LNG 裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)用對比分析

黃滄滄

（中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江寧波 315800）

0 引言

LNG 作為一種低溫液體，溫度在-165 ℃氣液膨脹比約為1:600，爆炸極限為5%～15%，氣化后的天然氣屬于易燃易爆甲A 類火災(zāi)危險氣體。LNG 接收站是儲存LNG 并往外輸送天然氣的場所，通過LNG 槽車輸送至用戶實現(xiàn)LNG 液態(tài)外輸，通過升溫升壓后進(jìn)入天然氣管網(wǎng)送至用戶實現(xiàn)LNG 氣態(tài)外輸。

LNG 接收站利用槽車裝車系統(tǒng)對LNG 槽車進(jìn)行充裝，實現(xiàn)LNG 液態(tài)外輸。每套槽車裝車系統(tǒng)包括1 條液相裝車臂、1 條氣相裝車臂及配套的工藝管線和控制系統(tǒng)。通過液相臂將工藝管線中LNG 輸送至槽車罐體，同時槽車中的BOG（Boil-Off Gas，蒸發(fā)氣體）通過氣相臂返回至工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)壓力的平衡。每條裝車臂主要由旋轉(zhuǎn)接頭、閥門、工藝管道及配重組成。旋轉(zhuǎn)接頭作為裝車臂的核心部件，其結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況受到了用戶的廣泛關(guān)注。浙江LNG 接收站裝車臂選用的是日本NIGATTA 裝車臂（進(jìn)口橇）和江蘇長隆裝車臂（國產(chǎn)橇），基于長期的檢修經(jīng)驗總結(jié)及實踐積累，對兩種LNG 裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況進(jìn)行了對比分析。

1 旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 LNG 裝車臂示意

旋轉(zhuǎn)接頭為LNG 裝車臂移動使用的關(guān)鍵部件，每條裝車臂（液相臂/氣相臂）有旋轉(zhuǎn)接頭5 個。通過3 個3 英寸（76.2 mm）旋轉(zhuǎn)接頭實現(xiàn)內(nèi)臂、外臂的旋轉(zhuǎn)抬升，通過2 個2 英寸（50.8 mm）旋轉(zhuǎn)接頭實現(xiàn)前臂的伸縮移動，確保實現(xiàn)裝車臂與槽車的有效連接。

裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭部件主要由內(nèi)套、外套、滾珠腔室及密封件組成，采用焊接或法蘭連接的型式將內(nèi)套、外套與兩端工藝管道分別固定，通過滾珠可實現(xiàn)內(nèi)外套的相對轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部（滾珠腔室）采用無油脂潤滑。由于工藝介質(zhì)為低溫液體/氣體（LNG/NG），考慮到低溫傳熱影響，如發(fā)生旋轉(zhuǎn)接頭密封泄漏，外界大氣中的水汽會進(jìn)入滾珠腔室受低溫影響結(jié)冰，造成旋轉(zhuǎn)接頭部件凍住無法轉(zhuǎn)動，因此在內(nèi)套和外套中間設(shè)計了隔離腔體，持續(xù)注入微正壓的氮氣進(jìn)行吹掃，從而將低溫工藝介質(zhì)與旋轉(zhuǎn)接頭滾珠腔室的傳熱進(jìn)行一定的隔絕，防止旋轉(zhuǎn)接頭滾珠腔室出現(xiàn)結(jié)冰故障。氮氣密封的壓力不可過高，避免影響密封件的使用壽命。

旋轉(zhuǎn)接頭密封包括動密封和靜密封兩部分。動密封側(cè)為轉(zhuǎn)動連接面，主要用于防止工藝管道介質(zhì)泄漏至滾珠腔室，旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動過程中，密封件與密封面會產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦。靜密封側(cè)為靜態(tài)連接面，用于工藝管道介質(zhì)的密封以及滾珠腔室與外界大氣的隔絕密封。

2 旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)用對比分析

2.1 旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)

NIGATTA 裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭為組裝部件，內(nèi)套與工藝管道焊接連接，外套與另一側(cè)工藝管道法蘭連接，通過滾珠可實現(xiàn)內(nèi)外套的相對轉(zhuǎn)動。滾珠腔室滾珠之間使用墊片隔開，避免傳動過程中的剛性撞擊。動密封側(cè)包括1 道主密封、1 道次密封和1 道法蘭面密封，防止工藝管道介質(zhì)泄漏。靜密封側(cè)有1 道防塵密封，用于滾珠腔室與外界大氣的隔絕密封。

長隆裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭為集成部件，采用兩端法蘭連接的型式將內(nèi)套、外套與工藝管道分別固定。滾珠腔室采用全滾珠的形式，使用過程中會造成滾珠之間、滾珠與軌道咬合的情況。動密封側(cè)，包括1 道主密封、1 道次密封和1 道法蘭密封，防止工藝管道介質(zhì)泄漏。靜密封側(cè)包括1 道主密封和1 道防塵密封，分別用于工藝管道介質(zhì)的密封以及滾珠腔室與外界大氣的隔絕密封。

比較而言，NIGATTA 裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)簡單，密封數(shù)量（5 道）較長隆裝車臂（6 道）更少，泄漏故障點更少，可靠性更高。

2.2 旋轉(zhuǎn)接頭氮氣吹掃系統(tǒng)

NIGATTA 裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭氮氣吹掃系統(tǒng)經(jīng)減壓閥減壓后系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.5 bar（50 kPa），通過并聯(lián)的方式將5 個旋轉(zhuǎn)接頭連接起來（進(jìn)氣排氣同為一個口）進(jìn)行氮氣吹掃，依次經(jīng)過1#～5#旋轉(zhuǎn)接頭，并在末端旋轉(zhuǎn)接頭處封閉。每個旋轉(zhuǎn)接頭與氮氣吹掃管線只有1 個連接點。

長隆裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭氮氣吹掃系統(tǒng)經(jīng)減壓閥減壓后系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.1 bar（10 kPa），通過串聯(lián)的方式將5 個旋轉(zhuǎn)接頭連接起來（進(jìn)氣口進(jìn)氣、排出口出氣）進(jìn)行氮氣吹掃，依次經(jīng)過1#～5#旋轉(zhuǎn)接頭，并在末端旋轉(zhuǎn)接頭處持續(xù)排出。每個旋轉(zhuǎn)接頭與氮氣吹掃管線均有2 個連接點（一進(jìn)一出），通過2 個氮氣密封圈保證法蘭面的密封。

比較而言，NIGATTA 裝車臂氮氣吹掃系統(tǒng)連接點更少，泄漏故障點更少，可靠性更高。

2.3 旋轉(zhuǎn)接頭故障檢修情況

NIGATTA 裝車臂（7 臺橇共計70 個旋轉(zhuǎn)接頭）旋轉(zhuǎn)接頭故障頻率約為7～9 次/年，故障點主要集中在靜密封失效。旋轉(zhuǎn)接頭為組裝部件，無法整體更換。如果發(fā)生旋轉(zhuǎn)接頭靜密封泄漏，需要依次取出滾珠腔室內(nèi)所有滾珠及滾珠墊片，實現(xiàn)內(nèi)套和外套的拆分，方可進(jìn)行靜密封的更換。清洗更換完成后再依次進(jìn)行滾珠及墊片的回裝，完成旋轉(zhuǎn)接頭的組裝。每個旋轉(zhuǎn)接頭拆卸檢修的時間約4 h。

長隆裝車臂（12 臺橇共計120 個旋轉(zhuǎn)接頭）旋轉(zhuǎn)接頭故障頻率約為18～24 次/年，故障點主要集中在旋轉(zhuǎn)接頭卡澀和靜密封失效。旋轉(zhuǎn)接頭為集成部件，可進(jìn)行整體更換。如發(fā)生旋轉(zhuǎn)接頭密封泄漏，拆卸泄漏法蘭面即可進(jìn)行密封更換，無需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)接頭部件的拆解。如需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)接頭部件的拆解檢修，可以先用新的旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行替換，然后再進(jìn)行拆卸旋轉(zhuǎn)接頭的檢修工作。每個旋轉(zhuǎn)接頭拆卸檢修的時間約1 h。

比較而言，長隆裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭故障率偏高，但在維修時間及旋轉(zhuǎn)接頭組件更換方面比NIGATTA 裝車臂有較大優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

隨著設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程的深入開展，國產(chǎn)LNG 裝車臂在LNG接收站的應(yīng)用越來越廣泛，旋轉(zhuǎn)接頭組件已基本具備了與國外競爭的能力，并正逐步替代進(jìn)口。與NIGATTA 裝車臂相比，長隆裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)型式做了一定的改變，旋轉(zhuǎn)接頭密封件數(shù)量、氮氣吹掃系統(tǒng)連接點更多，泄漏故障點相應(yīng)增多，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭故障率偏高，但在維修時間及組件更換方面有了很大程度的提升，旋轉(zhuǎn)接頭故障可得到及時檢修，裝車臂可快速恢復(fù)投用。在今后的LNG 裝車臂旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計選型時，應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)情況及設(shè)備備用情況，選擇適用的結(jié)構(gòu)型式。