低溫快速連接裝置的開發(fā)、試驗和研究

孟軍　馮是公

摘要：設(shè)計開發(fā)了一種快速連接裝置（QCDC），它是LNG船用裝卸臂和船上歧管法蘭對接的核心部件，安裝在裝卸臂的最末端。其工作原理是通過一個油缸驅(qū)動快速連接裝置外殼體上的卡爪同時抓緊船端歧管法蘭，實現(xiàn)裝卸臂和船歧管法蘭壓緊。相比較傳統(tǒng)裝卸臂法蘭連接，液壓快速連接裝置效率更高，省去了操作人員擰緊螺栓的操作，降低了工人的勞動強度，且工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：QCDC;LNG;船用裝卸臂;快速連接裝置

0 引言

快速連接裝置分為普通型和低溫型[1]。低溫型快速連接裝置適用于低溫乙烯、LNG等超低溫環(huán)境工況下的裝卸臂，由于工作溫度低而產(chǎn)生了一系列問題，比如冰凍、材料物理特性、隔冷、密封等，和普通型快速連接裝置是完全不一樣的。

本文研究的重點就是通過雙層絕熱原理來徹底解決這些問題，并進(jìn)行載荷測試，在低溫條件下對快速連接裝置施加設(shè)計當(dāng)量載荷，檢查快速連接裝置的表面絕熱性能，并保證卡爪能夠穩(wěn)定可靠地打開和夾緊。

1 結(jié)構(gòu)原理介紹

1.1? ? 低溫快速連接裝置

低溫快速連接裝置如圖1所示，其安裝在裝卸臂的三維接頭最末端位置，它在裝卸臂上的安裝位置如圖2所示。快速連接裝置和歧管法蘭連接后才可以進(jìn)行裝卸，并且連接位置不可以出現(xiàn)泄漏。采用該裝置只需通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動卡爪連接到船歧管法蘭并夾緊即可，降低了勞動強度，提高了工作效率。

1.2? ? 部件介紹

以ASME B16.5[2]的16寸150LBS全通徑QCDC快速連接裝置為例，其主要部件如圖3所示，主要分為驅(qū)動部分、主管線部分、回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)、彈簧壓緊機構(gòu)、卡爪機構(gòu)、導(dǎo)向裝置、絕熱裝置等。

1.3? ? 工作原理

快速連接裝置的工作狀態(tài)只有兩種：卡爪完全張開狀態(tài)（圖4）、卡爪完全夾緊狀態(tài)（圖5）。

當(dāng)卡爪處于完全張開狀態(tài)時，操作裝卸臂，使快速連接裝置可以和歧管法蘭的法蘭面接觸連接。液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓油缸的活塞桿慢慢收回，運動過程中，液壓油缸缸筒運動，活塞頭部固定。活塞桿收回，缸筒開始運動，則帶動回轉(zhuǎn)支承外圈旋轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)支承的外圈上均勻分布著8個彈簧壓緊機構(gòu)，彈簧壓緊機構(gòu)一端和回轉(zhuǎn)支承鉸接，另一端則和卡爪機構(gòu)鉸接。回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)到一定角度，開始推動彈簧壓緊機構(gòu)和卡爪，慢慢開始抓緊歧管法蘭，當(dāng)彈簧壓緊機構(gòu)的中心線和卡爪的中心線重合時，彈簧的載荷最大。此時若活塞繼續(xù)收回，當(dāng)活塞運動到底時，彈簧壓緊機構(gòu)的中心線超過卡爪的中心線（正常3°～5°），則壓緊機構(gòu)處于自鎖狀態(tài);此時若彈簧產(chǎn)生的載荷壓緊在卡爪機構(gòu)上，卡爪機構(gòu)將彈簧的壓緊力傳遞到法蘭的一圈邊緣上，則可以認(rèn)為快速連接裝置已經(jīng)正確壓緊。

快速連接裝置所有彈簧對歧管法蘭的壓緊合力必須要大于管道內(nèi)介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向力和外部的當(dāng)量載荷，通常假設(shè)壓緊力可以等效于標(biāo)準(zhǔn)法蘭螺栓的預(yù)緊力總和。

2 設(shè)計計算

2.1? ? 卡爪設(shè)計

根據(jù)ASME B16.5標(biāo)準(zhǔn)，16寸150LBS法蘭的螺栓數(shù)量是16支，規(guī)格是1″，總的預(yù)緊力是890 kN。

2.2? ? 彈簧設(shè)計

卡爪的受力分析如圖7所示。

卡爪的壓緊力F2=FK=111.25 kN，F(xiàn)2×L2=F1×L1。L2=80 mm，L1=220 mm，則F1≈40 kN。

在彈簧壓緊機構(gòu)夾緊狀態(tài)下，彈簧的壓緊力是40 kN。

壓縮彈簧的設(shè)計計算參考機械設(shè)計手冊，具體計算過程省略。

設(shè)計要求：安裝載荷F1=20 312 N;安裝高度H1=175 mm;工作載荷F2=45 000 N;工作行程h=25 mm;載荷作用次數(shù)N=10 000次;載荷類型Ntype=Ⅱ類。

彈簧材料：60Si2Mn，油淬回火硅錳合金彈簧鋼絲C類;切邊模量G=79 000 MPa;彈性模量E=206 000 MPa;抗拉強度σb=1 569 MPa;許用切應(yīng)力τb=690.36 MPa。

彈簧參數(shù)：鋼絲直徑d=22 mm;彈簧中徑D=80 mm;有效圈數(shù)n=4.5;壓并圈數(shù)n2=1.5;彈簧總?cè)?shù)n1=6;實際剛度k=1 015.6 N/mm。

2.3? ? 絕熱設(shè)計

低溫快速連接裝置的工作原理和普通快速連接裝置是一樣的，但長時間在超低溫環(huán)境下工作，由于低溫傳導(dǎo)，溫度低至-180～-150 ℃，快速連接裝置表面會產(chǎn)生很厚的冰層，冰層覆蓋卡爪和本體，彈簧壓緊機構(gòu)也可能因為低溫而凍裂彈簧，并且還會有回轉(zhuǎn)支承內(nèi)部輥道結(jié)冰無法運轉(zhuǎn)、密封件凍壞等情況。

低溫環(huán)境會直接影響材料的物理特性，故常溫環(huán)境使用的快速連接裝置結(jié)構(gòu)是不能使用在低溫快速連接裝置上的，需要進(jìn)一步改進(jìn)以解決回轉(zhuǎn)支承內(nèi)部輥道結(jié)冰、彈簧凍裂的問題，所以絕熱裝置是在超低溫環(huán)境應(yīng)用中保證快速連接裝置正常工作的重要一環(huán)。

參考低溫旋轉(zhuǎn)接頭的空腔絕熱結(jié)構(gòu)，在主管線與壓緊機構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承之間設(shè)計了絕熱空腔結(jié)構(gòu)，主管線和外層結(jié)構(gòu)不直接接觸，并且在空腔內(nèi)沖入干燥氮氣，通過氮氣將空腔內(nèi)的冷能帶出，連續(xù)裝卸的過程也不會影響外層結(jié)構(gòu)，壓緊機構(gòu)和回轉(zhuǎn)支承等結(jié)構(gòu)部件始終工作在常溫狀態(tài)。

絕熱空腔結(jié)構(gòu)如圖8所示。結(jié)構(gòu)部件和主管線之間有一層絕熱空腔結(jié)構(gòu)，絕熱空腔結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別通過隔冷支承塊支承。在絕熱空腔內(nèi)部一端充入常溫氮氣，一端排出氮氣，將空腔內(nèi)的低溫冷能帶出。

3 性能測試

根據(jù)BS EN ISO 16904： 2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，快速連接裝置的測試主要包括靜壓測試、強度測試、低溫分離性能測試，現(xiàn)通過FEA分析絕熱裝置的溫度分布及試驗臺進(jìn)行測試[4]。

3.1? ? 有限元分析

做FEA分析主要是計算快速連接裝置外筒的溫度分布，并確認(rèn)彈簧壓緊裝置、回轉(zhuǎn)支承等結(jié)構(gòu)件是否能在外筒的溫度分布下使用。

3.1.1? ? 材料特性

內(nèi)外筒的材料物理特性和中間空腔氣體特性如表1所示。

3.1.2? ? 模型和網(wǎng)格劃分

為降低計算復(fù)雜度和節(jié)約解算空間，對于對稱軸類模型只截取模型的1/4，從外部CAD軟件將模型簡化后導(dǎo)入到ANSYS Workbench V15.0 Steady-State Thermal模塊中。

建立快速連接裝置內(nèi)筒、外筒和中間空腔的溫度場模型，如圖9所示。

3.1.3? ? 邊界條件

邊界條件分別設(shè)置為內(nèi)筒內(nèi)表面溫度-165 ℃，外筒外表面換熱系數(shù)5×10-6 W/（mm2·℃），環(huán)境溫度常溫22 ℃，如圖10所示。

3.1.4? ? 計算結(jié)果

計算結(jié)果分別如圖11和圖12所示，分析結(jié)果顯示外筒最高溫度是16 ℃，可以適應(yīng)外部結(jié)構(gòu)件的使用環(huán)境。

3.2? ? 靜壓測試

對快速連接裝置進(jìn)行靜壓測試，測試報告如表2所示。

3.3? ? 低溫強度載荷測試[5]

載荷測試試驗臺如圖13所示。通過油缸的壓力調(diào)節(jié)改變對快速連接裝置施加的當(dāng)量載荷，16寸快速連接裝置的設(shè)計當(dāng)量載荷為40 000 N·m，按照2倍的安全系數(shù)測試，檢查快速連接裝置是否泄漏。

低溫強度載荷測試報告如表3所示。

3.4? ? 低溫分離測試

在低溫工況且施加了設(shè)計載荷的情況下，檢查快速連接裝置的卡爪是否能夠自由打開，打開過程是否平順無卡頓。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，卡爪的張開和夾緊時間應(yīng)在10～15 s。

低溫分離測試報告如表4所示。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了低溫快速連接裝置的基本原理，將雙層絕熱的空腔應(yīng)用到快速連接裝置上，并通過理論分析計算和試驗臺試驗來檢測低溫快速連接裝置的可靠性和穩(wěn)定性。試驗結(jié)果證明，此種結(jié)構(gòu)的快速連接裝置設(shè)計簡單，在可靠性和穩(wěn)定性方面能滿足裝卸臂的要求，具有非常高的應(yīng)用價值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 液體裝卸臂工程技術(shù)要求：HG/T 21608—2012[S].

[2] Pipe flanges and flanged fittings：ASME B16.5[S].

[3] 陳立德.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[4] Petroleum and natural gas industries—Design and testing of LNG marine transfer arms for convent-

ional onshore terminals：BS EN ISO 16904：2016[S].

[5] SIGTTO/OCIMF：Manifold recommendations for liquefied gas carriers[S].

收稿日期：2021-07-29

作者簡介：孟軍（1989—），男，江蘇建湖人，工程師，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。