LNG加注設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研究

王為周 劉海鵬 張 兵 王建榮

（連云港遠(yuǎn)洋流體裝卸設(shè)備有限公司，江蘇 連云港 222062）

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境日益惡化，排放法規(guī)執(zhí)行得越來(lái)越嚴(yán)格，目前，液化天然氣LNG（Liquefied Natural Gas）作為一種清潔、高效、安全的能源，其推廣與使用有極為重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外除了汽車采用LNG 作為燃料外，輪船也逐步采用LNG 作為動(dòng)力燃料以取代汽油和柴油，LNG 燃料加注技術(shù)越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。目前，船舶LNG 加注方式主要有4 種[1]：槽車對(duì)船（TTS）、岸站對(duì)船（PTS）、便攜式液灌傳輸和船對(duì)船（STS）。與前三種加注方式比，LNG 船對(duì)船（STS）加注方式在充裝量和加注速度方面具有較強(qiáng)的靈活性，能夠在港口或海面操作，適用于多種船舶的燃料傳輸，其應(yīng)用前景和發(fā)展空間十分廣闊。該文主要針對(duì)船對(duì)船（STS）加注裝置中的幾個(gè)關(guān)鍵部件和系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)接頭是船對(duì)船（STS）加注裝置的關(guān)鍵部件。該部件必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)最重要的功能：一是能夠?qū)崿F(xiàn)360°自由旋轉(zhuǎn)，可保證加注設(shè)備在空間自由運(yùn)動(dòng)；二是密封性要好，要能夠保證在加注輸送LNG 時(shí)不泄露。為此，設(shè)計(jì)了如圖1所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)接頭采用滾珠軸承結(jié)構(gòu)形式，主要由夾套內(nèi)圈、外圈、法蘭、主密封圈、次級(jí)密封圈、氮?dú)饷芊馊?、低溫鋼球和不銹鋼連接螺栓等零件組成，是LNG 加注設(shè)備低溫管道系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。

圖1 旋轉(zhuǎn)接頭

采用雙滾道高密封性能結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外圈滾道采用高精度軸承結(jié)構(gòu)并經(jīng)金屬表面硬化處理。滾道腔體內(nèi)采用氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)，保證其腔體內(nèi)部不含有水蒸氣的成分。動(dòng)密封采用雙密封圈結(jié)構(gòu)形式，有效保證密封的可靠性。為保證機(jī)械結(jié)構(gòu)能滿足上述功能，在設(shè)計(jì)中，對(duì)所用材料進(jìn)行選擇，同時(shí)考慮了在材料加工前、加工中及焊接后的深冷處理等工藝，旋轉(zhuǎn)接頭的動(dòng)密封面及滾道經(jīng)過表面硬化處理，可以提高硬度，表面粗糙度可達(dá)Ra0.2～0.4，極大地延長(zhǎng)了動(dòng)密封面的密封性能和旋轉(zhuǎn)接頭整體的使用壽命，通過深冷工藝處理，以解決其在低溫下尺寸的穩(wěn)定性問題。

1.1 材料選擇

旋轉(zhuǎn)接頭材料選用：美標(biāo)牌號(hào)304/ 304L。

管道及管件材料選用：美標(biāo)牌號(hào)304L。

焊接材料選用：ER NiCrMo―3，為抗低溫冷脆性焊接材料。

1.2 深冷處理

通過材料在加工前、加工中以及焊接后的深冷處理，解決了其在低溫下尺寸的穩(wěn)定性問題，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。以LNG 加注臂關(guān)鍵部件—旋轉(zhuǎn)接頭中的鋼球?yàn)槔?/p>

鋼球尺寸：Φ9.525（材質(zhì)440C、9Cr18）

鋼球尺寸（未經(jīng)深冷處理）：9.540～9.550

鋼球尺寸（經(jīng)深冷處理）：9.524～9.526

深冷處理可以大幅度減少殘余奧氏體的含量。1）深冷處理關(guān)鍵部件的主要技術(shù)指標(biāo)如圖2 所示。2）材料深冷前后微觀組織對(duì)比。通過對(duì)深冷后加工前、后的材料的金相分析，可以發(fā)現(xiàn)加工后的材料微觀組織得到明顯改善，如圖3所示。3）材料深冷后摩擦性能。經(jīng)過深冷后的材料，經(jīng)過摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，其摩擦系數(shù)降低了8.6%，明顯改善了產(chǎn)品的耐磨性能，圖4 所示為試驗(yàn)工藝編號(hào)。

圖2 深冷處理關(guān)鍵部件的主要技術(shù)指標(biāo)

圖3 材料深冷前后微觀組織對(duì)比

圖4 試驗(yàn)工藝編號(hào)

2 拉斷閥設(shè)計(jì)

低溫拉斷閥[2]作為L(zhǎng)NG 加注裝置的保護(hù)閥，其作用是防止加注時(shí)拉斷裝卸管泄露，發(fā)生意外。傳統(tǒng)的拉斷閥采用螺栓緊固，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)拉不斷，甚至軟管斷了，拉斷閥還未斷的情況。為避免這種情況出現(xiàn)，該文對(duì)拉斷閥進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。新型拉斷閥由陽(yáng)閥、陰閥和固定端3 個(gè)部分構(gòu)成。

圖5 新型拉斷閥

陽(yáng)閥：與受注船的接口連在一起，拉斷后隨船被帶走。

陰閥：與軟管的旋轉(zhuǎn)接頭連在一起，拉斷后隨軟管主體留下。

固定端：通過鋼絲繩和短環(huán)鏈與加注船固定，調(diào)整拉繩的長(zhǎng)度，保障包絡(luò)安全。當(dāng)船舶超出許可范圍，斷開陰陽(yáng)閥。

在新型拉斷閥的試驗(yàn)裝置中進(jìn)行了各種工況下低溫密封性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求。

主要有以下4 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）密封可靠，在承插面處，采用了特殊材料和工藝制作的密封圈，密封可靠。2）防止意外斷裂，插接式結(jié)構(gòu)，可以承受剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲等所有非“拉”的力量，除“拉”以外，其他外力都無(wú)法使拉斷閥意外分離，脫離的上的持續(xù)拉力，把閥拉的位移一段距離后先撞斷安全銷，持續(xù)發(fā)力再把閥拉離一段距離才開始脫離。這樣的設(shè)計(jì)幾乎可以預(yù)防一切“意外”的斷裂情況。3）防火、防靜電設(shè)計(jì)，當(dāng)出現(xiàn)火情，主密封被燒掉以后，金屬材質(zhì)的閥芯在彈簧和介質(zhì)的推力下，依然與閥體之間可靠密封，以確?，F(xiàn)場(chǎng)安全。拉斷閥成裝后，任意位置電阻＜10Ω。4）復(fù)位簡(jiǎn)便，該拉斷閥配合專用復(fù)位機(jī)構(gòu)，無(wú)須更換配件，無(wú)須拆卸管線，在拉斷后可以快速、輕松復(fù)位。

3 緊急脫離裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船對(duì)船在海上加注，受氣相條件的影響較大，如風(fēng)力的變化、海流影響等會(huì)造成受注船、加注船的漂移、傾斜，扭轉(zhuǎn)等情況，使得船舶距離可能超出軟管的預(yù)留長(zhǎng)度，使軟管被拉斷損壞，造成事故。為避免這種危害，在金屬軟管一端（加注船上）設(shè)計(jì)了一種緊急脫離裝卸系統(tǒng)，當(dāng)加注長(zhǎng)度超過軟管的預(yù)留長(zhǎng)度時(shí)超，開啟脫離模式，先關(guān)斷液相/氣相出口和軟管出口，阻止液體/氣體外出，再進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)安全分離，防止事故發(fā)生。所設(shè)計(jì)緊急脫離裝卸系統(tǒng)由緊急脫離裝置液壓站、控制箱及管路等組成，如圖6 所示。

緊急脫離裝置液壓站由2 只球閥和夾緊裝置、油缸等組成。液壓站由蓄能器、油泵、電磁閥、壓力表等組成，主要為緊急脫離裝置的開啟提供動(dòng)力。

主要性能特點(diǎn)有7 個(gè)：1）完全符合OCIMF 及BS EN ISO16904 的建議。2）切斷閥采用輕型（減重）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3）在25mm 冰層的極端條件下工作。4）上下閥關(guān)閉后殘存液體少。5）控制系統(tǒng)安全完備并具有聯(lián)鎖功能。6）關(guān)閉/關(guān)閉閥門和打開夾頭有兩個(gè)油缸單獨(dú)執(zhí)行。7）控制箱為防爆控制箱，適合0 區(qū)防爆要求，防爆等級(jí)為dIIBT4，防護(hù)等級(jí)為IP55。

4 柔性軟管的設(shè)計(jì)

船用LNG 加注軟管的種類很多[3]，一般有波紋金屬軟管（真空絕熱）、復(fù)合軟管和 PVC 軟管等多種類型。但大多數(shù)軟管不適合低溫介質(zhì)使用。適合低溫使用的目前有2 種類型，包括真空絕熱軟管和低溫復(fù)合軟管。

4.1 真空絕熱軟管的特點(diǎn)

真空絕熱軟管的特點(diǎn)如下：1）采用雙層不銹鋼金屬軟管，夾層中添加專用多層絕熱復(fù)合材料并保持高真空狀態(tài)，因此保冷效果好，使用時(shí)軟管外表不結(jié)水，不結(jié)霜。2）彎曲半徑小，使用方便，長(zhǎng)度可根據(jù)用戶要求而定。3）可與真空管道連接。4）真空軟管兩端配以法蘭或?qū)Ｓ每焖俳宇^，與船舶相連。可減少槽車充排液體中的液體汽化損失。5）主要技術(shù)參數(shù)。工作壓力：2.0MPa。設(shè)計(jì)溫度：-197℃。使用介質(zhì)：LNG。管道冷損：0.5W/m～2W/m。夾層真空度：＜0.004Pa。使用環(huán)境溫度：-30℃～50℃。6）真空軟管通徑規(guī)格見表1。

表1 真空軟管規(guī)格

4.2 超低溫復(fù)合軟管的特點(diǎn)

超低溫復(fù)合軟管的特點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)：1）卓越的絕熱性能，可在23℃外部環(huán)境溫度下輸送-175℃ LNG。2）厚度均勻，熱阻相等。3）軟管組件電阻小于 10Ω/m。4）零滲透率。5）結(jié)構(gòu)組成：外層由多層尼龍編織，附加聚酯纖維編織和特殊雙向拉伸聚丙烯膜，保證在零下200℃的靈活性；加強(qiáng)層內(nèi)層和外層由316 不銹鋼螺旋鋼絲加強(qiáng)；內(nèi)層由聚全氟乙丙烯擠壓且覆蓋聚酯薄膜。

復(fù)合軟管的制造標(biāo)準(zhǔn)：EN 13766—2010 制造標(biāo)準(zhǔn)

EN ISO1402 軟管組件測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

EN ISO 8031：2009 軟管電阻和電導(dǎo)率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

AS 1180.13B 軟管總成電阻率測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)

AS 1180 .13C 軟管電氣連續(xù)性測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)

4.3 超低溫復(fù)合軟管選型參數(shù)

超低溫復(fù)合軟管選型參數(shù)見表2。

表2 參數(shù)選型

4.4 軟管的選取

根據(jù)課題組提出的加注船、受注船結(jié)構(gòu)尺寸及加注流量400m/H 的要求，同時(shí)綜合考慮船與船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、以及彎曲、受拉、操作中壓力和溫度的循環(huán)加載、老化、緊急脫斷、內(nèi)部壓力振蕩等效應(yīng)的累加軟管的使用壽命等的影響，該設(shè)計(jì)中選擇復(fù)合軟管作為加注管，其加注軟管的長(zhǎng)度取20m，口徑液相取DN150，BOG 氣相取DN100。

5 安全輔助設(shè)施的研究

LNG 加注安全隱患很多，如管路接頭、泵、軟管發(fā)生泄漏，外部沖擊等，因此必須采用安全輔助設(shè)施。該研究重點(diǎn)考慮了軟管防繞折護(hù)板及滑道的設(shè)計(jì)。

在船舷邊緣設(shè)置U 型護(hù)板，其彎曲度大于軟管最小允許使用曲率半徑，材料選用316L 不銹鋼，耐海洋性腐蝕。同時(shí)，可為緊急脫離脫開后，隨受注船的ERC，作為拖曳滑道，不與船體產(chǎn)生碰撞。

6 總結(jié)

該工作為前瞻性研究工作，由于LNG 燃料船對(duì)船加注具有快捷、高效的特點(diǎn)，不受專用碼頭限制，勢(shì)必會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。其加注設(shè)備的重要組成件柔性軟管，國(guó)內(nèi)還沒有生產(chǎn)廠家可提供超過DN150mm 的低溫軟管，制約了國(guó)產(chǎn)化率。建議可再進(jìn)一步調(diào)研國(guó)內(nèi)有實(shí)力的軟管廠家，協(xié)同攻關(guān)，解決柔性軟管國(guó)產(chǎn)化問題。