具有自動驗漏功能的快速連接裝置

胡旭杰， 宋新偉

（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[1]。 2009—2019 年我國天然氣消費量從902億立方米增長至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2030 年增長至5734 億立方米， 比2020 年增長近70%[3]。 隨著我國天然氣需求量的快速增長[4-7]，大量的LNG 需要進口，進口至國內的LNG 以公路運輸中的槽車運輸為主[8-9]，LNG 槽車運輸可將LNG 輸送到天然氣管網無法覆蓋的地區，是天然氣輸送的重要組成形式[10-12]。 在LNG 裝車站內，LNG 槽車需要通過裝車臂進行充裝。 因此，裝車臂的設計往往會影響槽車充裝過程效率， 進而影響整個裝車站LNG 外輸的能力[13-15]。第一臺國產LNG 裝車臂于2011 年在廣東大鵬LNG 接收站問世，經過十多年的發展，我國LNG 裝車撬的水平已與國外技術無差距，且部分技術領先于國外[16-17]，但仍存在自動化水平低等問題[18-19]，現有裝車臂均采用松套法蘭與LNG 槽車對接，每次連臂或拆臂均需要擰8 根螺栓，操作困難、勞動強度大、耗時長、效率低。而為了保證LNG 充裝過程的安全，每次連接完成后，均需要采用肥皂水檢測連接處是否泄漏，不僅操作麻煩而且接口下半部分不便觀察，在夜間，微小泄漏更難以發現。 在冬季，當溫度降低到0℃以下后，肥皂水容易結冰，難以使用。目前一名操作人員只能負責2～3 臺撬，裝車站需要配備大量的操作人員。

針對采用肥皂水驗漏存在的問題， 開展快速連接技術與高精度自動驗漏技術研究， 研發了一種具有自動驗漏功能的快速連接裝置（以下簡稱驗漏快接）代替裝車臂末端的松套法蘭與槽車對接。 主體為一根用于輸送LNG介質的管道，管道內部為中空結構，不增加阻力；外部設置有導向機構置、螺紋-連桿組合驅動機構，以便實現裝車臂與槽車的快速對位、快速連接功能[20－21]；在此基礎上還增加了高精度驗漏裝置和相關控制程序， 引入一股高壓氣體至對接板的密封面內， 通過測量氣體的壓力判斷連接處是否泄露，代替肥皂水對連接處進行驗漏，具有便于操作，可靠性高，受環境影響小等優點。

1 結構設計

1.1 設計依據及設計參數

充裝時，裝車臂內LNG 的溫度約為-160℃，壓力約為0.6MPa，流量約為60m3/h，綜合考慮裝車臂的使用條件、設計參數、安全系數等因素，確定快接裝置及驗漏系統的設計參數如下：公稱直徑DN50，設計壓力1.6MPa，設計溫度-196～+60°C，設計流量80m3/h，驗漏壓力0.6MPa，驗漏時間15s，驗漏精度200Pa。

1.2 結構組成

驗漏快接如圖1 所示， 具有快速連接功能和自動驗漏功能，管道一端與裝車臂末端相連，用于將快接裝置安裝在裝車臂上，另一端與對接板焊接，對接板用于與LNG槽車接口法蘭對接； 兩個支撐環固定在管道上的指定位置，用于支撐外螺紋套筒，使外螺紋套筒無法沿管道軸向移動，只能相對管道轉動；外螺紋套筒通過螺紋與內螺紋套筒配合運動，手輪焊接在外螺紋套筒上，通過手輪可帶動外螺紋套筒繞管道軸線轉動， 通過螺紋驅動內螺紋套筒沿管道軸線左右移動； 內螺紋套筒外側均勻分布四個連接臺，連接臺與傳動桿一端鉸接，傳動桿的另一端與壓緊桿的一端鉸接，壓緊桿中部與支撐座鉸接，另一端設有先向下再向后彎曲而成的小凸臺，用于對接時壓緊LNG 槽車接口法蘭；支撐座和導向桿固定在對接板上，支撐座用于支撐壓緊桿，使壓緊桿可以繞支撐座的安裝孔旋轉，導向桿焊接在對接板上，起到導向和保護壓緊桿的作用，密封墊片安裝在導向桿上并緊貼對接板的密封面， 材質為PTFE，具有良好的密封性能和耐低溫性能，且能夠重復使用。

圖1 驗漏快接結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the leak-detection-quick-connect device

對接板的前端面上設有環形凹槽， 后端面上設有與環形凹槽相通的測量孔，如圖2 所示，測量孔上連接有用于將氣體引入環形凹槽內的測量管。 測量管從兩個支撐環和外螺紋套筒與管道之間的縫隙穿過， 另一端與測量塊出口相連， 測量塊固定在管道上，測量塊包括入口、出口和測量口， 出口與測量管連接， 測量口連接有高精度壓力傳感器， 入口連接有用于控制氣體通斷的電磁閥。

圖2 對接板結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the docking board

1.3 工作原理

具有自動驗漏功能的快接裝置的工作過程分為連接和驗漏兩步， 連接是通過手輪帶動外螺紋套筒繞管道軸線轉動， 外螺紋套筒通過螺紋驅動內螺紋套筒沿管道軸線左右移動， 內螺紋套筒通過傳動桿帶動壓緊桿繞支撐座轉動， 使壓緊桿張開或閉合，實現快接裝置與槽車法蘭接口的斷開或連接。

連接完成后，自動開始驗漏，包括充氣、穩壓、測量三個過程，如圖3 所示。電磁閥接通后，通過測量管向對接板的環形凹槽內充入一股高壓氣體，充氣完成后，電磁閥關閉，穩壓一段時間后，根據壓差判斷連接處是否泄漏。

圖3 驗漏原理圖Fig.3 Leak detection schematic

1.4 工作流程

1.4.1 連接

首先逆時針轉動手輪， 使外螺紋套筒帶動內螺紋套筒向左運動， 通過傳動桿帶動壓緊桿張開， 讓出空間， 然后推動裝車臂使快接裝置上的密封墊片與槽車接口法蘭基本貼合， 最后順時針旋轉手輪， 使外螺紋套筒帶動內螺紋套筒向右運動，通過傳動桿帶動壓緊桿閉合，使壓緊桿另一端的凸臺壓緊LNG 槽車背部，如圖4 所示，由于LNG 槽車接口法蘭固定在槽車上， 無法移動， 因此LNG槽車接口法蘭對拉緊桿的反作用力將通過快速連接裝置拉動裝車臂向左移動，轉動手輪的力量越大，對接板與LNG 槽車接口法蘭壓得越緊，最終將密封墊片完全壓緊，實現密封。

圖4 驗漏快接與目標法蘭對接完成圖Fig.4 Leak-detection-quickconnect device connected with the target flange

1.4.2 驗漏

初始時，自動驗漏系統處于準備狀態，連接完成后，操作人員按下“啟動”按鈕開始自動驗漏，首先電磁閥打開，高壓氣體通過進氣管、測量塊、測量管進入對接板的環形凹槽內， 達到設定壓力后電磁閥自動關閉并進入穩壓階段， 穩壓一定時間后自動進入測量階段， 測量結束后，根據壓差△P 反饋測量結果，如圖5 所示。

圖5 自動驗漏系統反饋測量結果Fig.5 Automatic leak detection system feeds back the measurement results

2 應用情況

調試合格后， 在中國石化青島LNG 槽車充裝中心進行試運行以充分驗證其實用性，采用驗漏快接裝置進行了大量裝車臂連接及自動驗漏工作，如圖6 所示。 累計裝車百余輛，連接省時省力，操作便捷，自動驗漏結果準確可靠，正確率100%。 采用加力杠桿壓緊后，全程無泄露。液相壓力、裝車流量等工藝參數符合設計要求。與松套法蘭對比結果如表1 所示。

表1 驗漏快接與松套法蘭對比表Tab.1 The comparison table between leak-detection-quick-connect device and loose flange

圖6 驗漏快接試運行圖Fig.6 Operating diagram of the leak-detection-quickconnect device

從表中可以看出， 驗漏快接除具有自鎖功能、與槽車直連功能、流動阻力小、密封性能好、 對密封面要求低等優點外，還具有快速連接功能和自動驗漏功能，連接所需的扭矩由168.8Nm 減小至80Nm， 減小了52%，連接時間由120s縮短至30s， 減少了75%，驗漏時間由45s 縮短至10s，減少了78%，大大降低了勞動強度，提高了工作效率。

3 結論

驗漏快接輸送介質的管道內部為中空結構， 無閥芯不增加流動阻力，裝車過程流動阻力小，可忽略不計；采用螺紋-連桿機構進行傳動， 連接時具有良好的傳動性能，配合導向機構，連接過程方便快捷；螺紋機構具有自鎖功能，保證裝車過程運行穩定可靠；通過拉緊桿壓緊槽車法蘭背部實現密封，對密封面要求低；通過高精度壓力傳感器測壓法檢驗連接處是否泄露，檢驗過程簡單快速，檢驗結果準確可靠，受周圍環境影響小。

驗漏快接除具有松套法蘭的流動阻力小、 密封性能好、對密封面要求低等優點外，還增加了快速連接功能和自動驗漏功能。 采用驗漏快接代替松套法蘭與LNG 槽車對接，省去操作人員擰螺栓及用肥皂水驗漏工作，大大降低了勞動強度，提高了工作效率及裝車臂的自動化水平，為全自動裝車臂的研發積累了技術基礎。