摘要：文章通过对LNG装卸过程中对装卸臂原材料性能、结构、密封性及主要部件的性能进行分析，选择适合的材料，进行深冷工艺处理，设计制造完全满足要求的装卸臂，并通过严格的试验程序进行试验。该款装卸臂结构简洁、性能优越、成本低，极具推广价值。
关键词：LNG船用装卸臂；旋转接头；紧急脱离装置（ERC）；液压QC/DC；国产化 文献标识码：A
1 概述
随着我国对能源需求的不断增长，引进和生产液化天然气对优化我国的能源结构，有效解决能源供应、安全、生态环保保护，实现经济社会的可持续发展将发挥重要的作用。从2006年首座液化天然气接收站在深圳大鹏建成投产以来，相续建成（包括在建）20多座，其中码头选用的关键设备――船用装卸臂一直被欧美国家所垄断，价格高、交货期长、服务不及时。无疑地对LNG码头的生产及操作的安全性带来一定的约束性。
而国内类似设备的设计与生产厂家已在常温，乃至低温乙烯装卸设备的设计与生产控制方面取得了巨大的成绩，常温装卸臂完全取代了进口产品，低温乙烯装卸臂在五年前成功打破了垄断的格局，并逐渐实现常温装卸臂一样完全取代进口产品。所以，我们已与综合实力较强的生产厂（上海冠卓）合作组成LNG装卸设备研发小组，经过近三年的不懈努力，终于成功设计、生产制造出了完全适宜LNG装卸的设备，经试验证明其主要部件的性能超过了国外同类产品。
2 LNG装卸臂技术与工艺分析
2.1 LNG装卸臂主体结构计算分析
为了全面分析整个冷却过程的影响，多个不同体系的分析被进行，包括使用四个非常详细的有限元模型进行的稳态热、稳态半耦合热力和瞬态半耦合热力分析等。使用FEMAP软件、应用计算机模拟设计，研究在各种瞬态温度荷载作用下输送臂的性能。
2.1.1 在-163℃的环境下，把液化气从海岸传输到轮船或从轮船传输到海岸，现在正面临着许多问题。这主要是因为传输设备上存在着热冲击和冰块的堆积。为了评估液化气输送臂能在寒冷的工况及变暖环境过程中的材料变化，使用FEMAP软件进行分析设计。并通过使用FEMAP software，浅析地证明，在寒冷条件下新的设计完全能满足低温工况的各种状态，而且对主要构件没有任何有害的影响。
2.1.3 码头基架立柱。基架、转轴箱、旋转接头和回转支承的三维模型，在周围的构件上研究管道的冷却效应，使用一个保守的稳态热分析对流和传导效应。
2.1.4 支承支架。支承支架的三维模型，研究了由于周围刚性约束引起的冷却和热应力的程度。虽然不容易遭受热冲击（因为板是薄的），但是支架也很容易产生一个温度梯度。因此，需要对支架进行进一步的设计和建模，来改进它们的性能。
2.2 主要部件的深冷处理方案
2.3 LNG装卸臂的旋转接头
2.3.1 旋转接头的结构分析。对旋转接头的轴对称结构建模，研究在各种瞬态温度荷载作用下它的性能。温度荷载给出了随时间变化的温度分布和温度应力。结果，对选择的节点，温度时程图、von-Mises等效应力图和相对轴向位移图，很容易地显示了冷却过程中各个阶段的不同，并帮助评估密封是否能保持产品在冷却和加载期间的密封性。
为了让旋转接头在整个装卸过程中能保持干燥并旋转灵活，改变其常温操作的结构，增加氮气吹扫系统，以便将在操作过程中产生的潮气及水蒸汽带走，防止结冰，无法转动或损坏密封圈。
2.3.2 热分析（冷却的时间）。旋转接头的二维瞬态热分析显示了，由于相对的质量和构造，凸起部分比凹陷部分冷却的更快。为了评估不同的冷却选项，在最高应力部分上最大的Von-Mises等效应力图被绘制，并在随后的图形中显示。
红色曲线：假设没有进行冷却处理就引入了液化天然气液体，分析显示了预先进行冷却处理的必要性。对选择的材料，应力超过了许用值。
蓝色曲线：使用氮气和液化天然气蒸汽的混合物，进行2个小时的深冷却处理（在现用的输送臂上进行）。当进行纯液化天然气输送时，在旋转接头产生的应力最小。
2.3.3 低温旋转接头试验。
第一，在试验温度下，当旋转接头内允许温差±5℃，充氮气待压力升至0.6MPa或更高的规定压力下，电机转动频率为0.1赫兹，旋转时进行泄漏试验，试验时间持续30分钟，采用气体定量测漏仪测量。
2.4 低温紧急脱离装置
2.4.1 性能要求。
第一，对于液相式装置应先关闭球阀，再松开夹紧机构以实现脱离。
第四，紧急脱离装置夹紧机构采用弹性夹紧，夹紧应保证密封和锁紧可靠；紧急脱离装置成装后应进行壳体常温耐水压试验，试验压力为设计压力的1.5倍，应无可见渗漏。
第七，紧急脱离接头释放机构在结冰的情况下蓄能系统应确保切实的脱离。
2.4.2 安装要求。
第一，采用不锈钢螺栓。
第三，低温试验前用氮气将阀腔、管道内脱脂并吹扫干净。
2.4.3 低温紧急脱离装置试验。
第二，紧急脱离装置的低温分离试验在试验平台上进行
2.5 EQC/DC《快速接头》
2.5.1 产品用途及结构。快速接头是安装在输油臂末端，与槽船歧管法兰联接的装置，它通过电气控制系统控制液压系统使输油臂与槽船歧管法兰实现自动、快速、可靠联接。
其结构主要由阀体合件3、回转支撑2、组合拉杆1、推杆5、加力弹簧6、卡爪7、液压缸4、液压系统和电器控制系统等九个主要零、部件组成。液压系统、电气控制系统附于输油臂相关系统之中（见图表1，图中电气液压系统未绘制）。
2.5.2 快速联接装置工作原理。联接装置在电气液压系统的控制下，卡爪处在最大开启状态，用人工（或用遥控器）操纵快速接装置将联接装置下端导向块与槽船管线法兰对正，使两法兰面贴紧。通过电液控制系统控制，启动油缸推动回转环旋转，从而推动4个压紧机构的上端一起旋转，带动压紧机构推动卡爪绕销轴转动，使卡口贴紧槽船法兰端面，回转环的进一步旋转引起压紧机构弹簧的压缩，使卡爪对法兰端面产生压紧力，当压紧机构的轴线与阀体轴线重合时，弹簧载荷最大。当压紧机构轴线相对卡爪稍过中心线3°～5°角（使压紧机构处在自锁状态）时，回转环停止旋转。此时，弹簧产生的载荷，通过卡爪的卡口端面加在法兰上的力≥法兰在操作状态下所需的密封圈的压紧力与操作状态下所需的螺栓载荷之和，整个锁紧就完成了。在该位置回转环将在机械式定位装置下限制转动。
当工作结束时，先关闭阀门，切断槽船管线与输油臂管线之间的介质流动，启动旋转油缸反方向推动回转环旋转，转动初始，使弹簧卸载，继续旋转回转环，通过压紧机构带动卡爪旋转，使卡爪脱开并开到位。此时输油臂带动快速联接装置一起与槽船管线分离。
2.5.3 压力等级应与装卸臂压力等级相同。
2.5.4 快换接头的设计能适应集油管法兰的公差带，夹紧机构的设计必须完全满足使用要求。
2.5.7 快换接头应有一个法兰盖，当用户要求时法兰盖上可有一个螺纹孔并装一螺塞。
2.5.8 连接法兰、锁紧件等在精加工前作两次深冷处理。
2.5.9 快换接头应在有试验压力及试验负荷Pct情况下进行试验。
以上结构的液压快速接头（DC/DC）由上海冠卓公司设计、生产制造，其结构较欧美国家FMC、SVT的结构简单，经实践证明不仅完全满足各种温度、各种工况下技术要求，而且操作方便、易维护。
2.6 低温臂操作试验
2.6.1 操纵试验。
第三，试验应演示下列内容：完整的液压系统；控制及报警系统；紧急脱离系统阀门及紧急脱离接头动作时间；装卸臂及紧急脱离系统的安全操作；各种联锁的操作；控制台及遥控操作；在码头平面的作业包络范围；规格一致性检验；由蓄能器压力下降及阶段报警启动的液压泵自动运行
2.6.2 低温试验。
第一，进行低温乙烯装卸臂的试验目的。检验LNG装卸臂在规定低温（-163℃）状态下紧急脱离装置能否安全脱离且双球阀安全关闭，同时检验脱离整机的平衡状态。
3 结语
总上所述，我们与冠卓联合技术开发小组是利用原有的常温装卸臂的技术为基础，结合超低温装卸过程中对设备的要求，通过改变原主要部件的材质及进行特殊的工艺处理，对密封结构及性能的调整、使其完全满足在超低温状态下的工作工况，获得两项专利，且经实践证明其密封性及操作的灵活性超过了进口的欧美产品，而生产成本较进口产品低了许多，更重要的是令操作人员一直头痛的服务问题彻底得到了保证。如果该装卸臂在行业中落到实处地得到推广的话，可实现节约成本、减少项目建设投资的目的，使作业的连续性、稳定性、安全性均得到保证。
参考文献
[1] OCMIF.Design and Construction Specification for Marine Loading ArmsThird Edition.1999.