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(dòng)化有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引言

天然氣是公認(rèn)的清潔能源，具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等特點(diǎn)，近年來(lái)，我國(guó)天然氣消費(fèi)量急速攀升[1]。2009年-2019年，我國(guó)天然氣消費(fèi)量從902億m3增長(zhǎng)至3067億m3，年均增速高達(dá)13.0%[2]。據(jù)國(guó)際能源署的最新年度報(bào)告，預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)天然氣需求將增至4735億m3，2030年進(jìn)一步增長(zhǎng)至5734億m3，比2020年增長(zhǎng)近70%，未來(lái)20年，我國(guó)對(duì)天然氣的巨大需求為天然氣相關(guān)行業(yè)的大發(fā)展創(chuàng)造了重要的機(jī)遇期[3]。隨著我國(guó)天然氣需求量的快速增長(zhǎng)，僅靠管道氣已經(jīng)不能滿足國(guó)內(nèi)天然氣的消費(fèi)增長(zhǎng)[4]，大量的LNG需要進(jìn)口，進(jìn)口至國(guó)內(nèi)的LNG運(yùn)輸主要包含公路、鐵路、水路3種方式，目前國(guó)內(nèi)LNG運(yùn)輸以公路運(yùn)輸中的槽車運(yùn)輸為主[5]。此舉擴(kuò)大了LNG接收站的輻射范圍，從而服務(wù)更多用戶[6]。隨著LNG需求的增加，接收站、應(yīng)急儲(chǔ)備調(diào)峰站的數(shù)量和規(guī)模大幅增加，LNG槽車裝車臂的數(shù)量也將進(jìn)一步擴(kuò)大，研發(fā)適用于LNG槽車的快接裝置，能夠縮短連接時(shí)間，提高裝車的效率，將會(huì)具有廣闊的市場(chǎng)前景[7]。

目前，國(guó)內(nèi)外的陸用裝車臂均采用松套法蘭與LNG槽車對(duì)接，存在操作困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低等問(wèn)題。船用裝卸軟管通常采用DCC干式接頭進(jìn)行連接，如圖1所示，由于DCC干式接頭內(nèi)部閥芯的存在[8]，使流道的流通截面積變小，增加了流動(dòng)阻力，將DCC干式接頭用于陸用裝車臂后，存在流動(dòng)阻力大、易泄漏、密封件更換麻煩等問(wèn)題。

圖1 干式快速連接裝置工作原理

針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展適用于LNG槽車的快速對(duì)接技術(shù)研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)LNG接收站裝車臂的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于LNG槽車的三爪快速連接裝置（以下簡(jiǎn)稱快接裝置），其管道內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，不增加任何阻力，外部設(shè)置有導(dǎo)向裝置、鎖緊裝置和防松裝置，以便實(shí)現(xiàn)裝車臂與槽車的快速對(duì)位、快速鎖緊及防松動(dòng)功能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

（1）根據(jù)LNG充裝站裝車時(shí)管道內(nèi)LNG的溫度、壓力等參數(shù)確定設(shè)計(jì)工況：公稱直徑DN50，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度-196～+60℃，設(shè)計(jì)流量80 m3/h；（2）研究相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和工作原理，結(jié)合裝車臂的使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、LNG槽車接口形式等參數(shù)，確定快接裝置的結(jié)構(gòu)形式；（3）再根據(jù)LNG槽車接口尺寸及裝車臂末端尺寸，對(duì)設(shè)計(jì)的快接裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、確保其在運(yùn)動(dòng)學(xué)上能夠滿足使用要求；（4）根據(jù)裝車時(shí)的工況，對(duì)設(shè)計(jì)的快接裝置進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核，確保其在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上滿足使用要求并對(duì)設(shè)計(jì)的快接裝置進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)及低溫試驗(yàn)，以實(shí)踐的方式檢驗(yàn)快接裝置的安全性、穩(wěn)定性和可靠性性；（5）在以上步驟均達(dá)到相應(yīng)要求后，在LNG接收站內(nèi)進(jìn)行試運(yùn)行，以真實(shí)工況驗(yàn)證快接裝置的實(shí)用性。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

快接裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，安裝法蘭和對(duì)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(shè)有隔冷墊圈和固定環(huán)，使得外螺紋套筒只能相對(duì)管道轉(zhuǎn)動(dòng)而不能軸向移動(dòng)。內(nèi)螺紋套筒通過(guò)螺紋與外螺紋套筒配合，周向均布有3個(gè)支撐座，支撐座與傳動(dòng)桿一端鉸接，傳動(dòng)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(cè)固定環(huán)上設(shè)有限位桿，用于對(duì)內(nèi)螺紋套筒的周向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行限制。在三足支撐座與限位桿的共同作用下，內(nèi)螺紋套筒只能沿軸向移動(dòng)，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。外螺紋套筒末端固定有手輪，人工可通過(guò)手輪帶動(dòng)外螺紋套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，外螺紋套筒驅(qū)動(dòng)內(nèi)螺紋套筒沿軸向移動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)桿帶動(dòng)拉緊桿的閉合或張開(kāi)。

圖2 快接裝置結(jié)構(gòu)

1.3 工作原理

本文所設(shè)計(jì)的快接裝置安裝在裝車臂末端，用于與LNG槽車對(duì)接。工作原理：安裝法蘭與裝車臂末端的松套法蘭連接。當(dāng)需要將裝車臂與槽車對(duì)接時(shí)，首先逆時(shí)針（圖3）轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)外螺紋套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，外螺紋套筒通過(guò)螺紋驅(qū)動(dòng)內(nèi)螺紋套筒向右移動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)桿拉動(dòng)拉緊桿張開(kāi)，然后人工拉動(dòng)裝車臂靠近LNG槽車法蘭接口，準(zhǔn)備對(duì)接，如圖3所示，緩慢向左推動(dòng)裝車臂，依靠導(dǎo)向柱的導(dǎo)向作用，使快接裝置運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置，此時(shí)對(duì)接法蘭與目標(biāo)法蘭基本平行，密封墊片與目標(biāo)法蘭之間的距離小于3 mm。然后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)外螺紋套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，外螺紋套筒通過(guò)螺紋驅(qū)動(dòng)內(nèi)螺紋套筒能向左移動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)桿推動(dòng)拉緊桿閉合，拉緊桿帶動(dòng)壓緊塊壓在目標(biāo)法蘭的背部。由于目標(biāo)法蘭固定在槽車上，無(wú)法移動(dòng)，因此目標(biāo)法蘭對(duì)壓緊塊的反作用力將通過(guò)快接裝置拉動(dòng)裝車臂向左移動(dòng)（圖4），從而完成裝車臂與槽車上目標(biāo)法蘭對(duì)接。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的力量越大，對(duì)接法蘭與目標(biāo)法蘭壓得越緊，最終將密封墊片完全壓緊，實(shí)現(xiàn)密封效果。

圖3 快接裝置準(zhǔn)備與目標(biāo)法蘭對(duì)接

圖4 快接裝置與目標(biāo)法蘭對(duì)接完成示意圖

1.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(diǎn)。

（1）螺紋-連桿組合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

內(nèi)、外螺紋套筒構(gòu)成螺紋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)桿、拉緊桿、支撐座及內(nèi)螺紋套筒構(gòu)成四連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩者通過(guò)內(nèi)螺紋套筒連接在一起，共同組成快接裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種組合驅(qū)動(dòng)形式既有連桿機(jī)構(gòu)良好的傳動(dòng)性能，又有螺紋機(jī)構(gòu)的自鎖功能，同時(shí)兼有省力的效果。

（2）自鎖功能

通過(guò)合理設(shè)計(jì)螺紋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在滿足快速連接和省力的前提下，使螺紋升角ψ小于當(dāng)量摩擦角ρ，則螺紋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足自鎖條件，當(dāng)壓緊目標(biāo)法蘭后，撤去壓緊力，快接機(jī)構(gòu)仍能壓緊目標(biāo)法蘭，不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)泄漏情況。

（3）防震動(dòng)功能

在內(nèi)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(nèi)、外螺紋套筒無(wú)法相對(duì)運(yùn)動(dòng)，防止操作人員誤操作和裝車時(shí)震動(dòng)引起連接松動(dòng)，與螺紋的自鎖功能共同保證裝車流程穩(wěn)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(duì)接，不需要先連接公頭。

且快接裝置管道內(nèi)無(wú)其他結(jié)構(gòu)，不會(huì)增加流動(dòng)阻力，裝車流量為80 m3/h時(shí)，壓力損失小于10 kPa。而采用2英寸低溫干式快速接頭進(jìn)行LNG裝車時(shí)壓力損失約為0.1～0.16 MPa。

因此快接裝置兼有松套法蘭結(jié)構(gòu)流動(dòng)阻力小和DCC干式接頭連接快的優(yōu)點(diǎn)。

2 性能測(cè)試

2.1 強(qiáng)度校核

快接裝置在工作時(shí)主要受力部件為管道、傳動(dòng)桿、拉緊桿、內(nèi)外螺紋套筒，三足支撐座，材質(zhì)均為S30408，經(jīng)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(duì)拉緊桿進(jìn)行受力分析，計(jì)算其強(qiáng)度是否滿足使用要求。

邊界條件及網(wǎng)格劃分如圖5所示，左側(cè)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(cè)與傳動(dòng)桿鉸接孔施加一個(gè)平行于傳動(dòng)桿斜向上的力，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力及連桿尺寸計(jì)算得到力的大小為700 N，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，最大應(yīng)力為56.6 MPa，小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 快接裝置網(wǎng)格劃分及邊界條件

圖6 快接裝置應(yīng)力分布云圖

2.2 連接試驗(yàn)

快接裝置組裝完成后，進(jìn)行連接試驗(yàn)，檢驗(yàn)各運(yùn)動(dòng)部件之間是否能夠靈活動(dòng)作，是否能夠與目標(biāo)法蘭按照設(shè)想的方式完成對(duì)接，連接試驗(yàn)裝置如圖7所示，檢驗(yàn)方法如下：（1）拉動(dòng)裝車臂遠(yuǎn)離目標(biāo)法蘭，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，觀察連桿是否帶動(dòng)拉緊桿張開(kāi)，然后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，觀察連桿是否帶動(dòng)拉緊桿收緊；（2）逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使連桿帶動(dòng)拉緊桿張開(kāi)；（3）拉動(dòng)裝車臂，靠近目標(biāo)法蘭，利用導(dǎo)向桿使對(duì)接法蘭與目標(biāo)法蘭基本平行，且法蘭面之間的距離不大于3 mm；（4）順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使連桿帶動(dòng)拉緊桿收緊，連接在拉緊桿末端的壓緊塊首先與目標(biāo)法蘭接觸，然后從背部推動(dòng)目標(biāo)法蘭，帶動(dòng)裝車臂運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)快接裝置與目標(biāo)法蘭對(duì)接；經(jīng)檢驗(yàn)，各運(yùn)動(dòng)部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)快接裝置與目標(biāo)法蘭對(duì)接，試驗(yàn)合格。

圖7 連接試驗(yàn)裝置

2.3 壓力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證快接裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，開(kāi)展壓力試驗(yàn)。連接試驗(yàn)合格后，向試驗(yàn)裝置內(nèi)充裝純凈水，重裝時(shí)應(yīng)將試驗(yàn)工裝1頂部的排氣管口打開(kāi)以排凈滯留在管道內(nèi)的空氣，當(dāng)純凈水流出排氣管口后再關(guān)閉排氣管口，緩慢升壓至試驗(yàn)壓力，保壓10 min，若壓力無(wú)下降，再將壓力降至設(shè)計(jì)壓力，保壓30 min。若試驗(yàn)過(guò)程中快接裝置無(wú)泄漏，無(wú)可見(jiàn)變形，無(wú)異常響聲，則試驗(yàn)合格。

2.4 氣密試驗(yàn)

為了驗(yàn)證快接裝置的密封性能，開(kāi)展氣密試驗(yàn)。壓力試驗(yàn)合格后，將試驗(yàn)裝置內(nèi)的純凈水排放干凈，沖入干燥壓縮空氣，緩慢升壓至試驗(yàn)壓力50%，保壓10 min，確認(rèn)無(wú)異常、無(wú)泄漏后，繼續(xù)按試驗(yàn)壓力10%逐級(jí)升壓，每級(jí)穩(wěn)壓3 min，直至試驗(yàn)壓力，用發(fā)泡劑檢驗(yàn)有無(wú)泄漏。若試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)泄漏、無(wú)異常聲響，則試驗(yàn)合格。

2.5 低溫試驗(yàn)

為了驗(yàn)證快接裝置在低溫條件下的強(qiáng)度和密封性能，開(kāi)展低溫試驗(yàn)。氣密試驗(yàn)合格后，采用金屬軟管將試驗(yàn)裝置1與試驗(yàn)裝置2相連，如圖8所示，通過(guò)裝車臂向試驗(yàn)裝置內(nèi)充裝低溫氮?dú)?，使試?yàn)裝置內(nèi)的溫度緩慢下降，直至-120℃，然后再向試驗(yàn)裝置內(nèi)充裝液氮，使溫度下降至-162℃以下。然后緩慢調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置出口閥門(mén)的開(kāi)度，使試驗(yàn)裝置內(nèi)部壓力緩慢升高，直至0.6 MPa，運(yùn)行至少60 min。試驗(yàn)過(guò)程中，若快接裝置無(wú)可見(jiàn)變形，連接處無(wú)泄漏，說(shuō)明快接裝置在低溫條件下的強(qiáng)度和密封性能滿足使用要求。

圖8 低溫試驗(yàn)裝置

3 應(yīng)用情況

經(jīng)過(guò)連接試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)與低溫試驗(yàn)驗(yàn)證合格后，將快接裝置帶到LNG充裝站進(jìn)行試裝車，充分驗(yàn)證快接裝置的實(shí)用性。

累計(jì)開(kāi)展了60余次快接裝置現(xiàn)場(chǎng)試裝工作，完成LNG槽車充裝30車，連臂、斷臂時(shí)間由原6 min左右縮短為1.5 min，連接動(dòng)作方便快捷，采用加力杠桿壓緊后，全程無(wú)泄漏，如圖9所示。裝車過(guò)程中流動(dòng)阻力小，可忽略不計(jì)，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(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 快接裝置天津現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)快速對(duì)位技術(shù)、快速鎖緊技術(shù)和防松技術(shù)的研究，研發(fā)了一種適用于LNG槽車的三爪快速連接裝置，替代原來(lái)的松套法蘭與槽車對(duì)接，解決了裝車臂與槽車快速連接的難點(diǎn)，在LNG接收站進(jìn)行過(guò)多次充裝，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證：其操作方便快捷，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，流動(dòng)阻力小，不僅能夠顯著縮短裝車臂與槽車的連接時(shí)間，提高裝車的效率，還大幅減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，在不增加裝卸撬數(shù)量的情況下能夠提高接收站裝車的能力，給LNG接收站帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)法蘭密封面要求低，密封效果好，成本低廉，容易大規(guī)模推廣，具備較高的應(yīng)用價(jià)值。