷處理分為冷卻、保溫和放冷三個階段進行，保冷1～2小時，然后將零件取出放冷至常溫，重復循環2次其結果符合BS EN 1474-1-2008要求。

2.3 LNG裝卸臂的旋轉接頭

2.3.1 旋轉接頭的結構分析。對旋轉接頭的軸對稱結構建模，研究在各種瞬態溫度荷載作用下它的性能。溫度荷載給出了隨時間變化的溫度分布和溫度應力。結果，對選擇的節點，溫度時程圖、von-Mises等效應力圖和相對軸向位移圖，很容易地顯示了冷卻過程中各個階段的不同，并幫助評估密封是否能保持產品在冷卻和加載期間的密封性。

為了讓旋轉接頭在整個裝卸過程中能保持干燥并旋轉靈活，改變其常溫操作的結構，增加氮氣吹掃系統，以便將在操作過程中產生的潮氣及水蒸汽帶走，防止結冰，無法轉動或損壞密封圈。

2.3.2 熱分析（冷卻的時間）。旋轉接頭的二維瞬態熱分析顯示了，由于相對的質量和構造，凸起部分比凹陷部分冷卻的更快。為了評估不同的冷卻選項，在最高應力部分上最大的Von-Mises等效應力圖被繪制，并在隨后的圖形中顯示。

紅色曲線：假設沒有進行冷卻處理就引入了液化天然氣液體，分析顯示了預先進行冷卻處理的必要性。對選擇的材料，應力超過了許用值。

藍色曲線：使用氮氣和液化天然氣蒸汽的混合物，進行2個小時的深冷卻處理（在現用的輸送臂上進行）。當進行純液化天然氣輸送時，在旋轉接頭產生的應力最小。

綠色曲線：一個小時的冷卻處理，包括首先進行15分鐘的氮氣和液化天然氣的混合物冷卻，隨后進行45分鐘的液化天然氣蒸汽冷卻。但是當進行液化天然氣輸送時，所產生的最大應力也會相應地增加大約20%。

粉紅色曲線：僅使用液化天然氣蒸汽進行1個小時的冷卻處理，此時得到的結果是最理想的。冷卻處理時間更快，然而初始的應力是最大，當進行液化天然氣輸送時，應力峰值只會比2個小時冷卻處理所引起的應力稍大。因此推薦使用此選項。

通過使用FEMAP軟件，計算機模擬設計，不但能夠證實或調整他們的設計，以確保使用最好的設計，而且也能夠給他們的客戶提供完全的信心——所采用的設計將提供無故障運轉以及延長使用期限。

2.3.3 低溫旋轉接頭試驗。

第一，在試驗溫度下，當旋轉接頭內允許溫差±5℃，充氮氣待壓力升至0.6MPa或更高的規定壓力下，電機轉動頻率為0.1赫茲，旋轉時進行泄漏試驗，試驗時間持續30分鐘，采用氣體定量測漏儀測量。

第二，旋轉接頭內部溫度降至規定溫度，放掉氮氣，充氦氣，待壓力升至規定壓力，試驗按HG/T 21608.6標準規定的方法，再按BS EN 1474-1-2008標準規定步驟分段進行試驗，該試驗應符合下列規定：（1）在1.5倍當量設計載荷加內部設計壓力下任一處壓潰寬度不得超過滾珠或滾柱直徑的8%；（2）在2倍當量設計載荷加內部設計壓力下旋轉接頭不應產生泄漏及泄壓；（3）對于常規液體作業，在3.5倍當量設計載荷下不產生任何結構失效破壞；（4）對于液化氣作業的旋轉接頭，在4倍當量設計載荷下不產生任何結構失效破壞，每1cm密封直徑上，在0℃0.1MPa時其泄漏率應不超過17.5cc/分鐘。采用氣體定量測漏儀測量。

2.4 低溫緊急脫離裝置

2.4.1 性能要求。

第一，對于液相式裝置應先關閉球閥，再松開夾緊機構以實現脫離。

第二，用于液相式裝置的球閥應在成裝前對殼體進行常溫條件下的強度和密封性試驗，試驗結果應符合BSEN1474-1-2008標準中要求；用于液相式裝置的球閥應在整體裝置成裝后在低溫條件下采用0.6MPa公稱壓力的氮氣進行密封試驗，保壓5分鐘，軟密封應無可見泄漏。

第三，用于氣相式裝置的閥門成裝前應進行常溫條件下的密封性試驗，試驗結果應符合GB/T13927要求；用于氣相式裝置的閥門組應在整體成裝后在低溫條件下采用0.6MPa公稱壓力的氮氣進行密封試驗，保壓5分鐘，應無可見泄漏。

第四，緊急脫離裝置夾緊機構采用彈性夾緊，夾緊應保證密封和鎖緊可靠；緊急脫離裝置成裝后應進行殼體常溫耐水壓試驗，試驗壓力為設計壓力的1.5倍，應無可見滲漏。

第五，在低溫條件下試驗緊急脫離過程的可靠性：（1）在實驗平臺上進行緊急脫離裝置的低溫試驗。分離試驗應至少重復3次，可靠性達100%；（2）先用氮氣檢驗緊急脫離裝置及試驗裝置無可見泄漏；（3）將液氮輸入緊急脫離裝置中，待溫度降至使用溫度，待壓力升至設計壓力時進行脫離試驗，脫開后的閥門密封面應無可見泄漏。

第六，常溫條件下試驗緊急脫離過程的可靠性：（1）在輸油臂上進行脫離試驗，當電液控制系統發生一級報警后，介質泵關閉，液壓泵啟動，系統轉為驅動狀態；（2）發生二級報警到裝置完全分離，時間應在5秒以內。響應時間需由供應商詳細計算后確定；（3）緊急脫離裝置分離后，裝卸臂的分離端立即開始上升，上升高度應在2m以上實現液壓制動。分離試驗應至少重復3次，可靠性達100%。

第七，緊急脫離接頭釋放機構在結冰的情況下蓄能系統應確保切實的脫離。

2.4.2 安裝要求。

第一，采用不銹鋼螺栓。

第二，擰緊螺栓時用力矩扳手，保持螺栓受力一致，力矩大小參照表1，過24小時再擰第二次。

第三，低溫試驗前用氮氣將閥腔、管道內脫脂并吹掃干凈。

2.4.3 低溫緊急脫離裝置試驗。

第一，對于液相式裝置的球閥殼體強度和密封性試驗：按GB/T13927的規定進行，低溫密封試驗采用保冷法。

第二，緊急脫離裝置的低溫分離試驗在試驗平臺上進行

2.5 EQC/DC《快速接頭》

2.5.1 產品用途及結構?？焖俳宇^是安裝在輸油臂末端，與槽船歧管法蘭聯接的裝置，它通過電氣控制系統控制液壓系統使輸油臂與槽船歧管法蘭實現自動、快速、可靠聯接。

其結構主要由閥體合件3、回轉支撐2、組合拉桿1、推桿5、加力彈簧6、卡爪7、液壓缸4、液壓系統和電器控制系統等九個主要零、部件組成。液壓系統、電氣控制系統附于輸油臂相關系統之中（見圖表1，圖中電氣液壓系統未繪制）。

2.5.2 快速聯接裝置工作原理。聯接裝置在電氣液壓系統的控制下，卡爪處在最大開啟狀態，用人工（或用遙控器）操縱快速接裝置將聯接裝置下端導向塊與槽船管線法蘭對正，使兩法蘭面貼緊。通過電液控制系統控制，啟動油缸推動回轉環旋轉，從而推動4個壓緊機構的上端一起旋轉，帶動壓緊機構推動卡爪繞銷軸轉動，使卡口貼緊槽船法蘭端面，回轉環的進一步旋轉引起壓緊機構彈簧的壓縮，使卡爪對法蘭端面產生壓緊力，當壓緊機構的軸線與閥體軸線重合時，彈簧載荷最大。當壓緊機構軸線相對卡爪稍過中心線3°～5°角（使壓緊機構處在自鎖狀態）時，回轉環停止旋轉。此時，彈簧產生的載荷，通過卡爪的卡口端面加在法蘭上的力≥法蘭在操作狀態下所需的密封圈的壓緊力與操作狀態下所需的螺栓載荷之和，整個鎖緊就完成了。在該位置回轉環將在機械式定位裝置下限制轉動。

當工作結束時，先關閉閥門，切斷槽船管線與輸油臂管線之間的介質流動，啟動旋轉油缸反方向推動回轉環旋轉，轉動初始，使彈簧卸載，繼續旋轉回轉環，通過壓緊機構帶動卡爪旋轉，使卡爪脫開并開到位。此時輸油臂帶動快速聯接裝置一起與槽船管線分離。

2.5.3 壓力等級應與裝卸臂壓力等級相同。

2.5.4 快換接頭的設計能適應集油管法蘭的公差帶，夾緊機構的設計必須完全滿足使用要求。

2.5.5 快換接頭的強度符合BSEN1474-1-2008標準中要求，即強度應根據內部設計壓力和由裝卸臂姿態、外部軸向載荷、彎曲扭矩和剪切載荷的最荷刻的組合下確定的最大設計當量載荷計算；在2倍的設計當量載荷加內部設計壓力下快換接頭不應泄漏、變形及失效。這應適用于在彎曲拉伸時使用最少的夾緊塊的情況。

2.5.6 快換接頭應提供機械鎖緊裝置以防止由于壓力或振動而意外松脫。鎖緊裝置的操縱應簡便易行。

2.5.7 快換接頭應有一個法蘭蓋，當用戶要求時法蘭蓋上可有一個螺紋孔并裝一螺塞。

2.5.8 連接法蘭、鎖緊件等在精加工前作兩次深冷處理。

2.5.9 快換接頭應在有試驗壓力及試驗負荷Pct情況下進行試驗。

以上結構的液壓快速接頭（DC/DC）由上海冠卓公司設計、生產制造，其結構較歐美國家FMC、SVT的結構簡單，經實踐證明不僅完全滿足各種溫度、各種工況下技術要求，而且操作方便、易維護。

2.6 低溫臂操作試驗

在LNG裝卸臂整體裝配完成后，需進行整機試驗，首先進行強度試驗（水壓試驗），試驗程序與常溫裝卸臂一致，在水壓試驗后所有零件均應干燥，運行操作之前應用氮氣或干燥的空氣進行皂泡檢漏試驗。試驗過程和結果應符合BSEN1474-1-2008標準的要求。然后進行旋轉接頭的氮氣吹掃系統應進行功能試驗。在裝卸臂豎立在試驗臺上時，進行如下試驗：

2.6.1 操縱試驗。

第一，裝卸臂包括液壓控制單元在裝卸臂豎立起來時進行下列試驗，其結果應符合BSEN1474-1-2008標準有關要求。

第二，試驗項目：（1）平衡試驗；（2）空載裝卸臂操縱到其包絡范圍內能達到的最大極限位置，包括在最高的槽船護攔上操作及在其維修位置，并應檢驗所有的報警設定；（3）如果有快換接頭，應當在正常操作條件下試驗釋放性能；（4）裝卸臂應當在空載及滿載時用假集油管模擬并在包絡范圍內移動進行階段報警和作緊急脫離的試驗；（5）在緊急脫離系統釋放后，滿載的裝卸臂應從抬起位置到收攏狀態且外臂應抬起高于水平線；（6）重新對接需在空臂時進行；（7）裝卸臂應從靜止位置進一步試驗：采用控制板上的按鈕；采用蓄能器模擬供電中斷。

第三，試驗應演示下列內容：完整的液壓系統；控制及報警系統；緊急脫離系統閥門及緊急脫離接頭動作時間；裝卸臂及緊急脫離系統的安全操作；各種聯鎖的操作；控制臺及遙控操作；在碼頭平面的作業包絡范圍；規格一致性檢驗；由蓄能器壓力下降及階段報警啟動的液壓泵自動運行

2.6.2 低溫試驗。

第一，進行低溫乙烯裝卸臂的試驗目的。檢驗LNG裝卸臂在規定低溫（-163℃）狀態下緊急脫離裝置能否安全脫離且雙球閥安全關閉，同時檢驗脫離整機的平衡狀態。

第二，低溫乙烯裝卸臂試驗步驟：（1）安裝液壓管線、電器控制及氮氣吹掃系統；（2）在功能性試驗滿足要求后，將裝卸臂調整至工作狀態（模擬），如下圖所示，安裝底部盲板法蘭、連接好集管法蘭、氮氣管線、液氮管線（與低溫槽罐車），并仔細檢查各接頭的連接是否可靠；（3）打開液氮罐閥門，將液氮從裝卸臂頂部入口法蘭處通到低溫整機的內部，然后將底部的排空閥門打開，保持開啟狀態，將乙烯臂整機進行低溫冷卻；（4）當溫度降至規定的試驗溫度（-163℃左右）、整機處于結霜狀態時，關液氮閥門，將裝卸臂設置為浮動狀態，然后人力或采用叉車分別按左、右及正前方拉動裝卸臂，檢驗在試驗溫度時裝卸臂是否能正常運動；（5）給緊急脫離裝置驅動信號，打開液壓泵站的電磁閥，使緊急脫離液壓缸開始工作，在推桿機構的作用下兩球閥關閉，然后脫離接頭夾緊機構打開，實現脫離裝置脫離，此時外臂應按規定上升，但很快處于平衡狀態；（6）脫離后的下球閥內部壓力快速上升，需立即打開脫離裝置下球閥處的排空閥門，排出液氮；（7）檢查脫離裝置雙球閥的關閉情況，并做好記錄；（8）低溫乙烯裝卸臂功能性及低溫脫離試驗結束，讓整機在常溫狀態下慢慢升溫至常溫。

3 結語

總上所述，我們與冠卓聯合技術開發小組是利用原有的常溫裝卸臂的技術為基礎，結合超低溫裝卸過程中對設備的要求，通過改變原主要部件的材質及進行特殊的工藝處理，對密封結構及性能的調整、使其完全滿足在超低溫狀態下的工作工況，獲得兩項專利，且經實踐證明其密封性及操作的靈活性超過了進口的歐美產品，而生產成本較進口產品低了許多，更重要的是令操作人員一直頭痛的服務問題徹底得到了保證。如果該裝卸臂在行業中落到實處地得到推廣的話，可實現節約成本、減少項目建設投資的目的，使作業的連續性、穩定性、安全性均得到保證。

參考文獻

[1] OCMIF.Design and Construction Specification for Marine Loading ArmsThird Edition.1999.

[2] BS EN 1474-1.Installation and Equipment for Liquid Nature Gas：Part1.2008.

作者簡介：王西超（1965-），男，河南南陽人，中石化天津液化天然氣有限責任公司高級工程師，研究方向：石油加工、液化天然氣等；徐杰（1966-），女，江蘇連云港人，上海冠卓企業發展有限公司工程師，研究方向：機械設計等。

（責任編輯：黃銀芳）