LNG船用装卸臂

LNG船用装卸臂
LNG船用装卸臂的研发设计
1. 引言
能源是社会经济发展的基础和动力，能源储备是国家能源政策的重要组成，尤其是在能源缺乏的当代。

天然气作为一种洁净、高效、方便、安全的能源，受到越来越广泛的关注，其产业链近几十年来得到快速的发展。

开发、利用天然气已成为世界各国实施能源结构调整和可持续发展的重点战略。

将天然气从产地运往使用地的方法有两种:?用长距离输气管道将天然气运
[1] 送至用户处，但是管道长度在1650~3300Km范围内才有经济效益;?将天然气在常压—161.5?C低温下，使其变成液态天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)，此时其体积缩小至气态的六百分之一，然后用LNG船运往使用地区。

在使用地区建设接收终端，将LNG在度气化，然后通过管道将气态的天然气分送至用户处。

液态天然气的运输有利于天然气的远距离运输。

目前已发现的天然气田和主要消费市场距离遥远，这使得天然气的海上运输近来得到快速应用和发展。

由此形成，包括天然气预处理、液化、储存、运输、装卸、接收站、再气化装置等环
[2]节的LNG工业链。

从第一艘LNG船舶“甲烷先锋号”投入商业营运以来，世界各国都在大力发展自己的LNG船队。

液化天然气的装卸作业是海上运输起始和终止的关键环节，其可靠、精确的使用性直接影响液化天然气海上运输事业的健康发展，对于液化天然气的安全利用起着决定性作用。

所以考虑液化天然气特殊性，及其装卸作业过程中客观情况，我司低温LNG船用装卸臂的研发设计进行了大量的调研和试验。

2. LNG船用装卸臂
2.1 系统介绍
LNG船靠泊码头后，LNG船用装卸臂即将船上与码头上的卸船管线连接起来，从而实现从码头到船或船到码头的LNG的传输。

在进行LNG船用装卸臂的设计时需考虑以下几个方面:?码头空间有限，设备管路布置及运动范围的考虑;?海浪和船体的晃动对设备运行带来的不利影响因素;?海浪和船体的晃
动对LNG储槽中液体造成的影响;?LNG输送时储液槽内的压力变化;?低温对材料性能的影响。

我司LNG船用装卸臂包括以下几个部分:装卸臂本体、紧急脱离装置
(DBV/ERC)、电液控制系统，详细结构如图1所示。

该系统的一台装卸臂被一套电液控制系统控制，并且液压分站装在立柱上用来控制臂。

操作者可以用遥控器在船上或码头上操作装卸臂。

图1 LNG船用装卸臂系统结构图
2.2 主要结构部件介绍
参照图2，装卸臂的主要结构部件如下:
1)立柱
立柱是装卸臂的垂直支撑部件，安装在码头上用来支撑装卸臂并提供和现场管线的连接点。

随现场的码头而变化。

立柱的顶部是立柱旋转接头及回转支承轴承，它为装卸臂提供回转运动。

2)转轴箱( 包括回转支承轴承)
转轴箱用来连接立柱和支撑箱，回转支承轴承装在立柱和支撑箱之间，用来使装卸臂旋转自如。

3)三维接头
三维接头在装卸臂外臂末端，有三个旋转接头和几个弯头组成。

这样可以满足船舶的摇摆、冲击和旋转的要求。

三维接头上的快速连接器可以快速地和船舶上的歧管法兰连接。

绝缘法兰装在垂直方向用来把装卸臂和船舶之间的静电隔开。

1.立柱
2.转轴箱
3.三维接头
4.可拆卸弯头
5.维修平台
6.液体输送管线
7.支撑箱
8.绳轮系统
9.液压油缸 10.紧急脱离装置
11.手动快速接头 12(手动可调支腿 13.机械锁紧装置
图2 装卸臂结构图
4)液体输送管线
该管线是用于输送介质的，它包括外臂管、内臂管、立柱管、旋转接头、法兰和弯头等。

5)液压油缸
装卸臂配备三个液压缸来驱动外臂、内臂和转轴箱。

装卸臂的所有运动都是通过绳轮系统来传递的。

6)紧急脱离装置
紧急脱离装置是使装卸臂和船舶在最小泄漏的情况下快速并且安全地脱开的一种装置，可以在紧急情况下保护船舶和装卸臂的安全。

它包括一个在两个连锁的阀门之间的紧急脱离抱箍。

7)手动快速接头
该装置是一种用于把装卸臂的法兰和船舶法兰不用螺栓而夹紧的手动机械装置。

2.3 LNG旋转接头设计
旋转接头是装卸臂上的关键部件，每个装卸臂上有六个旋转接头，从而获得六个自由度来适应船舶的运动，用来承受由于输油臂零部件和附件的重量而产生的不同的外载荷(轴向和径向力以及产生的倾翻力矩)，风载荷及地震载荷以及操作和内压力。

LNG旋转接头采用奥氏体不锈钢材料，锻件在精加工之前都进行深冷处理。

LNG船用装卸臂旋转接头采用特殊结构，如图3所示。

这种结构设计使得装卸臂在使用过程中六个旋转接头能够形成一个开放式氮气循环通路，从而能够使输油
臂旋转接头中积聚的水汽被干燥的氮气及时地带出体外，进而避免水汽在钢珠滚道内结冰而破坏旋转接头的滚道。

. LNG船用装卸臂材料选择
3.1 不锈钢管
对于LNG工程来说，由于管道输送的是低温压力介质，所以不锈钢管一般均采用奥氏体不锈钢。

奥氏体不锈钢材料低温变形小，没有明显的低温脆冷临界温度，在-200?C以下，仍能保持较高的韧性。

LNG工程用不锈钢管常用的技术标准有“高温用电熔化焊奥氏体铬-镍合金钢管”(ASME SA358/SA358M)和“无缝和焊接奥氏体不锈钢公称管”(ASME
[3]SA312/SA312M)。

3.2 支撑结构
装卸臂的支撑系统采用特殊结构避免与低温管线的直接接触，防止材料在低温条件下发生诸如脆冷等性能的改变，一般采用强度较高低温性能较好的合金钢材料。

3.3 密封材料和紧固件
在低温状态下，由于非金属材料的膨胀系数较大，其低温时的收缩量与金属密封件、法兰面等耦合件的收缩量相差很多，从而导致密封力大幅下降，而产生密封失效。

同时大多数非金属材料在超低温状态下会发生脆性转变，失去韧性，
[4]从而导致冷流和应力松弛。

因此在LNG密封材料选取时，采用金属对金属的密封材料，或者是通过特殊工艺加工成金属与非金属复合型式的密封材料。

LNG装卸臂用螺栓和螺母材料必须注意低温下的冲击韧性，一般采用奥氏体不锈钢，但奥氏体不锈钢的屈服强度较低，容易咬死，所以必须经冷作硬化。

4. 结语
我司的LNG船用装卸臂是专门针对液化天然气(LNG)等超低温介质的研发的新型装卸臂，它可以根据介质的不同温度选择不同的材料作为主管道材料。

经过多年低温材料的研究试验以及装卸臂的生产经验，目前产品性能稳定，完全可以满足LNG卸船系统的要求。