LNG加注設備關鍵技術的研究

王為周 劉海鵬 張 兵 王建榮

（連云港遠洋流體裝卸設備有限公司，江蘇 連云港 222062）

0 引言

隨著生態環境日益惡化，排放法規執行得越來越嚴格，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，國內外除了汽車采用LNG 作為燃料外，輪船也逐步采用LNG 作為動力燃料以取代汽油和柴油，LNG 燃料加注技術越來越受到國際社會的關注。目前，船舶LNG 加注方式主要有4 種[1]：槽車對船（TTS）、岸站對船（PTS）、便攜式液灌傳輸和船對船（STS）。與前三種加注方式比，LNG 船對船（STS）加注方式在充裝量和加注速度方面具有較強的靈活性，能夠在港口或海面操作，適用于多種船舶的燃料傳輸，其應用前景和發展空間十分廣闊。該文主要針對船對船（STS）加注裝置中的幾個關鍵部件和系統進行了研究。

1 旋轉接頭設計

旋轉接頭是船對船（STS）加注裝置的關鍵部件。該部件必須實現兩個最重要的功能：一是能夠實現360°自由旋轉，可保證加注設備在空間自由運動；二是密封性要好，要能夠保證在加注輸送LNG 時不泄露。為此，設計了如圖1所示的機械結構。旋轉接頭采用滾珠軸承結構形式，主要由夾套內圈、外圈、法蘭、主密封圈、次級密封圈、氮氣密封圈、低溫鋼球和不銹鋼連接螺栓等零件組成，是LNG 加注設備低溫管道系統中的關鍵部件。

圖1 旋轉接頭

采用雙滾道高密封性能結構，內、外圈滾道采用高精度軸承結構并經金屬表面硬化處理。滾道腔體內采用氮氣吹掃系統，保證其腔體內部不含有水蒸氣的成分。動密封采用雙密封圈結構形式，有效保證密封的可靠性。為保證機械結構能滿足上述功能，在設計中，對所用材料進行選擇，同時考慮了在材料加工前、加工中及焊接后的深冷處理等工藝，旋轉接頭的動密封面及滾道經過表面硬化處理，可以提高硬度，表面粗糙度可達Ra0.2～0.4，極大地延長了動密封面的密封性能和旋轉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定性問題。

1.1 材料選擇

旋轉接頭材料選用：美標牌號304/ 304L。

管道及管件材料選用：美標牌號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定性問題，提高了系統運行的可靠性。以LNG 加注臂關鍵部件—旋轉接頭中的鋼球為例。

鋼球尺寸：Φ9.525（材質440C、9Cr18）

鋼球尺寸（未經深冷處理）：9.540～9.550

鋼球尺寸（經深冷處理）：9.524～9.526

深冷處理可以大幅度減少殘余奧氏體的含量。1）深冷處理關鍵部件的主要技術指標如圖2 所示。2）材料深冷前后微觀組織對比。通過對深冷后加工前、后的材料的金相分析，可以發現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。經過深冷后的材料，經過摩擦磨損試驗臺試驗，其摩擦系數降低了8.6%，明顯改善了產品的耐磨性能，圖4 所示為試驗工藝編號。

圖2 深冷處理關鍵部件的主要技術指標

圖3 材料深冷前后微觀組織對比

圖4 試驗工藝編號

2 拉斷閥設計

低溫拉斷閥[2]作為LNG 加注裝置的保護閥，其作用是防止加注時拉斷裝卸管泄露，發生意外。傳統的拉斷閥采用螺栓緊固，經常會出現拉不斷，甚至軟管斷了，拉斷閥還未斷的情況。為避免這種情況出現，該文對拉斷閥進行了模塊化設計，其結構如圖5 所示。新型拉斷閥由陽閥、陰閥和固定端3 個部分構成。

圖5 新型拉斷閥

陽閥：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：通過鋼絲繩和短環鏈與加注船固定，調整拉繩的長度，保障包絡安全。當船舶超出許可范圍，斷開陰陽閥。

在新型拉斷閥的試驗裝置中進行了各種工況下低溫密封性能試驗，結果表明，各項性能指標滿足要求。

主要有以下4 個優點：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，插接式結構，可以承受剪切、扭轉、彎曲等所有非“拉”的力量，除“拉”以外，其他外力都無法使拉斷閥意外分離，脫離的上的持續拉力，把閥拉的位移一段距離后先撞斷安全銷，持續發力再把閥拉離一段距離才開始脫離。這樣的設計幾乎可以預防一切“意外”的斷裂情況。3）防火、防靜電設計，當出現火情，主密封被燒掉以后，金屬材質的閥芯在彈簧和介質的推力下，依然與閥體之間可靠密封，以確保現場安全。拉斷閥成裝后，任意位置電阻＜10Ω。4）復位簡便，該拉斷閥配合專用復位機構，無須更換配件，無須拆卸管線，在拉斷后可以快速、輕松復位。

3 緊急脫離裝卸系統設計

船對船在海上加注，受氣相條件的影響較大，如風力的變化、海流影響等會造成受注船、加注船的漂移、傾斜，扭轉等情況，使得船舶距離可能超出軟管的預留長度，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）設計了一種緊急脫離裝卸系統，當加注長度超過軟管的預留長度時超，開啟脫離模式，先關斷液相/氣相出口和軟管出口，阻止液體/氣體外出，再進行分離，實現安全分離，防止事故發生。所設計緊急脫離裝卸系統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力。

主要性能特點有7 個：1）完全符合OCIMF 及BS EN ISO16904 的建議。2）切斷閥采用輕型（減重）結構設計。3）在25mm 冰層的極端條件下工作。4）上下閥關閉后殘存液體少。5）控制系統安全完備并具有聯鎖功能。6）關閉/關閉閥門和打開夾頭有兩個油缸單獨執行。7）控制箱為防爆控制箱，適合0 區防爆要求，防爆等級為dIIBT4，防護等級為IP55。

4 柔性軟管的設計

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）、復合軟管和 PVC 軟管等多種類型。但大多數軟管不適合低溫介質使用。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合軟管。

4.1 真空絕熱軟管的特點

真空絕熱軟管的特點如下：1）采用雙層不銹鋼金屬軟管，夾層中添加專用多層絕熱復合材料并保持高真空狀態，因此保冷效果好，使用時軟管外表不結水，不結霜。2）彎曲半徑小，使用方便，長度可根據用戶要求而定。3）可與真空管道連接。4）真空軟管兩端配以法蘭或專用快速接頭，與船舶相連。可減少槽車充排液體中的液體汽化損失。5）主要技術參數。工作壓力：2.0MPa。設計溫度：-197℃。使用介質：LNG。管道冷損：0.5W/m～2W/m。夾層真空度：＜0.004Pa。使用環境溫度：-30℃～50℃。6）真空軟管通徑規格見表1。

表1 真空軟管規格

4.2 超低溫復合軟管的特點

超低溫復合軟管的特點，主要有以下幾個：1）卓越的絕熱性能，可在23℃外部環境溫度下輸送-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）結構組成：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；加強層內層和外層由316 不銹鋼螺旋鋼絲加強；內層由聚全氟乙丙烯擠壓且覆蓋聚酯薄膜。

復合軟管的制造標準：EN 13766—2010 制造標準

EN ISO1402 軟管組件測試標準

EN ISO 8031：2009 軟管電阻和電導率測試標準

AS 1180.13B 軟管總成電阻率測定標準

AS 1180 .13C 軟管電氣連續性測定標準

4.3 超低溫復合軟管選型參數

超低溫復合軟管選型參數見表2。

表2 參數選型

4.4 軟管的選取

根據課題組提出的加注船、受注船結構尺寸及加注流量400m/H 的要求，同時綜合考慮船與船之間的相對運動、以及彎曲、受拉、操作中壓力和溫度的循環加載、老化、緊急脫斷、內部壓力振蕩等效應的累加軟管的使用壽命等的影響，該設計中選擇復合軟管作為加注管，其加注軟管的長度取20m，口徑液相取DN150，BOG 氣相取DN100。

5 安全輔助設施的研究

LNG 加注安全隱患很多，如管路接頭、泵、軟管發生泄漏，外部沖擊等，因此必須采用安全輔助設施。該研究重點考慮了軟管防繞折護板及滑道的設計。

在船舷邊緣設置U 型護板，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，可為緊急脫離脫開后，隨受注船的ERC，作為拖曳滑道，不與船體產生碰撞。

6 總結

該工作為前瞻性研究工作，由于LNG 燃料船對船加注具有快捷、高效的特點，不受專用碼頭限制，勢必會得到越來越多的應用。其加注設備的重要組成件柔性軟管，國內還沒有生產廠家可提供超過DN150mm 的低溫軟管，制約了國產化率。建議可再進一步調研國內有實力的軟管廠家，協同攻關，解決柔性軟管國產化問題。