一種適用于LNG槽車的三爪快速連接裝置

劉 凱，宋新偉，胡旭杰，張曉東，李 馨

（1.中石化有限公司天津分公司，天津 300457；2.連云港杰瑞自動化有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引言

天然氣是公認的清潔能源，具有安全、高效、經濟和環保等特點，近年來，我國天然氣消費量急速攀升[1]。2009年-2019年，我國天然氣消費量從902億m3增長至3067億m3，年均增速高達13.0%[2]。據國際能源署的最新年度報告，預計到2025年，我國天然氣需求將增至4735億m3，2030年進一步增長至5734億m3，比2020年增長近70%，未來20年，我國對天然氣的巨大需求為天然氣相關行業的大發展創造了重要的機遇期[3]。隨著我國天然氣需求量的快速增長，僅靠管道氣已經不能滿足國內天然氣的消費增長[4]，大量的LNG需要進口，進口至國內的LNG運輸主要包含公路、鐵路、水路3種方式，目前國內LNG運輸以公路運輸中的槽車運輸為主[5]。此舉擴大了LNG接收站的輻射范圍，從而服務更多用戶[6]。隨著LNG需求的增加，接收站、應急儲備調峰站的數量和規模大幅增加，LNG槽車裝車臂的數量也將進一步擴大，研發適用于LNG槽車的快接裝置，能夠縮短連接時間，提高裝車的效率，將會具有廣闊的市場前景[7]。

目前，國內外的陸用裝車臂均采用松套法蘭與LNG槽車對接，存在操作困難、勞動強度大、耗時長、效率低等問題。船用裝卸軟管通常采用DCC干式接頭進行連接，如圖1所示，由于DCC干式接頭內部閥芯的存在[8]，使流道的流通截面積變小，增加了流動阻力，將DCC干式接頭用于陸用裝車臂后，存在流動阻力大、易泄漏、密封件更換麻煩等問題。

圖1 干式快速連接裝置工作原理

針對上述問題，開展適用于LNG槽車的快速對接技術研究，結合國內LNG接收站裝車臂的特點，設計一種適用于LNG槽車的三爪快速連接裝置（以下簡稱快接裝置），其管道內部為中空結構，不增加任何阻力，外部設置有導向裝置、鎖緊裝置和防松裝置，以便實現裝車臂與槽車的快速對位、快速鎖緊及防松動功能。

1 結構設計

1.1 設計內容

（1）根據LNG充裝站裝車時管道內LNG的溫度、壓力等參數確定設計工況：公稱直徑DN50，設計壓力1.6 MPa，設計溫度-196～+60℃，設計流量80 m3/h；（2）研究相關機械結構的設計理念和工作原理，結合裝車臂的使用環境、結構特點、LNG槽車接口形式等參數，確定快接裝置的結構形式；（3）再根據LNG槽車接口尺寸及裝車臂末端尺寸，對設計的快接裝置進行運動學分析、確保其在運動學上能夠滿足使用要求；（4）根據裝車時的工況，對設計的快接裝置進行受力分析和強度校核，確保其在結構強度上滿足使用要求并對設計的快接裝置進行強度試驗、氣密試驗及低溫試驗，以實踐的方式檢驗快接裝置的安全性、穩定性和可靠性性；（5）在以上步驟均達到相應要求后，在LNG接收站內進行試運行，以真實工況驗證快接裝置的實用性。

1.2 結構組成

快接裝置結構如圖2所示，安裝法蘭和對接法蘭固定在管道的兩端，管道上套接有外螺紋套筒，外螺紋套筒兩端設有隔冷墊圈和固定環，使得外螺紋套筒只能相對管道轉動而不能軸向移動。內螺紋套筒通過螺紋與外螺紋套筒配合，周向均布有3個支撐座，支撐座與傳動桿一端鉸接，傳動桿另一端與拉緊桿一端鉸接，拉緊桿末端固定有壓緊塊，中間與三足支撐座鉸接，三足支撐座固定在管道上。左側固定環上設有限位桿，用于對內螺紋套筒的周向轉動進行限制。在三足支撐座與限位桿的共同作用下，內螺紋套筒只能沿軸向移動，無法轉動。外螺紋套筒末端固定有手輪，人工可通過手輪帶動外螺紋套筒轉動，外螺紋套筒驅動內螺紋套筒沿軸向移動，通過傳動桿帶動拉緊桿的閉合或張開。

圖2 快接裝置結構

1.3 工作原理

本文所設計的快接裝置安裝在裝車臂末端，用于與LNG槽車對接。工作原理：安裝法蘭與裝車臂末端的松套法蘭連接。當需要將裝車臂與槽車對接時，首先逆時針（圖3）轉動手輪帶動外螺紋套筒轉動，外螺紋套筒通過螺紋驅動內螺紋套筒向右移動，通過傳動桿拉動拉緊桿張開，然后人工拉動裝車臂靠近LNG槽車法蘭接口，準備對接，如圖3所示，緩慢向左推動裝車臂，依靠導向柱的導向作用，使快接裝置運動至目標位置，此時對接法蘭與目標法蘭基本平行，密封墊片與目標法蘭之間的距離小于3 mm。然后順時針轉動手輪帶動外螺紋套筒轉動，外螺紋套筒通過螺紋驅動內螺紋套筒能向左移動，通過傳動桿推動拉緊桿閉合，拉緊桿帶動壓緊塊壓在目標法蘭的背部。由于目標法蘭固定在槽車上，無法移動，因此目標法蘭對壓緊塊的反作用力將通過快接裝置拉動裝車臂向左移動（圖4），從而完成裝車臂與槽車上目標法蘭對接。轉動手輪的力量越大，對接法蘭與目標法蘭壓得越緊，最終將密封墊片完全壓緊，實現密封效果。

圖3 快接裝置準備與目標法蘭對接

圖4 快接裝置與目標法蘭對接完成示意圖

1.4 結構特點

與松套法蘭連接方式和DCC干式快速接頭相比，本文研制的快接裝置具有以下特點。

（1）螺紋-連桿組合驅動機構

內、外螺紋套筒構成螺紋驅動機構，傳動桿、拉緊桿、支撐座及內螺紋套筒構成四連桿驅動機構，兩者通過內螺紋套筒連接在一起，共同組成快接裝置的驅動機構。這種組合驅動形式既有連桿機構良好的傳動性能，又有螺紋機構的自鎖功能，同時兼有省力的效果。

（2）自鎖功能

通過合理設計螺紋驅動機構，在滿足快速連接和省力的前提下，使螺紋升角ψ小于當量摩擦角ρ，則螺紋驅動機構滿足自鎖條件，當壓緊目標法蘭后，撤去壓緊力，快接機構仍能壓緊目標法蘭，不會出現松動泄漏情況。

（3）防震動功能

在內螺紋套筒周向均布若干小螺紋孔并擰上蝶形螺絲，連接完成后，擰緊蝶形螺絲，抵住外螺紋套筒，使內、外螺紋套筒無法相對運動，防止操作人員誤操作和裝車時震動引起連接松動，與螺紋的自鎖功能共同保證裝車流程穩定、可靠。

（4）與槽車直連功能

在LNG槽車接口法蘭附近空間允許的情況下，快接裝置能夠與LNG槽車法蘭直接對接，不需要先連接公頭。

且快接裝置管道內無其他結構，不會增加流動阻力，裝車流量為80 m3/h時，壓力損失小于10 kPa。而采用2英寸低溫干式快速接頭進行LNG裝車時壓力損失約為0.1～0.16 MPa。

因此快接裝置兼有松套法蘭結構流動阻力小和DCC干式接頭連接快的優點。

2 性能測試

2.1 強度校核

快接裝置在工作時主要受力部件為管道、傳動桿、拉緊桿、內外螺紋套筒，三足支撐座，材質均為S30408，經初步理論分析，其中受力情況最為惡劣是拉緊桿，采用有限元軟件對拉緊桿進行受力分析，計算其強度是否滿足使用要求。

邊界條件及網格劃分如圖5所示，左側安裝壓緊塊位置施加“固定”約束，中間鉸接孔施加“固定鉸鏈”約束，右側與傳動桿鉸接孔施加一個平行于傳動桿斜向上的力，根據設計壓力及連桿尺寸計算得到力的大小為700 N，計算結果如圖6所示，最大應力為56.6 MPa，小于許用應力，滿足強度要求。

圖5 快接裝置網格劃分及邊界條件

圖6 快接裝置應力分布云圖

2.2 連接試驗

快接裝置組裝完成后，進行連接試驗，檢驗各運動部件之間是否能夠靈活動作，是否能夠與目標法蘭按照設想的方式完成對接，連接試驗裝置如圖7所示，檢驗方法如下：（1）拉動裝車臂遠離目標法蘭，逆時針轉動手輪，觀察連桿是否帶動拉緊桿張開，然后順時針轉動手輪，觀察連桿是否帶動拉緊桿收緊；（2）逆時針轉動手輪，使連桿帶動拉緊桿張開；（3）拉動裝車臂，靠近目標法蘭，利用導向桿使對接法蘭與目標法蘭基本平行，且法蘭面之間的距離不大于3 mm；（4）順時針轉動手輪，使連桿帶動拉緊桿收緊，連接在拉緊桿末端的壓緊塊首先與目標法蘭接觸，然后從背部推動目標法蘭，帶動裝車臂運動，最終實現快接裝置與目標法蘭對接；經檢驗，各運動部件之間相對運動靈活，能夠實現快接裝置與目標法蘭對接，試驗合格。

圖7 連接試驗裝置

2.3 壓力試驗

為了驗證快接裝置的結構強度，開展壓力試驗。連接試驗合格后，向試驗裝置內充裝純凈水，重裝時應將試驗工裝1頂部的排氣管口打開以排凈滯留在管道內的空氣，當純凈水流出排氣管口后再關閉排氣管口，緩慢升壓至試驗壓力，保壓10 min，若壓力無下降，再將壓力降至設計壓力，保壓30 min。若試驗過程中快接裝置無泄漏，無可見變形，無異常響聲，則試驗合格。

2.4 氣密試驗

為了驗證快接裝置的密封性能，開展氣密試驗。壓力試驗合格后，將試驗裝置內的純凈水排放干凈，沖入干燥壓縮空氣，緩慢升壓至試驗壓力50%，保壓10 min，確認無異常、無泄漏后，繼續按試驗壓力10%逐級升壓，每級穩壓3 min，直至試驗壓力，用發泡劑檢驗有無泄漏。若試驗過程中無泄漏、無異常聲響，則試驗合格。

2.5 低溫試驗

為了驗證快接裝置在低溫條件下的強度和密封性能，開展低溫試驗。氣密試驗合格后，采用金屬軟管將試驗裝置1與試驗裝置2相連，如圖8所示，通過裝車臂向試驗裝置內充裝低溫氮氣，使試驗裝置內的溫度緩慢下降，直至-120℃，然后再向試驗裝置內充裝液氮，使溫度下降至-162℃以下。然后緩慢調節試驗裝置出口閥門的開度，使試驗裝置內部壓力緩慢升高，直至0.6 MPa，運行至少60 min。試驗過程中，若快接裝置無可見變形，連接處無泄漏，說明快接裝置在低溫條件下的強度和密封性能滿足使用要求。

圖8 低溫試驗裝置

3 應用情況

經過連接試驗、壓力試驗、氣密試驗與低溫試驗驗證合格后，將快接裝置帶到LNG充裝站進行試裝車，充分驗證快接裝置的實用性。

累計開展了60余次快接裝置現場試裝工作，完成LNG槽車充裝30車，連臂、斷臂時間由原6 min左右縮短為1.5 min，連接動作方便快捷，采用加力杠桿壓緊后，全程無泄漏，如圖9所示。裝車過程中流動阻力小，可忽略不計，裝車壓力0.5 MPa，與采用松套法蘭裝車基本相同，液相壓力、裝車流量等工藝參數符合設計要求。

圖9 快接裝置天津現場試運行

4 結束語

通過對快速對位技術、快速鎖緊技術和防松技術的研究，研發了一種適用于LNG槽車的三爪快速連接裝置，替代原來的松套法蘭與槽車對接，解決了裝車臂與槽車快速連接的難點，在LNG接收站進行過多次充裝，經實際驗證：其操作方便快捷，運行穩定可靠，流動阻力小，不僅能夠顯著縮短裝車臂與槽車的連接時間，提高裝車的效率，還大幅減輕了人工勞動強度，在不增加裝卸撬數量的情況下能夠提高接收站裝車的能力，給LNG接收站帶來可觀的經濟效益。而且其結構簡單，對法蘭密封面要求低，密封效果好，成本低廉，容易大規模推廣，具備較高的應用價值。