LNG加注设备关键技术的研究

王为周 刘海鹏 张 兵 王建荣

（连云港远洋流体装卸设备有限公司，江苏 连云港 222062）

0 引言

随着生态环境日益恶化，排放法规执行得越来越严格，目前，液化天然气LNG（Liquefied Natural Gas）作为一种清洁、高效、安全的能源，其推广与使用有极为重要的意义。目前，国内外除了汽车采用LNG 作为燃料外，轮船也逐步采用LNG 作为动力燃料以取代汽油和柴油，LNG 燃料加注技术越来越受到国际社会的关注。目前，船舶LNG 加注方式主要有4 种[1]：槽车对船（TTS）、岸站对船（PTS）、便携式液灌传输和船对船（STS）。与前三种加注方式比，LNG 船对船（STS）加注方式在充装量和加注速度方面具有较强的灵活性，能够在港口或海面操作，适用于多种船舶的燃料传输，其应用前景和发展空间十分广阔。该文主要针对船对船（STS）加注装置中的几个关键部件和系统进行了研究。

1 旋转接头设计

旋转接头是船对船（STS）加注装置的关键部件。该部件必须实现两个最重要的功能：一是能够实现360°自由旋转，可保证加注设备在空间自由运动；二是密封性要好，要能够保证在加注输送LNG 时不泄露。为此，设计了如图1所示的机械结构。旋转接头采用滚珠轴承结构形式，主要由夹套内圈、外圈、法兰、主密封圈、次级密封圈、氮气密封圈、低温钢球和不锈钢连接螺栓等零件组成，是LNG 加注设备低温管道系统中的关键部件。

图1 旋转接头

采用双滚道高密封性能结构，内、外圈滚道采用高精度轴承结构并经金属表面硬化处理。滚道腔体内采用氮气吹扫系统，保证其腔体内部不含有水蒸气的成分。动密封采用双密封圈结构形式，有效保证密封的可靠性。为保证机械结构能满足上述功能，在设计中，对所用材料进行选择，同时考虑了在材料加工前、加工中及焊接后的深冷处理等工艺，旋转接头的动密封面及滚道经过表面硬化处理，可以提高硬度，表面粗糙度可达Ra0.2～0.4，极大地延长了动密封面的密封性能和旋转接头整体的使用寿命，通过深冷工艺处理，以解决其在低温下尺寸的稳定性问题。

1.1 材料选择

旋转接头材料选用：美标牌号304/ 304L。

管道及管件材料选用：美标牌号304L。

焊接材料选用：ER NiCrMo―3，为抗低温冷脆性焊接材料。

1.2 深冷处理

通过材料在加工前、加工中以及焊接后的深冷处理，解决了其在低温下尺寸的稳定性问题，提高了系统运行的可靠性。以LNG 加注臂关键部件—旋转接头中的钢球为例。

钢球尺寸：Φ9.525（材质440C、9Cr18）

钢球尺寸（未经深冷处理）：9.540～9.550

钢球尺寸（经深冷处理）：9.524～9.526

深冷处理可以大幅度减少残余奥氏体的含量。1）深冷处理关键部件的主要技术指标如图2 所示。2）材料深冷前后微观组织对比。通过对深冷后加工前、后的材料的金相分析，可以发现加工后的材料微观组织得到明显改善，如图3所示。3）材料深冷后摩擦性能。经过深冷后的材料，经过摩擦磨损试验台试验，其摩擦系数降低了8.6%，明显改善了产品的耐磨性能，图4 所示为试验工艺编号。

图2 深冷处理关键部件的主要技术指标

图3 材料深冷前后微观组织对比

图4 试验工艺编号

2 拉断阀设计

低温拉断阀[2]作为LNG 加注装置的保护阀，其作用是防止加注时拉断装卸管泄露，发生意外。传统的拉断阀采用螺栓紧固，经常会出现拉不断，甚至软管断了，拉断阀还未断的情况。为避免这种情况出现，该文对拉断阀进行了模块化设计，其结构如图5 所示。新型拉断阀由阳阀、阴阀和固定端3 个部分构成。

图5 新型拉断阀

阳阀：与受注船的接口连在一起，拉断后随船被带走。

阴阀：与软管的旋转接头连在一起，拉断后随软管主体留下。

固定端：通过钢丝绳和短环链与加注船固定，调整拉绳的长度，保障包络安全。当船舶超出许可范围，断开阴阳阀。

在新型拉断阀的试验装置中进行了各种工况下低温密封性能试验，结果表明，各项性能指标满足要求。

主要有以下4 个优点：1）密封可靠，在承插面处，采用了特殊材料和工艺制作的密封圈，密封可靠。2）防止意外断裂，插接式结构，可以承受剪切、扭转、弯曲等所有非“拉”的力量，除“拉”以外，其他外力都无法使拉断阀意外分离，脱离的上的持续拉力，把阀拉的位移一段距离后先撞断安全销，持续发力再把阀拉离一段距离才开始脱离。这样的设计几乎可以预防一切“意外”的断裂情况。3）防火、防静电设计，当出现火情，主密封被烧掉以后，金属材质的阀芯在弹簧和介质的推力下，依然与阀体之间可靠密封，以确保现场安全。拉断阀成装后，任意位置电阻＜10Ω。4）复位简便，该拉断阀配合专用复位机构，无须更换配件，无须拆卸管线，在拉断后可以快速、轻松复位。

3 紧急脱离装卸系统设计

船对船在海上加注，受气相条件的影响较大，如风力的变化、海流影响等会造成受注船、加注船的漂移、倾斜，扭转等情况，使得船舶距离可能超出软管的预留长度，使软管被拉断损坏，造成事故。为避免这种危害，在金属软管一端（加注船上）设计了一种紧急脱离装卸系统，当加注长度超过软管的预留长度时超，开启脱离模式，先关断液相/气相出口和软管出口，阻止液体/气体外出，再进行分离，实现安全分离，防止事故发生。所设计紧急脱离装卸系统由紧急脱离装置液压站、控制箱及管路等组成，如图6 所示。

紧急脱离装置液压站由2 只球阀和夹紧装置、油缸等组成。液压站由蓄能器、油泵、电磁阀、压力表等组成，主要为紧急脱离装置的开启提供动力。

主要性能特点有7 个：1）完全符合OCIMF 及BS EN ISO16904 的建议。2）切断阀采用轻型（减重）结构设计。3）在25mm 冰层的极端条件下工作。4）上下阀关闭后残存液体少。5）控制系统安全完备并具有联锁功能。6）关闭/关闭阀门和打开夹头有两个油缸单独执行。7）控制箱为防爆控制箱，适合0 区防爆要求，防爆等级为dIIBT4，防护等级为IP55。

4 柔性软管的设计

船用LNG 加注软管的种类很多[3]，一般有波纹金属软管（真空绝热）、复合软管和 PVC 软管等多种类型。但大多数软管不适合低温介质使用。适合低温使用的目前有2 种类型，包括真空绝热软管和低温复合软管。

4.1 真空绝热软管的特点

真空绝热软管的特点如下：1）采用双层不锈钢金属软管，夹层中添加专用多层绝热复合材料并保持高真空状态，因此保冷效果好，使用时软管外表不结水，不结霜。2）弯曲半径小，使用方便，长度可根据用户要求而定。3）可与真空管道连接。4）真空软管两端配以法兰或专用快速接头，与船舶相连。可减少槽车充排液体中的液体汽化损失。5）主要技术参数。工作压力：2.0MPa。设计温度：-197℃。使用介质：LNG。管道冷损：0.5W/m～2W/m。夹层真空度：＜0.004Pa。使用环境温度：-30℃～50℃。6）真空软管通径规格见表1。

表1 真空软管规格

4.2 超低温复合软管的特点

超低温复合软管的特点，主要有以下几个：1）卓越的绝热性能，可在23℃外部环境温度下输送-175℃ LNG。2）厚度均匀，热阻相等。3）软管组件电阻小于 10Ω/m。4）零渗透率。5）结构组成：外层由多层尼龙编织，附加聚酯纤维编织和特殊双向拉伸聚丙烯膜，保证在零下200℃的灵活性；加强层内层和外层由316 不锈钢螺旋钢丝加强；内层由聚全氟乙丙烯挤压且覆盖聚酯薄膜。

复合软管的制造标准：EN 13766—2010 制造标准

EN ISO1402 软管组件测试标准

EN ISO 8031：2009 软管电阻和电导率测试标准

AS 1180.13B 软管总成电阻率测定标准

AS 1180 .13C 软管电气连续性测定标准

4.3 超低温复合软管选型参数

超低温复合软管选型参数见表2。

表2 参数选型

4.4 软管的选取

根据课题组提出的加注船、受注船结构尺寸及加注流量400m/H 的要求，同时综合考虑船与船之间的相对运动、以及弯曲、受拉、操作中压力和温度的循环加载、老化、紧急脱断、内部压力振荡等效应的累加软管的使用寿命等的影响，该设计中选择复合软管作为加注管，其加注软管的长度取20m，口径液相取DN150，BOG 气相取DN100。

5 安全辅助设施的研究

LNG 加注安全隐患很多，如管路接头、泵、软管发生泄漏，外部冲击等，因此必须采用安全辅助设施。该研究重点考虑了软管防绕折护板及滑道的设计。

在船舷边缘设置U 型护板，其弯曲度大于软管最小允许使用曲率半径，材料选用316L 不锈钢，耐海洋性腐蚀。同时，可为紧急脱离脱开后，随受注船的ERC，作为拖曳滑道，不与船体产生碰撞。

6 总结

该工作为前瞻性研究工作，由于LNG 燃料船对船加注具有快捷、高效的特点，不受专用码头限制，势必会得到越来越多的应用。其加注设备的重要组成件柔性软管，国内还没有生产厂家可提供超过DN150mm 的低温软管，制约了国产化率。建议可再进一步调研国内有实力的软管厂家，协同攻关，解决柔性软管国产化问题。