裝卸臂快速離合器故障原因分析及解決措施

劉久剛，王慶軍，徐小偉，柳 超，崔 均

(1.國家管網(wǎng)集團(tuán)大連液化天然氣有限公司，遼寧大連 116600；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)北海液化天然氣有限責(zé)任公司，廣西北海 536000）

裝卸臂（圖1）是液化天然氣（LNG）接收站船岸聯(lián)通的重要輸送設(shè)備［1-8］，快速離合器則是裝卸臂與船上歧管連接，將LNG 在船和陸地儲罐間相互輸送的重要部件。目前國內(nèi)已建成LNG 接收站安裝的裝卸臂多為進(jìn)口設(shè)備。某LNG 接收站安裝有4 臺FMC Technologies SA 公司生產(chǎn)的型號為20″×20″×65′FP DCMA″S″的裝卸臂（2 臺液相臂、1 臺氣相臂、1 臺氣液兩用臂），其上選用5 個(gè)緊固柱式Quikcon Ⅲ液壓自動(dòng)緊固型快速離合器［9］。裝卸臂設(shè)計(jì)壓力1.79 MPa，液相臂操作壓力0.52 MPa，氣相臂操作壓力0.018 MPa，設(shè)計(jì)溫度-170/60 ℃，操作溫度-162 ℃。

圖1 裝卸臂結(jié)構(gòu)示圖

在卸料臂與船連接操作使用過程中，快速離合器頻繁發(fā)生多種故障，甚至造成卸船過程中連接法蘭外漏卸船中斷的現(xiàn)象［9-17］，且冬季外漏幾率大于夏季。文中對快速離合器故障產(chǎn)生原因進(jìn)行詳細(xì)分析［11］，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 快速離合器結(jié)構(gòu)和控制原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Quikcon Ⅲ型快速離合器（圖2）是FMC Technologies SA 公司針對20″×20″× 65′FP DCMA″S″裝卸臂開發(fā)的快速船岸液壓法蘭連接裝置，由液壓閥組、液壓電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、定心器和夾具組件等組成。

圖2 Quikcon Ⅲ型快速離合器結(jié)構(gòu)簡圖

快速離合器工作時(shí)，通過控制液壓閥組，使液壓馬達(dá)和齒輪動(dòng)作（圖3），帶動(dòng)緊固螺桿旋轉(zhuǎn)，從而緊固或松開緊固頭，由此達(dá)到緊固船岸連接法蘭的目的［2，4，8，17-19］。

圖3 Quikcon Ⅲ型快速離合器緊固件總成簡圖

快速離合器的特點(diǎn)：①自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。通過控制液壓系統(tǒng)可以方便快速地將船岸法蘭連接和松開，提高了效率［1，8-9，16］。②緊固到位后，結(jié)構(gòu)自動(dòng)鎖緊，不會因松弛造成緊固力減小法蘭外漏。③適應(yīng)性強(qiáng)，不受船舶歧管法蘭規(guī)格、厚度影響。④對接過程中可以導(dǎo)向?qū)χ?，減小操作難度。⑤易操作，但日常維護(hù)復(fù)雜，維護(hù)成本較高。⑥緊固到位后，若卸船發(fā)生泄漏，會因冰凍無法再進(jìn)行緊固處理。

1.2 控制原理

Quikcon Ⅲ型快速離合器液壓系統(tǒng)是用1 個(gè)液壓閥組控制5 個(gè)液壓緊固器，其液壓控制圖見圖4。

圖4 Quikcon Ⅲ型快速離合器液壓控制圖

為保證法蘭緊固時(shí)，5 個(gè)緊固器都能緊固到位，達(dá)到設(shè)計(jì)力矩要求，使用了串/ 并聯(lián)2 種模式。緊固初期，為達(dá)到同步緊固，采取串聯(lián)模式，使每一個(gè)緊固液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速相同，當(dāng)某個(gè)或幾個(gè)緊固器緊固到位后，液壓閥組自動(dòng)切換為并聯(lián)模式，液壓供給可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的緊固器，從而驅(qū)動(dòng)沒有到位的緊固器繼續(xù)緊固到位。Quikcon Ⅲ型快速離合器關(guān)閉過程中的串聯(lián)、并聯(lián)模式分別見圖5、圖6。圖5、圖6 中出現(xiàn)的數(shù)字、字母代表不同的液壓油流道。

圖5 Quikcon Ⅲ型快速離合器關(guān)閉過程中串聯(lián)模式

圖6 Quikcon Ⅲ型快速離合器關(guān)閉過程中并聯(lián)模式

2 快速離合器故障現(xiàn)象

①在裝卸臂操作過程中，頻繁出現(xiàn)快速離合器打開并完全伸出后，有的緊固螺桿卡澀不再動(dòng)作，無法緊固連接法蘭的狀況。②液相臂B 臂快速離合器頻繁發(fā)生緊固頭動(dòng)作不同步，甚至某幾個(gè)不動(dòng)作的故障。③液相臂C 臂快速離合器多次出現(xiàn)其中1 個(gè)緊固頭緊固到位后，又自動(dòng)打開的現(xiàn)象。現(xiàn)場將此緊固液壓系統(tǒng)拆下更換到其他裝卸臂的快速離合器上，卻沒有出現(xiàn)緊固后又自動(dòng)打開的現(xiàn)象。④快速離合器5 個(gè)緊固頭同時(shí)不動(dòng)作。⑤緊固過程中，全部緊固頭都動(dòng)作，但快要緊固到位時(shí)，某個(gè)或幾個(gè)緊固卡頭始終無法緊固達(dá)到力矩要求。

3 快速離合器故障原因分析及初步解決措施

3.1 緊固件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工缺陷

4 個(gè)裝卸臂在操作過程中緊固螺桿伸出到極限位置不回位，是因緊固件結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)加工缺陷，緊固螺桿旋轉(zhuǎn)到根部后螺紋脫扣，造成螺桿不能回位。為防止螺紋脫扣，將緊固螺桿的根部螺紋削掉一部分，同時(shí)在螺桿頂部增加尺寸大于螺紋端部的螺母，使其在任何位置都能旋入。同時(shí)，操作時(shí)要求緊固螺桿不要伸到極限位置。

3.2 液壓分配器內(nèi)部流道加工缺陷

根據(jù)液壓分配器設(shè)計(jì)原理，操作時(shí)5 個(gè)緊固頭應(yīng)同向旋轉(zhuǎn)，而不應(yīng)該出現(xiàn)快速離合器關(guān)閉后個(gè)別緊固螺桿在緊固過程中自動(dòng)開啟的現(xiàn)象。將出現(xiàn)與操作要求反向旋轉(zhuǎn)的緊固件總成更換到其他裝卸臂進(jìn)行操作，均沒有出現(xiàn)類似反向旋轉(zhuǎn)問題。分析認(rèn)為是液壓分配器內(nèi)部流道存在加工缺陷，流向控制出現(xiàn)了異常。更換新的液壓分配器后，再未出現(xiàn)緊固過程中緊固螺桿自動(dòng)開啟現(xiàn)象。

3.3 液壓分配器關(guān)閉壓力不足

實(shí)際操作中，快速離合器緊固后，全速卸料過程中還是出現(xiàn)外漏現(xiàn)象。重新對液壓分配器緊固油壓進(jìn)行計(jì)算核實(shí)，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)的快速離合器關(guān)閉壓力10.5 MPa 無法滿足現(xiàn)場實(shí)際緊固力矩要求，故將關(guān)閉液壓提高到18 MPa。調(diào)整后經(jīng)現(xiàn)場測試，緊固力矩達(dá)到密封要求。快速離合器液壓分配器壓力調(diào)整具體位置見圖7。通過對關(guān)閉壓力調(diào)整桿的關(guān)閉和開啟壓力調(diào)整桿的打開，來調(diào)整液壓分配器的關(guān)閉壓力，達(dá)到離合器快速關(guān)閉的設(shè)計(jì)要求。

圖7 液壓分配器壓力調(diào)整位置

3.4 液壓油低溫黏性問題

冬季液壓油黏度增大，會使管道阻力增加，當(dāng)冬季溫度低于-16 ℃時(shí)，液壓油泵啟動(dòng)多次出現(xiàn)過載現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，冬季快速離合器發(fā)生外漏頻率非常高。原設(shè)計(jì)使用的是牌號Tellus T32 液壓油，經(jīng)卸料臂制造商重新核算后，更換為牌號Tellus S2V22 液壓油。更換液壓油后，冬季再未出現(xiàn)快速離合器緊固力矩不到位情況，外漏現(xiàn)象有所改善。

3.5 液壓系統(tǒng)缺陷

裝卸臂快速離合器5 個(gè)緊固頭動(dòng)作不同步，是油壓不通或液壓分配器內(nèi)部有氣體，造成液壓不穩(wěn)定所致。應(yīng)重點(diǎn)檢查液壓閥組油壓管路內(nèi)是否存有氣體、液壓分配器是否堵塞、油壓管快速接頭處是否沒有虛接等，經(jīng)過排氣、疏通并將緊急斷開的快速接頭處虛接改正后，5 個(gè)緊固頭動(dòng)作不同步問題得到了解決。

4 更換使用新結(jié)構(gòu)快速離合器

采取上述初步解決措施后，裝卸臂快速連接法蘭泄漏明顯減少，但泄漏現(xiàn)象還是時(shí)有發(fā)生，并且都發(fā)生在預(yù)冷結(jié)束即將全速卸船時(shí)，泄漏的裝卸臂位號也無規(guī)律可循。在122 艘接船中共有15 艘船出現(xiàn)泄漏，經(jīng)詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)有些是操作時(shí)沒有嚴(yán)格按照要求將法蘭緊固到位，有些是緊固螺桿結(jié)構(gòu)的固定螺母松動(dòng)造成無法緊固，具體泄漏原因見表1。

表1 裝卸臂快速連接法蘭泄漏原因統(tǒng)計(jì)

針對固定螺母松動(dòng)問題，通過對介質(zhì)溫度以及法蘭緊固力的計(jì)算，綜合考慮原快速離合器質(zhì)量，為滿足卸料臂平衡要求，采用輕型合金設(shè)計(jì)制造了一種新結(jié)構(gòu)形式的快速離合器（圖8），并在1 臺卸料臂上實(shí)驗(yàn)性更換使用。此快速離合器與原快速離合器最大的不同是液壓只作為拉動(dòng)緊固夾塊動(dòng)作的動(dòng)力，而緊固力矩由彈簧完成。

圖8 更換使用的新結(jié)構(gòu)快速離合器

更換使用的新結(jié)構(gòu)快速離合器主要由液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、夾緊裝置及導(dǎo)向?qū)χ袡C(jī)構(gòu)等組成，與現(xiàn)有離合器結(jié)構(gòu)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、可靠性高、維修方便及勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，并能確保連接更加緊密，無任何卡滯現(xiàn)象。夾緊后夾緊位置呈過角度（即超過夾緊的垂直位置），可以起到自鎖防松的作用。6 根彈簧在同一個(gè)回轉(zhuǎn)體上一起旋轉(zhuǎn)，鎖緊過程中逐漸被壓縮，當(dāng)超過90o線時(shí)，液壓缸無需繼續(xù)推動(dòng)，利用彈簧的壓緊力即可實(shí)現(xiàn)鎖緊法蘭，不會發(fā)生回彈現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

造成LNG 接收站低溫裝卸臂快速離合器故障的主要原因是結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)缺陷、液壓分配器內(nèi)部流道加工缺陷以及液壓分配器關(guān)閉壓力設(shè)定值不足，考慮寒冷地區(qū)耐低溫液壓油低溫黏性以及操作規(guī)范性，重新設(shè)定液壓分配器關(guān)閉壓力，并更換了新結(jié)構(gòu)快速離合器，圓滿解決了快速離合器故障問題，減少了卸船中快速離合器外漏現(xiàn)象，滿足了卸船的安全要求，可為快速離合器的維修維護(hù)及國產(chǎn)化設(shè)計(jì)提供借鑒。