LNG裝卸系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀研究與分析

劉云，楊亮，靜玉曉

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

（2.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100028）

LNG接收終端可分為陸地接收終端和海上接收終端。陸地接收終端目前在世界范圍內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用，并且隨著天然氣需求的增加仍在快速發(fā)展。海上LNG接收終端是近年來提出的一種新的接收終端形式，目前在世界上已有工程實(shí)例。海上LNG接收終端可分為浮式接收終端和固定式接收終端，其中固定式接收終端與陸地接收終端類似。根據(jù)LNG接收終端形式的不同，采用的LNG卸料方式也不同[1]。

LNG卸料臂（LNG Marine Loading and Unloading Arms）是一種安裝在碼頭上（或浮式終端上）的用于卸料的鉸接管道系統(tǒng)，當(dāng)LNG運(yùn)輸船抵達(dá)接收站專用碼頭后，通過液相卸料臂和卸料管線，借助船上的卸料泵將LNG送進(jìn)接收站的儲罐內(nèi)，同時儲罐內(nèi)的BOG氣體通過回氣管線和氣態(tài)回氣臂，返回到LNG運(yùn)輸船[2-3]。卸料臂和回氣臂結(jié)構(gòu)相同，通常包括三維旋轉(zhuǎn)接頭、外臂、內(nèi)臂、頂端旋轉(zhuǎn)接頭、基礎(chǔ)立管以及連接內(nèi)臂和基礎(chǔ)立管之間的旋轉(zhuǎn)接頭等工藝管道及其支撐結(jié)構(gòu)和附件。剛性卸料臂系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、性能可靠、已在實(shí)際工程應(yīng)用等特點(diǎn)，但其運(yùn)動補(bǔ)償性能較弱。自20世紀(jì)70年代開始使用剛性臂卸料系統(tǒng)以來，已有400多套用于實(shí)際工程（絕大多數(shù)用于LNG運(yùn)輸船對陸上儲存氣化裝置）。

1 LNG卸料臂結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

圖1為全平衡型卸料臂（FBMA）結(jié)構(gòu)示意圖[4]。該結(jié)構(gòu)臂操作簡單、自重輕、占地空間小、風(fēng)載荷小。裝卸臂設(shè)計(jì)為自支撐結(jié)構(gòu)，采用較大的旋轉(zhuǎn)接頭以承擔(dān)所有內(nèi)部、外部載荷和所有彎矩；立柱、耳軸和高點(diǎn)處均采用硬質(zhì)滾道的旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)為能夠承受全部載荷和彎矩，在裝卸過程中僅有內(nèi)臂、外臂的介質(zhì)總量和風(fēng)載荷作用在LNG運(yùn)輸船法蘭上。

圖1 全平衡型卸料臂（FBMA）結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為旋轉(zhuǎn)平衡型卸料臂（RCMA）結(jié)構(gòu)示意圖。旋轉(zhuǎn)平衡型卸料臂的特點(diǎn)是由一個平衡配重系統(tǒng)保持內(nèi)、外臂平衡，卸料管與機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立。操作簡單、易于更換密封圈、獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)接頭和管線的口徑統(tǒng)一、旋轉(zhuǎn)接頭型號統(tǒng)一，備件少、伸出跨距大。

圖2 旋轉(zhuǎn)平衡型卸料臂（RCMA）結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為雙平衡型卸料臂（DCMA）結(jié)構(gòu)示意圖[5]。該結(jié)構(gòu)卸料臂由兩個平衡重系統(tǒng)保持內(nèi)、外臂平衡，卸料臂在所有位置均保持平衡，卸料管與機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立。這樣的雙配重可以減小卸料臂各部分運(yùn)動的慣性，在因運(yùn)輸船緊急離岸作業(yè)造成裝卸臂應(yīng)急脫離，避免裝卸臂的產(chǎn)生失衡動態(tài)運(yùn)動時，這種結(jié)構(gòu)能體現(xiàn)出其雙平衡優(yōu)勢。

圖3 雙平衡型卸料臂（DCMA）結(jié)構(gòu)示意圖

從國際上幾家裝卸臂廠家的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)看，目前基本可分為三個體系：一是德國原康奈克斯公司（即現(xiàn)在的SVT公司）的繩輪式獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)，采用固定鋼繩，液壓系統(tǒng)調(diào)整輪鼓；二是法國的FMC公司的繩輪式自支撐結(jié)構(gòu)，以及FMC公司的混合式結(jié)構(gòu)，即介質(zhì)管道部分承受外載荷，主要載荷由支撐結(jié)構(gòu)承受；三是連桿式結(jié)構(gòu)，英國Woodfield公司及德國EMCO公司屬此類。此種結(jié)構(gòu)的裝卸臂材料用量大，對工藝要求高，而其最大的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整平衡時較為容易，無需每年檢驗(yàn)鋼絲繩強(qiáng)度。

2 LNG卸料臂國外技術(shù)特征比較

法國FMC公司卸料臂的旋轉(zhuǎn)接頭等關(guān)鍵部件和零部件均取得勞氏船級社認(rèn)證。其在卸料臂方面擁有很多專利技術(shù)，例如FMC卸料臂旋轉(zhuǎn)接頭專利技術(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用嵌入式滾珠軌道，是高強(qiáng)度的不銹鋼合成材料制成的。設(shè)計(jì)了特有的鋼珠保護(hù)套，軸承滾珠不會與旋轉(zhuǎn)接頭本體發(fā)生任何直接接觸，因此旋轉(zhuǎn)接頭本體不會因長期運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損而發(fā)生泄漏問題，大大節(jié)省了運(yùn)行維護(hù)成本。旋轉(zhuǎn)接頭配置雙重彈性LNG密封保護(hù)。液壓缸采用兩段式，這與其他廠家產(chǎn)品有明顯不同。圖4為FMC快速連接/解脫系統(tǒng)，兩段式液壓缸可實(shí)現(xiàn)發(fā)生緊急脫離船與臂脫離移位后又歸位時，還可以繼續(xù)開啟閥門使船與臂重新連接[6]。

日本NIGATA公司的技術(shù)來自于法國FMC公司，卸料臂的結(jié)構(gòu)型式和特點(diǎn)與法國FMC公司的產(chǎn)品基本相同。

圖4 FMC快速連接/解脫系統(tǒng)

德國SVT公司卸料臂的技術(shù)特點(diǎn)是，所有的旋轉(zhuǎn)接頭兩側(cè)均用法蘭連接，便于拆卸，旋轉(zhuǎn)接頭都配有襯墊，可以使冷量迅速傳到閥門球體處，產(chǎn)品側(cè)有雙密封裝置，在不拆卸閥球體軸承的情況下，主密封和次密封可從動態(tài)密封面更換，接頭外側(cè)也要密封以防止水和灰塵的進(jìn)入，同時也使得球室和氮?dú)飧艚^。SVT的這種低溫旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)可以在不拆卸軸承座圈的情況下更換密封材料，縮短了維修時間。SVT的緊急脫離裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，閥門采用可緩沖壓力激增的球閥，ERC有一個機(jī)械連鎖裝置以防止閥門在開放狀態(tài)下分離，緊急脫離后的重新連接簡單方便。

德國EMCO WHEATON公司卸料臂總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，具有如下特點(diǎn)：LNG旋轉(zhuǎn)接頭焊有司太立硬化滾珠軸承，LNG旋轉(zhuǎn)接頭采用搖動型設(shè)計(jì)，雙配重結(jié)構(gòu)，所有平衡塊都位于底座后部，以減少風(fēng)載荷，特別是收回時外臂通過剛性聯(lián)桿移動和平衡，聯(lián)桿不需要維護(hù)，可通過調(diào)節(jié)雙配重結(jié)構(gòu)使內(nèi)臂和外臂平衡，液壓系統(tǒng)可以在低壓條件下操作。

圖5 SVT公司緊急脫離系統(tǒng)

圖6 EMCO公司卸料臂結(jié)構(gòu)圖

3 LNG卸料臂關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 旋轉(zhuǎn)接頭密封

旋轉(zhuǎn)接頭是LNG卸料臂中關(guān)鍵核心部件。剛性結(jié)構(gòu)的管道可以通過旋轉(zhuǎn)接頭運(yùn)動。管道既可以實(shí)現(xiàn)輸送液體的功能又可在所有連接面實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)接頭可以滿足易操作、安全、低磨損的要求。典型的旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)如圖7所示（EMCO公司產(chǎn)品）。

圖7 EMCO旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)接頭要求兩邊的管道由旋轉(zhuǎn)接頭連接，并可以通過接頭互相旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)上要求防止液體泄漏、能夠承受載荷和壓力、旋轉(zhuǎn)時要求低摩擦損失。旋轉(zhuǎn)接頭在出廠時要經(jīng)過嚴(yán)格的泄漏測試。EN1474和OCIMF中均對旋轉(zhuǎn)接頭的測試有相關(guān)要求。OCIMF關(guān)注機(jī)械整體性：摩擦腐蝕壓痕、密封泄漏、結(jié)構(gòu)失效。EN1474的規(guī)定涵蓋了OCIMF中旋轉(zhuǎn)測試要求，在某些方面比OCIMF要求更精確。一般卸料臂廠家的旋轉(zhuǎn)接頭密封性要遠(yuǎn)高于這個規(guī)范的要求。

3.2 緊急脫離系統(tǒng)（ERS）

ERS研制于上世紀(jì)80年代，現(xiàn)已日趨成熟。以法國FMC、德國SVT為代表的國外海洋裝卸臂生產(chǎn)商研制的ERS均采用雙球閥連鎖緊急切斷和緊急脫離接頭機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)動作原理是由卸料臂超位報(bào)警系統(tǒng)啟動液壓控制系統(tǒng)，通過機(jī)械或液壓連鎖實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)斷、連接機(jī)械接頭脫開。表4為卸料臂接口連接方式。

表4

當(dāng)卸船臂超過了數(shù)據(jù)表中規(guī)定的工作范圍減去安全余量的值時，緊急脫離系統(tǒng)就會自動激活?？刂葡到y(tǒng)中有自動移動的措施以使得緊急脫離系統(tǒng)開啟時LNG卸料臂與LNG運(yùn)輸船甲板和船側(cè)徹底脫離。緊急脫離系統(tǒng)可以由碼頭控制室、指定的室外操作點(diǎn)和通過接收站的ESD系統(tǒng)的硬件信號控制。緊急脫離系統(tǒng)的控制系統(tǒng)還配有防止誤操作的保護(hù)措施（如安全銷或保護(hù)蓋）。

一般緊急脫離系統(tǒng)的雙球閥應(yīng)是液壓啟動且關(guān)閉時間為5s，緊急脫離系統(tǒng)從開始啟動到脫離完成的時間不超過7s，包括閥門的5s關(guān)閉時間。卸料臂廠家可根據(jù)用戶特別需求調(diào)整時間的設(shè)定。

緊急脫離系統(tǒng)脫離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求能夠確保徹底分離、破除冰層，并能夠在低溫環(huán)境從LNG運(yùn)輸船移開和重新安裝。如圖8所示，緊急脫離系統(tǒng)在出廠時需要經(jīng)過高壓性能測試。ERS上部球閥的壓力升高是卸料臂規(guī)范的突破。這是由于LNG運(yùn)輸船管匯規(guī)格為150#，LNG船貨艙允許的壓力為0.5bar。ERS上部球閥39bar下的低溫測試遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：3bar、10bar、39bar時的兩次連續(xù)測量結(jié)果相差不超過10%，最大允許泄漏率為400ml/min。

圖8 ERS現(xiàn)場測試

3.3 快速連接裝置（QC/DC）

QC/DC包括接頭直管及裝在直管端部的至少三個夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)有夾緊爪，在直管上設(shè)有固定架，在固定架的上端通過卸船臂都配有手動或液動的與LNG輸送船接口快速連接/脫離的裝置。連接和脫離操作可以從就地控制盤、中央卸船臂控制盤、碼頭平臺或可移動的無線控制裝置操作。具體結(jié)構(gòu)見圖4FMC快速連接/解脫系統(tǒng)。

在液壓或電力系統(tǒng)失效時，快速連接裝置應(yīng)能自動防止故障并保持與LNG運(yùn)輸船接管法蘭安全鎖緊?？焖龠B接裝置的最小/最大關(guān)閉時間按照OCIMF的規(guī)定設(shè)計(jì)。若發(fā)生液壓泵或管線中沒有壓力、液壓裝置或閥門泄漏等造成液壓失效情況時，快速連接裝置應(yīng)可以通過手動松開。

3.4 雙配重結(jié)構(gòu)

雙配重結(jié)構(gòu)即雙平衡型結(jié)構(gòu)。目前幾個國外廠家均可生產(chǎn)此結(jié)構(gòu)類型的卸料臂。此種結(jié)構(gòu)卸料臂由兩個平衡重系統(tǒng)保持內(nèi)、外臂平衡，卸料臂在所有位置均保持平衡，卸料管與機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，可以減小卸料臂各部分運(yùn)動的慣性，在離岸作業(yè)因運(yùn)輸船運(yùn)動引起的動態(tài)條件時，這種結(jié)構(gòu)更能體現(xiàn)出優(yōu)勢。當(dāng)運(yùn)輸船緊急脫離后，卸料臂能夠立即被抬高，避免臂碰撞到船舶匯管或護(hù)欄而產(chǎn)生火花造成安全隱患，而單配重（即旋轉(zhuǎn)平衡型）的臂在發(fā)生緊急脫離時，由于配重的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式，會先向前俯沖，之后才能被升高。

4 結(jié)語

目前國際上生產(chǎn)LNG裝卸料系統(tǒng)的廠家屈指可數(shù)，幾乎壟斷市場，LNG裝卸料設(shè)備價格昂貴。以16寸剛性卸料臂為例，單價約為100萬美元。目前接收站接收船型范圍寬廣，通常需要建設(shè)兩個碼頭，至少需要兩套卸料系統(tǒng)，每套卸料系統(tǒng)由3臺液相臂和1臺氣相臂組成，因此每個接收站至少需8臺卸料臂，總價約為1000萬美元。

結(jié)合我國實(shí)際情況，我國LNG項(xiàng)目（液化廠、接收站）建設(shè)正快速開展，約有近百個液化廠和接收站，其中國內(nèi)已投運(yùn)的LNG接收站19個，目前國內(nèi)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)大口徑LNG剛性卸料臂關(guān)鍵設(shè)備的能力尚不成熟，整套設(shè)備或關(guān)鍵部件以國外進(jìn)口為主，這意味著上百億人民幣的投資。由此可見，面對國內(nèi)LNG接收站和液化廠的迅速發(fā)展，LNG裝卸料系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化需求越來越迫切，這不僅可提升國內(nèi)裝備技術(shù)水平，還將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

◆參考文獻(xiàn)

[1] Refrigerated light hydrocarbon fluids-Sampling of liquefied natural gas-Continuous and intermittent methods.ISO 8943.2007.

[2] Liquefied Gas Handling Principles on Ships and in Terminals.McGuire,White.2000.

[3] Refrigerated light hydrocarbon fluids -Liquefied natural gas-Procedure for custody transfer on board ship.ISO 13398.1997.

[4] BP Statistical Review of World Energy 2010.BP.2010.

[5] Installations and equipment for liquefied natural gas-General characteristics of liquefied natural gas.BS EN1160.1997.

[6] Design and construction specification for marine loading arms. OCIMF.1999.

[7] Installations and equipment for liquefied natural gas-Design and testing of marine transfer systems.BS EN1474-1.2008.