装卸臂快速离合器故障原因分析及解决措施

刘久刚，王庆军，徐小伟，柳 超，崔 均

(1.国家管网集团大连液化天然气有限公司，辽宁大连 116600；2.国家管网集团北海液化天然气有限责任公司，广西北海 536000）

装卸臂（图1）是液化天然气（LNG）接收站船岸联通的重要输送设备［1-8］，快速离合器则是装卸臂与船上歧管连接，将LNG 在船和陆地储罐间相互输送的重要部件。目前国内已建成LNG 接收站安装的装卸臂多为进口设备。某LNG 接收站安装有4 台FMC Technologies SA 公司生产的型号为20″×20″×65′FP DCMA″S″的装卸臂（2 台液相臂、1 台气相臂、1 台气液两用臂），其上选用5 个紧固柱式Quikcon Ⅲ液压自动紧固型快速离合器［9］。装卸臂设计压力1.79 MPa，液相臂操作压力0.52 MPa，气相臂操作压力0.018 MPa，设计温度-170/60 ℃，操作温度-162 ℃。

图1 装卸臂结构示图

在卸料臂与船连接操作使用过程中，快速离合器频繁发生多种故障，甚至造成卸船过程中连接法兰外漏卸船中断的现象［9-17］，且冬季外漏几率大于夏季。文中对快速离合器故障产生原因进行详细分析［11］，并提出了相应的解决措施。

1 快速离合器结构和控制原理

1.1 结构特点

Quikcon Ⅲ型快速离合器（图2）是FMC Technologies SA 公司针对20″×20″× 65′FP DCMA″S″装卸臂开发的快速船岸液压法兰连接装置，由液压阀组、液压电动机、传动装置、定心器和夹具组件等组成。

图2 Quikcon Ⅲ型快速离合器结构简图

快速离合器工作时，通过控制液压阀组，使液压马达和齿轮动作（图3），带动紧固螺杆旋转，从而紧固或松开紧固头，由此达到紧固船岸连接法兰的目的［2，4，8，17-19］。

图3 Quikcon Ⅲ型快速离合器紧固件总成简图

快速离合器的特点：①自动化程度高，劳动强度低。通过控制液压系统可以方便快速地将船岸法兰连接和松开，提高了效率［1，8-9，16］。②紧固到位后，结构自动锁紧，不会因松弛造成紧固力减小法兰外漏。③适应性强，不受船舶歧管法兰规格、厚度影响。④对接过程中可以导向对中，减小操作难度。⑤易操作，但日常维护复杂，维护成本较高。⑥紧固到位后，若卸船发生泄漏，会因冰冻无法再进行紧固处理。

1.2 控制原理

Quikcon Ⅲ型快速离合器液压系统是用1 个液压阀组控制5 个液压紧固器，其液压控制图见图4。

图4 Quikcon Ⅲ型快速离合器液压控制图

为保证法兰紧固时，5 个紧固器都能紧固到位，达到设计力矩要求，使用了串/ 并联2 种模式。紧固初期，为达到同步紧固，采取串联模式，使每一个紧固液压马达转速相同，当某个或几个紧固器紧固到位后，液压阀组自动切换为并联模式，液压供给可以继续转动的紧固器，从而驱动没有到位的紧固器继续紧固到位。Quikcon Ⅲ型快速离合器关闭过程中的串联、并联模式分别见图5、图6。图5、图6 中出现的数字、字母代表不同的液压油流道。

图5 Quikcon Ⅲ型快速离合器关闭过程中串联模式

图6 Quikcon Ⅲ型快速离合器关闭过程中并联模式

2 快速离合器故障现象

①在装卸臂操作过程中，频繁出现快速离合器打开并完全伸出后，有的紧固螺杆卡涩不再动作，无法紧固连接法兰的状况。②液相臂B 臂快速离合器频繁发生紧固头动作不同步，甚至某几个不动作的故障。③液相臂C 臂快速离合器多次出现其中1 个紧固头紧固到位后，又自动打开的现象。现场将此紧固液压系统拆下更换到其他装卸臂的快速离合器上，却没有出现紧固后又自动打开的现象。④快速离合器5 个紧固头同时不动作。⑤紧固过程中，全部紧固头都动作，但快要紧固到位时，某个或几个紧固卡头始终无法紧固达到力矩要求。

3 快速离合器故障原因分析及初步解决措施

3.1 紧固件结构设计加工缺陷

4 个装卸臂在操作过程中紧固螺杆伸出到极限位置不回位，是因紧固件结构存在设计加工缺陷，紧固螺杆旋转到根部后螺纹脱扣，造成螺杆不能回位。为防止螺纹脱扣，将紧固螺杆的根部螺纹削掉一部分，同时在螺杆顶部增加尺寸大于螺纹端部的螺母，使其在任何位置都能旋入。同时，操作时要求紧固螺杆不要伸到极限位置。

3.2 液压分配器内部流道加工缺陷

根据液压分配器设计原理，操作时5 个紧固头应同向旋转，而不应该出现快速离合器关闭后个别紧固螺杆在紧固过程中自动开启的现象。将出现与操作要求反向旋转的紧固件总成更换到其他装卸臂进行操作，均没有出现类似反向旋转问题。分析认为是液压分配器内部流道存在加工缺陷，流向控制出现了异常。更换新的液压分配器后，再未出现紧固过程中紧固螺杆自动开启现象。

3.3 液压分配器关闭压力不足

实际操作中，快速离合器紧固后，全速卸料过程中还是出现外漏现象。重新对液压分配器紧固油压进行计算核实，发现原设计的快速离合器关闭压力10.5 MPa 无法满足现场实际紧固力矩要求，故将关闭液压提高到18 MPa。调整后经现场测试，紧固力矩达到密封要求。快速离合器液压分配器压力调整具体位置见图7。通过对关闭压力调整杆的关闭和开启压力调整杆的打开，来调整液压分配器的关闭压力，达到离合器快速关闭的设计要求。

图7 液压分配器压力调整位置

3.4 液压油低温黏性问题

冬季液压油黏度增大，会使管道阻力增加，当冬季温度低于-16 ℃时，液压油泵启动多次出现过载现象。经统计，冬季快速离合器发生外漏频率非常高。原设计使用的是牌号Tellus T32 液压油，经卸料臂制造商重新核算后，更换为牌号Tellus S2V22 液压油。更换液压油后，冬季再未出现快速离合器紧固力矩不到位情况，外漏现象有所改善。

3.5 液压系统缺陷

装卸臂快速离合器5 个紧固头动作不同步，是油压不通或液压分配器内部有气体，造成液压不稳定所致。应重点检查液压阀组油压管路内是否存有气体、液压分配器是否堵塞、油压管快速接头处是否没有虚接等，经过排气、疏通并将紧急断开的快速接头处虚接改正后，5 个紧固头动作不同步问题得到了解决。

4 更换使用新结构快速离合器

采取上述初步解决措施后，装卸臂快速连接法兰泄漏明显减少，但泄漏现象还是时有发生，并且都发生在预冷结束即将全速卸船时，泄漏的装卸臂位号也无规律可循。在122 艘接船中共有15 艘船出现泄漏，经详细检查，发现有些是操作时没有严格按照要求将法兰紧固到位，有些是紧固螺杆结构的固定螺母松动造成无法紧固，具体泄漏原因见表1。

表1 装卸臂快速连接法兰泄漏原因统计

针对固定螺母松动问题，通过对介质温度以及法兰紧固力的计算，综合考虑原快速离合器质量，为满足卸料臂平衡要求，采用轻型合金设计制造了一种新结构形式的快速离合器（图8），并在1 台卸料臂上实验性更换使用。此快速离合器与原快速离合器最大的不同是液压只作为拉动紧固夹块动作的动力，而紧固力矩由弹簧完成。

图8 更换使用的新结构快速离合器

更换使用的新结构快速离合器主要由液压驱动机构、压紧机构、夹紧装置及导向对中机构等组成，与现有离合器结构相比具有结构简单、控制方便、可靠性高、维修方便及劳动强度低等优点，并能确保连接更加紧密，无任何卡滞现象。夹紧后夹紧位置呈过角度（即超过夹紧的垂直位置），可以起到自锁防松的作用。6 根弹簧在同一个回转体上一起旋转，锁紧过程中逐渐被压缩，当超过90o线时，液压缸无需继续推动，利用弹簧的压紧力即可实现锁紧法兰，不会发生回弹现象。

5 结束语

造成LNG 接收站低温装卸臂快速离合器故障的主要原因是结构件设计缺陷、液压分配器内部流道加工缺陷以及液压分配器关闭压力设定值不足，考虑寒冷地区耐低温液压油低温黏性以及操作规范性，重新设定液压分配器关闭压力，并更换了新结构快速离合器，圆满解决了快速离合器故障问题，减少了卸船中快速离合器外漏现象，满足了卸船的安全要求，可为快速离合器的维修维护及国产化设计提供借鉴。