船用LNG加注干式接頭性能試驗(yàn)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

劉鐵英，吳順平，吳笑風(fēng)，曾學(xué)兵，魏華興，吳永峰

（1. 中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第714研究所，北京 100101；3. 成都安迪生測(cè)量有限公司，成都 610200；4. 中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100081）

0 引言

干式接頭是一種安全連接設(shè)備。液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）加注干式接頭主要用于天然氣燃料船舶（以下簡(jiǎn)稱：LNG船）的燃料加注或傳輸管路，以最小的泄漏量來(lái)實(shí)現(xiàn)快速連接和脫離的功能，通常與拉斷閥配套使用。LNG加注干式接頭可取代原來(lái)的法蘭連接方式，提高作業(yè)效率。接頭配合連接的兩端都帶有自密封閥板，脫離后可實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉，有效地防止LNG燃料的泄漏，避免發(fā)生意外或?qū)Νh(huán)境造成污染[1]。

《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》（IGF規(guī)則）中明確規(guī)定天然氣燃料動(dòng)力船上加注站的接頭應(yīng)為干式接頭，并配備附加的安全干式拉斷閥，接頭應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)型[2]。實(shí)現(xiàn)干式的2種途徑，一是在斷開(kāi)連接之前進(jìn)行吹掃和惰化，該方法效率低下；二是使用干式接頭，安全高效。目前，國(guó)內(nèi)外LNG燃料加注船或加注躉船上已開(kāi)始配置干式接頭和拉斷閥。LNG加注干式接頭的需求量將大幅增加，應(yīng)用前景廣闊，目前，國(guó)內(nèi)外該產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中。

本文擬對(duì)國(guó)內(nèi)外LNG加注干式接頭的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。對(duì)干式接頭的工作原理、操作特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出產(chǎn)品的性能試驗(yàn)項(xiàng)目及具體要求和衡準(zhǔn)。對(duì)干式接頭性能試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)品的安全功能和試驗(yàn)技術(shù)提出要求，并對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21593的制定過(guò)程進(jìn)行闡述。

1 干式接頭工作原理

LNG加注干式接頭的母頭端（帶手柄側(cè)）安裝在加注軟管上，公頭端安裝在LNG動(dòng)力船側(cè)面加注管路上，當(dāng)需要加注時(shí)，將母頭端順時(shí)針旋進(jìn)公頭端，連接形成通路；裝卸完畢，逆時(shí)針轉(zhuǎn)出母頭，公、母頭自帶密封閥門(mén)；分開(kāi)時(shí)，兩端已形成自封閉狀態(tài)，防止液體流出，實(shí)現(xiàn)清潔環(huán)保的裝卸料過(guò)程。LNG干式接頭工作原理如圖1所示。

圖1 干式接頭工作原理

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

LNG加注干式接頭是一種高技術(shù)產(chǎn)品，由于其在承受低至-162℃超低溫的同時(shí)，還需滿足其密封性能與可靠性能，因此，這種接頭的制造難度極高，且長(zhǎng)期以進(jìn)口為主。近幾年，國(guó)內(nèi)通過(guò)引進(jìn)產(chǎn)品、消化吸收、自主研發(fā)等途徑，也逐漸具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，且部分相關(guān)廠家已具備生產(chǎn)能力。

2.1 國(guó)外產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，國(guó)外LNG加注干式接頭的主要制造廠有德國(guó)Roman Seliger、ARTA，瑞典Mann Tek、TODO，美國(guó)JC Carter，英國(guó)KLAW等。

2.1.1 羅曼塞立格（Roman Seliger）

羅曼塞立格（以下簡(jiǎn)稱：“RS”）的LNG加注接頭（TC系列）為手輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)式，見(jiàn)圖2。其主體材料采用316L不銹鋼，口徑范圍DN25（Φ32 mm）～DN100（Φ108 mm），適用介質(zhì)為液化天然氣（LNG）、液氮、液氧、液氬、液態(tài)甲烷、二氧化碳、低溫乙烯等工業(yè)氣體，工作溫度可低至-196℃。

圖2 TCCV/TCCA干式接頭產(chǎn)品

2.1.2 ARTA

ARTA的ASK-TT系列LNG干式接頭通過(guò)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成連接和斷開(kāi)的操作（向右轉(zhuǎn) 120°—連接并開(kāi)啟通路，向左轉(zhuǎn)120°—斷開(kāi)并關(guān)閉通路），如圖3所示。口徑范圍為DN25（Φ32 mm）～DN200（Φ219 mm），工作溫度可低至-200℃，適用介質(zhì)為L(zhǎng)NG、液氧、乙烯、丙烯、乙烷等。其母頭上的集成旋轉(zhuǎn)接頭可消除軟管的扭矩。

圖3 ASK-TT系列干式接頭產(chǎn)品

2.1.3 JC卡特（JC Carter）

JC Cartery的LNG加液槍采用雙把手剪刀式，有2種型號(hào)，如圖4所示。適用介質(zhì)為L(zhǎng)NG、甲烷和液氮，工作溫度為-196℃～＋50℃，主要用于汽車(chē)加液，可在5 min內(nèi)完成加液。

圖4 50GPM干式接頭產(chǎn)品

2.1.4 Mann Tek

Mann Tek的LNG干式接頭是最早用于船對(duì)船LNG燃料加注的，其用于全球第一艘LNG加注船Seagas對(duì)Viking Grace號(hào)的燃料加注。產(chǎn)品口徑范圍為DN25（Φ32 mm）～DN200（Φ219 mm），工作溫度可低至-200℃，如圖5所示。

圖5 DC Couplings干式接頭產(chǎn)品

2.1.5 克洛（KLAW）

KLAW的干式接頭口徑范圍為DN25（Φ32 mm）～DN150（Φ159 mm），主體材料為316L不銹鋼，操作手柄可選擇圓形或雙手柄設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品上的鎖定銷(xiāo)可有效防止由于軟管扭轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的泄漏。該接頭可與TODO、Mann Tek兼容，且適用于多種工業(yè)應(yīng)用中的各種流體。

圖6 Dry Break Couplers干式接頭產(chǎn)品

2.1.6 TODO

瑞典TODO隸屬于EMCO WHEATON，其干式接頭在世界各地應(yīng)用廣泛，TODO-MATIC接頭、TODO-GAS接頭和DRY-BREAK脫離閥可為用戶提供最廣泛的選擇和最好的保障。TODO的干式接頭（圖 7）尺寸為 1"～6"，工作溫度范圍為-20℃～＋80℃，不適用于LNG的傳輸。

2.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有批量生產(chǎn)LNG加注干式接頭的廠家，但已有幾家具備了LNG加注干式接頭的設(shè)計(jì)、制造能力。

圖7 TODO-GAS DRY-BREAK干式接頭產(chǎn)品

2.2.1 成都安迪生

成都安迪生測(cè)量有限公司已擁有陸用LNG干式接頭產(chǎn)品，型號(hào)為T(mén)605。該產(chǎn)品最大加注壓力為1.6 MPa，主要材質(zhì)為304L不銹鋼，工作溫度為-196℃～＋50℃，主要用于汽車(chē)加液。在此基礎(chǔ)上，該公司研發(fā)了船用LNG加注干式接頭，并完成了試樣制作，試樣口徑為DN50（Φ57 mm），如圖8所示。

圖8 DN50干式接頭試樣

2.2.2 杭州新亞

杭州新亞低溫科技有限公司的LNG加液槍主要用于LNG汽車(chē)加氣，其最大工作壓力1.7 MPa，口徑為39.5 mm，流量為189 L/min，可用于輸送LNG、液氮，產(chǎn)品如圖9所示。

圖9 LNG加液槍產(chǎn)品

2.2.3 富瑞特裝

張家港富瑞閥門(mén)有限公司的船用加液槍公稱壓力為4 MPa，口徑為DN50（Φ57 mm），工作溫度為-196℃～＋50℃，主體材料為不銹鋼，適用于LNG、N2等氣體或液體。如圖10所示。

圖10 50DCJ6NF干式接頭產(chǎn)品

2.2.4 三江航天

武漢三江航天遠(yuǎn)方科技有限公司目前已完成DN50（Φ57 mm）超低溫干式快速接頭的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，正在對(duì)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，接頭試樣見(jiàn)圖 11。該接頭主要用于船舶LNG加注，工作溫度為-196℃～＋85℃，該接頭的設(shè)計(jì)參數(shù)滿足ISO 21593的相關(guān)要求。

圖11 DN50干式接頭試樣

3 性能試驗(yàn)

LNG加注干式接頭對(duì)安全可靠性和密封性能的要求很高，不但需要耐超低溫的材料和嚴(yán)格的制造工藝以確保其密封性，而且要求能夠快速響應(yīng)。

因此，標(biāo)準(zhǔn)制定組從安全性、防泄漏、操作性等角度出發(fā)，委托成都安迪生測(cè)量有限公司對(duì)LNG加注干式接頭進(jìn)行了液壓試驗(yàn)、密性試驗(yàn)、操作試驗(yàn)、介質(zhì)沖擊試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)，以了解接頭的抗壓性能、密封性能、疲勞性能等。

試樣的主要參數(shù)如下：

公稱通徑：DN50（Φ57 mm）

設(shè)計(jì)壓力：1.6 MPa

適用溫度：-196℃～＋50℃

主要材質(zhì)：06Cr19Ni10

3.1 液壓試驗(yàn)

液壓試驗(yàn)方法如圖12和圖13所示，干式接頭公頭端與槍頭座連接，槍頭座端用盲板法蘭密封，干式接頭母頭端與工裝接頭連接，工裝接頭與電動(dòng)試壓泵連接。在干式接頭內(nèi)逐漸加大水壓，當(dāng)水壓達(dá)到2.4 MPa后穩(wěn)壓10 min，觀察產(chǎn)品有無(wú)損壞、變形、泄漏的情況。

圖12 液壓試驗(yàn)方案

圖13 液壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

液壓試驗(yàn)共進(jìn)行了 3次，試驗(yàn)結(jié)果均顯示產(chǎn)品無(wú)損壞、變形與泄漏。

3.2 密性試驗(yàn)

密性試驗(yàn)的裝置與液壓試驗(yàn)類(lèi)似，不同的是往接頭中充入的介質(zhì)是氮?dú)狻⒏墒浇宇^置于水中，待水面平靜后往接頭中充入氮?dú)猓龎毫Ψ謩e達(dá)到0.5 MPa和1.76 MPa時(shí)，對(duì)其穩(wěn)壓10 min，觀察水中有無(wú)氣泡產(chǎn)生。如圖14所示。

圖14 密性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在穩(wěn)壓期間，水中無(wú)氣泡產(chǎn)生，該產(chǎn)品密封性能合格。

3.3 操作試驗(yàn)

操作試驗(yàn)的方法如圖15所示，將槍頭座通過(guò)螺栓固定于操作平臺(tái)上，由人工握持干式接頭，重復(fù)操作干式接頭母頭和公頭的連接與斷開(kāi)，每 500次試驗(yàn)記錄一次公頭和母頭的磨損情況，共測(cè)試1 500次。

圖15 操作試驗(yàn)方案

由圖16可以看出，經(jīng)過(guò)1 500次操作后，母頭外圓出現(xiàn)輕微磨損，但不影響產(chǎn)品性能，3個(gè)軸承環(huán)位置無(wú)明顯損傷，公頭無(wú)明顯磨損痕跡。

3.4 介質(zhì)沖擊試驗(yàn)

介質(zhì)沖擊試驗(yàn)方法如圖17和圖18所示，該類(lèi)試驗(yàn)的介質(zhì)為液氮，介質(zhì)壓力為1.6 MPa，安全閥調(diào)定壓力為1.76 MPa，測(cè)試時(shí)間10 min/次，測(cè)試次數(shù)為3次。將干式接頭與測(cè)試工裝相連接，連接之后開(kāi)啟氮?dú)膺M(jìn)口閥門(mén)和放散閥門(mén)，以置換干式接頭和管路內(nèi)部的空氣，時(shí)間不少于2 min。置換完畢后，開(kāi)啟低溫緊急切斷閥和放散閥門(mén)，并對(duì)干式接頭進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷時(shí)間不少于30 min。預(yù)冷完成后，關(guān)閉放散閥門(mén)，控制低溫緊急切斷閥無(wú)規(guī)則開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)液氮對(duì)干式接頭的無(wú)規(guī)律沖擊。

圖16 操作試驗(yàn)結(jié)果

圖17 介質(zhì)沖擊試驗(yàn)方案

圖18 介質(zhì)沖擊試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3次試驗(yàn)結(jié)果均顯示產(chǎn)品無(wú)損壞、變形、泄漏。

3.5 爆破試驗(yàn)

爆破試驗(yàn)的裝置與介質(zhì)沖擊試驗(yàn)相同，見(jiàn)圖19。試驗(yàn)介質(zhì)為液氮，介質(zhì)增壓方式為氮?dú)庠鰤海簤毫? MPa，安全閥調(diào)定壓力為8.8 MPa，保壓時(shí)間10 min，測(cè)試次數(shù)為3次。試驗(yàn)中，置換和預(yù)冷步驟與介質(zhì)沖擊試驗(yàn)相同，預(yù)冷完成后關(guān)閉放散閥門(mén)和低溫緊急切斷閥，開(kāi)啟氮?dú)膺M(jìn)口閥，并將氮?dú)鈮毫φ{(diào)節(jié)至8 MPa，保壓10 min以觀察干式接頭有無(wú)損壞、變形、泄漏等情況。3次試驗(yàn)結(jié)果均顯示產(chǎn)品無(wú)損壞、變形、泄漏。

圖19 爆破試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4 標(biāo)準(zhǔn)制定歷程

隨著IGF規(guī)則的強(qiáng)制生效，為了推進(jìn)船舶使用LNG作為燃料并確保加注作業(yè)的安全，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）建議國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）制定有關(guān)LNG加注干式接頭的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)歐盟、工業(yè)界均建議ISO能夠制定統(tǒng)一的接頭標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)LNG燃料動(dòng)力船可在全球港口接受加注服務(wù)。

2016年初，中國(guó)船級(jí)社聯(lián)合中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院和中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所向國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)和 ISO/TC 8提交制定LNG加注干式快速接頭國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)申請(qǐng)，并起草了標(biāo)準(zhǔn)大綱。2016年7月，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的投票期表態(tài)，最終以10票支持和8個(gè)成員國(guó)愿意派專家參與的高通過(guò)率立項(xiàng)成功，項(xiàng)目編號(hào)為ISO 21593，來(lái)自中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所的吳順平擔(dān)任本項(xiàng)目組長(zhǎng)。2016年11月，吳順平組長(zhǎng)帶領(lǐng)內(nèi)部技術(shù)團(tuán)隊(duì)編制了第一版工作草案（working draft），隨后開(kāi)始在WG8工作組（liquid and gas fuelled vessels）進(jìn)行討論，順利完成了3輪征求意見(jiàn)和研討，處理了300余項(xiàng)反饋意見(jiàn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案起到了輸入大量信息的作用。

2017年9月，該標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目在法國(guó)巴黎召開(kāi)了第1次工作組會(huì)議。來(lái)自歐美國(guó)家主要快速接頭制造廠、船級(jí)社和航運(yùn)公司等共11名專家參加了本次會(huì)議，會(huì)議圍繞接頭型式與尺寸、性能試驗(yàn)等要求進(jìn)行了深入討論，針對(duì)不同廠家產(chǎn)品存在不兼容的焦點(diǎn)問(wèn)題，在項(xiàng)目組長(zhǎng)的引導(dǎo)下，最終以現(xiàn)場(chǎng)表決方式通過(guò)了推薦的統(tǒng)一接頭型式，體現(xiàn)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中的公平、公正和公開(kāi)的原則。

經(jīng)過(guò)工作組前期的多輪討論和修訂，2018年 3月，該標(biāo)準(zhǔn)順利通過(guò)了技術(shù)委員會(huì)階段投票（committee draft stage），與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外部分制造廠開(kāi)始采用ISO/CD 21593作為L(zhǎng)NG加注接頭的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并按此進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)，以確保產(chǎn)品在該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后能及時(shí)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。2018年7月，吳順平組長(zhǎng)在美國(guó)紐瓦克召開(kāi)了本項(xiàng)目的第2次工作組會(huì)議，來(lái)自USCG、SGMF、Shell、International Registries等國(guó)際組織和企業(yè)的14名專家參加了本次會(huì)議，會(huì)議圍繞 CD階段收集的115條意見(jiàn)和處理情況進(jìn)行了詳細(xì)討論，進(jìn)一步鞏固了兼容性接頭的尺寸方案。

2018年12月，該標(biāo)準(zhǔn)以92%的支持率順利通過(guò)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草稿階段（draft international standard），同時(shí)收到了一些編輯性修改意見(jiàn)。經(jīng)評(píng)估DIS投票意見(jiàn)和修訂完善標(biāo)準(zhǔn)草案，并與ISO/TC 8主席、中央秘書(shū)處、WG8召集人協(xié)商，一致同意本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入出版階段，且符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的制定程序。2019年3月，該標(biāo)準(zhǔn)草案及相關(guān)材料已上傳到ISO工作平臺(tái)，經(jīng)中央秘書(shū)處排版和校對(duì)后，預(yù)計(jì)今年 7月正式發(fā)布，屆時(shí)將進(jìn)一步推動(dòng)水上LNG燃料的加注安全與高效發(fā)展。

5 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

ISO 21593《船舶與海洋技術(shù)—液化天然氣加注干式接頭的技術(shù)要求》針對(duì)用于LNG燃料加注的液化天然氣干式接頭，提出了設(shè)計(jì)、安全性和功能的最低要求，規(guī)定了檢查和試驗(yàn)程序。旨在為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為制造廠獲得產(chǎn)品認(rèn)可提供指導(dǎo)，為L(zhǎng)NG燃料動(dòng)力船加注提供兼容接頭型式以確保加注作業(yè)安全。

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容主要包括一般要求（設(shè)計(jì)要求、功能要求）、材料要求、構(gòu)造要求（兼容性設(shè)計(jì)）和試驗(yàn)要求。

1）LNG干式接頭應(yīng)按照承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最小設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，考慮低溫試驗(yàn)及船舶暖艙等操作，接頭設(shè)計(jì)溫度范圍為-196℃～＋85℃。功能上應(yīng)實(shí)現(xiàn)在所有工作條件下保持密性，無(wú)需輔助可進(jìn)行手動(dòng)連接和斷開(kāi)，在一定結(jié)冰程度下能實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)連接，操作中不會(huì)在加注系統(tǒng)上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷等。

2）選用材料應(yīng)適用于-196℃～＋85℃的設(shè)計(jì)溫度范圍。接頭本體需采用經(jīng)固溶處理的F316不銹鋼鍛鋼或同等級(jí)別材料，其他附件材料均應(yīng)適用于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)壓力和溫度。

3）為保證接頭的兼容性，公頭、母頭的對(duì)接端部應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，連接加注系統(tǒng)的端部均應(yīng)采用法蘭連接。公頭及法蘭端面如圖20所示，具體尺寸見(jiàn)表1。

圖20 公頭類(lèi)型和尺寸（單位：mm）

4）產(chǎn)品在批量生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行型式試驗(yàn)，包括常溫密封性試驗(yàn)、低溫密封性試驗(yàn)、液壓試驗(yàn)、介質(zhì)沖擊試驗(yàn)、導(dǎo)電率試驗(yàn)、破冰試驗(yàn)、抗彎試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、操作試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)。對(duì)于批量生產(chǎn)的接頭，在交付客戶之前應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試，至少包括常溫密封性試驗(yàn)、低溫密封性試驗(yàn)和介質(zhì)沖擊試驗(yàn)。

6 結(jié)論

LNG加注干式接頭的研制與生產(chǎn)，在國(guó)外已有十幾年的歷史，具有一定的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，但由于接頭端面尺寸的差異，仍存在不同廠家產(chǎn)品之間不兼容的情況。我國(guó)對(duì)于該產(chǎn)品的研發(fā)仍處于起步階段。

ISO 21593的制定，統(tǒng)一了LNG加注干式接頭的公頭端面尺寸（表1和表2），解決了該產(chǎn)品的兼容性問(wèn)題。

表1 公頭端面尺寸1（單位：mm）

該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)發(fā)布后，將解決目前全球無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依的現(xiàn)狀，可為L(zhǎng)NG加注干式接頭產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)提供規(guī)范化指導(dǎo)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也將與ISO標(biāo)準(zhǔn)同步推出，對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)LNG加注干式接頭的快速發(fā)展、提高國(guó)產(chǎn)品牌整體實(shí)力具有重要的意義。

表2 公頭端面尺寸2（單位：mm）