具有自動(dòng)驗(yàn)漏功能的快速連接裝置

胡旭杰， 宋新偉

（連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司， 江蘇 連云港 222000）

0 引言

天然氣是公認(rèn)的清潔能源，具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等特點(diǎn)[1]。 2009—2019 年我國(guó)天然氣消費(fèi)量從902億立方米增長(zhǎng)至3067 億m3，年均增速高達(dá)13.0%[2]。據(jù)國(guó)際能源署的最新年度報(bào)告， 預(yù)計(jì)到2030 年增長(zhǎng)至5734 億立方米， 比2020 年增長(zhǎng)近70%[3]。 隨著我國(guó)天然氣需求量的快速增長(zhǎng)[4-7]，大量的LNG 需要進(jìn)口，進(jìn)口至國(guó)內(nèi)的LNG 以公路運(yùn)輸中的槽車運(yùn)輸為主[8-9]，LNG 槽車運(yùn)輸可將LNG 輸送到天然氣管網(wǎng)無法覆蓋的地區(qū)，是天然氣輸送的重要組成形式[10-12]。 在LNG 裝車站內(nèi)，LNG 槽車需要通過裝車臂進(jìn)行充裝。 因此，裝車臂的設(shè)計(jì)往往會(huì)影響槽車充裝過程效率， 進(jìn)而影響整個(gè)裝車站LNG 外輸?shù)哪芰13-15]。第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)LNG 裝車臂于2011 年在廣東大鵬LNG 接收站問世，經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國(guó)LNG 裝車撬的水平已與國(guó)外技術(shù)無差距，且部分技術(shù)領(lǐng)先于國(guó)外[16-17]，但仍存在自動(dòng)化水平低等問題[18-19]，現(xiàn)有裝車臂均采用松套法蘭與LNG 槽車對(duì)接，每次連臂或拆臂均需要擰8 根螺栓，操作困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。而為了保證LNG 充裝過程的安全，每次連接完成后，均需要采用肥皂水檢測(cè)連接處是否泄漏，不僅操作麻煩而且接口下半部分不便觀察，在夜間，微小泄漏更難以發(fā)現(xiàn)。 在冬季，當(dāng)溫度降低到0℃以下后，肥皂水容易結(jié)冰，難以使用。目前一名操作人員只能負(fù)責(zé)2～3 臺(tái)撬，裝車站需要配備大量的操作人員。

針對(duì)采用肥皂水驗(yàn)漏存在的問題， 開展快速連接技術(shù)與高精度自動(dòng)驗(yàn)漏技術(shù)研究， 研發(fā)了一種具有自動(dòng)驗(yàn)漏功能的快速連接裝置（以下簡(jiǎn)稱驗(yàn)漏快接）代替裝車臂末端的松套法蘭與槽車對(duì)接。 主體為一根用于輸送LNG介質(zhì)的管道，管道內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，不增加阻力；外部設(shè)置有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)置、螺紋-連桿組合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)裝車臂與槽車的快速對(duì)位、快速連接功能[20－21]；在此基礎(chǔ)上還增加了高精度驗(yàn)漏裝置和相關(guān)控制程序， 引入一股高壓氣體至對(duì)接板的密封面內(nèi)， 通過測(cè)量氣體的壓力判斷連接處是否泄露，代替肥皂水對(duì)連接處進(jìn)行驗(yàn)漏，具有便于操作，可靠性高，受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及設(shè)計(jì)參數(shù)

充裝時(shí)，裝車臂內(nèi)LNG 的溫度約為-160℃，壓力約為0.6MPa，流量約為60m3/h，綜合考慮裝車臂的使用條件、設(shè)計(jì)參數(shù)、安全系數(shù)等因素，確定快接裝置及驗(yàn)漏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：公稱直徑DN50，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度-196～+60°C，設(shè)計(jì)流量80m3/h，驗(yàn)漏壓力0.6MPa，驗(yàn)漏時(shí)間15s，驗(yàn)漏精度200Pa。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

驗(yàn)漏快接如圖1 所示， 具有快速連接功能和自動(dòng)驗(yàn)漏功能，管道一端與裝車臂末端相連，用于將快接裝置安裝在裝車臂上，另一端與對(duì)接板焊接，對(duì)接板用于與LNG槽車接口法蘭對(duì)接； 兩個(gè)支撐環(huán)固定在管道上的指定位置，用于支撐外螺紋套筒，使外螺紋套筒無法沿管道軸向移動(dòng)，只能相對(duì)管道轉(zhuǎn)動(dòng)；外螺紋套筒通過螺紋與內(nèi)螺紋套筒配合運(yùn)動(dòng)，手輪焊接在外螺紋套筒上，通過手輪可帶動(dòng)外螺紋套筒繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)， 通過螺紋驅(qū)動(dòng)內(nèi)螺紋套筒沿管道軸線左右移動(dòng)； 內(nèi)螺紋套筒外側(cè)均勻分布四個(gè)連接臺(tái)，連接臺(tái)與傳動(dòng)桿一端鉸接，傳動(dòng)桿的另一端與壓緊桿的一端鉸接，壓緊桿中部與支撐座鉸接，另一端設(shè)有先向下再向后彎曲而成的小凸臺(tái)，用于對(duì)接時(shí)壓緊LNG 槽車接口法蘭；支撐座和導(dǎo)向桿固定在對(duì)接板上，支撐座用于支撐壓緊桿，使壓緊桿可以繞支撐座的安裝孔旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向桿焊接在對(duì)接板上，起到導(dǎo)向和保護(hù)壓緊桿的作用，密封墊片安裝在導(dǎo)向桿上并緊貼對(duì)接板的密封面， 材質(zhì)為PTFE，具有良好的密封性能和耐低溫性能，且能夠重復(fù)使用。

圖1 驗(yàn)漏快接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the leak-detection-quick-connect device

對(duì)接板的前端面上設(shè)有環(huán)形凹槽， 后端面上設(shè)有與環(huán)形凹槽相通的測(cè)量孔，如圖2 所示，測(cè)量孔上連接有用于將氣體引入環(huán)形凹槽內(nèi)的測(cè)量管。 測(cè)量管從兩個(gè)支撐環(huán)和外螺紋套筒與管道之間的縫隙穿過， 另一端與測(cè)量塊出口相連， 測(cè)量塊固定在管道上，測(cè)量塊包括入口、出口和測(cè)量口， 出口與測(cè)量管連接， 測(cè)量口連接有高精度壓力傳感器， 入口連接有用于控制氣體通斷的電磁閥。

圖2 對(duì)接板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the docking board

1.3 工作原理

具有自動(dòng)驗(yàn)漏功能的快接裝置的工作過程分為連接和驗(yàn)漏兩步， 連接是通過手輪帶動(dòng)外螺紋套筒繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)， 外螺紋套筒通過螺紋驅(qū)動(dòng)內(nèi)螺紋套筒沿管道軸線左右移動(dòng)， 內(nèi)螺紋套筒通過傳動(dòng)桿帶動(dòng)壓緊桿繞支撐座轉(zhuǎn)動(dòng)， 使壓緊桿張開或閉合，實(shí)現(xiàn)快接裝置與槽車法蘭接口的斷開或連接。

連接完成后，自動(dòng)開始驗(yàn)漏，包括充氣、穩(wěn)壓、測(cè)量三個(gè)過程，如圖3 所示。電磁閥接通后，通過測(cè)量管向?qū)影宓沫h(huán)形凹槽內(nèi)充入一股高壓氣體，充氣完成后，電磁閥關(guān)閉，穩(wěn)壓一段時(shí)間后，根據(jù)壓差判斷連接處是否泄漏。

圖3 驗(yàn)漏原理圖Fig.3 Leak detection schematic

1.4 工作流程

1.4.1 連接

首先逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪， 使外螺紋套筒帶動(dòng)內(nèi)螺紋套筒向左運(yùn)動(dòng)， 通過傳動(dòng)桿帶動(dòng)壓緊桿張開， 讓出空間， 然后推動(dòng)裝車臂使快接裝置上的密封墊片與槽車接口法蘭基本貼合， 最后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪， 使外螺紋套筒帶動(dòng)內(nèi)螺紋套筒向右運(yùn)動(dòng)，通過傳動(dòng)桿帶動(dòng)壓緊桿閉合，使壓緊桿另一端的凸臺(tái)壓緊LNG 槽車背部，如圖4 所示，由于LNG 槽車接口法蘭固定在槽車上， 無法移動(dòng)， 因此LNG槽車接口法蘭對(duì)拉緊桿的反作用力將通過快速連接裝置拉動(dòng)裝車臂向左移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的力量越大，對(duì)接板與LNG 槽車接口法蘭壓得越緊，最終將密封墊片完全壓緊，實(shí)現(xiàn)密封。

圖4 驗(yàn)漏快接與目標(biāo)法蘭對(duì)接完成圖Fig.4 Leak-detection-quickconnect device connected with the target flange

1.4.2 驗(yàn)漏

初始時(shí)，自動(dòng)驗(yàn)漏系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)，連接完成后，操作人員按下“啟動(dòng)”按鈕開始自動(dòng)驗(yàn)漏，首先電磁閥打開，高壓氣體通過進(jìn)氣管、測(cè)量塊、測(cè)量管進(jìn)入對(duì)接板的環(huán)形凹槽內(nèi)， 達(dá)到設(shè)定壓力后電磁閥自動(dòng)關(guān)閉并進(jìn)入穩(wěn)壓階段， 穩(wěn)壓一定時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入測(cè)量階段， 測(cè)量結(jié)束后，根據(jù)壓差△P 反饋測(cè)量結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)驗(yàn)漏系統(tǒng)反饋測(cè)量結(jié)果Fig.5 Automatic leak detection system feeds back the measurement results

2 應(yīng)用情況

調(diào)試合格后， 在中國(guó)石化青島LNG 槽車充裝中心進(jìn)行試運(yùn)行以充分驗(yàn)證其實(shí)用性，采用驗(yàn)漏快接裝置進(jìn)行了大量裝車臂連接及自動(dòng)驗(yàn)漏工作，如圖6 所示。 累計(jì)裝車百余輛，連接省時(shí)省力，操作便捷，自動(dòng)驗(yàn)漏結(jié)果準(zhǔn)確可靠，正確率100%。 采用加力杠桿壓緊后，全程無泄露。液相壓力、裝車流量等工藝參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。與松套法蘭對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 驗(yàn)漏快接與松套法蘭對(duì)比表Tab.1 The comparison table between leak-detection-quick-connect device and loose flange

圖6 驗(yàn)漏快接試運(yùn)行圖Fig.6 Operating diagram of the leak-detection-quickconnect device

從表中可以看出， 驗(yàn)漏快接除具有自鎖功能、與槽車直連功能、流動(dòng)阻力小、密封性能好、 對(duì)密封面要求低等優(yōu)點(diǎn)外，還具有快速連接功能和自動(dòng)驗(yàn)漏功能，連接所需的扭矩由168.8Nm 減小至80Nm， 減小了52%，連接時(shí)間由120s縮短至30s， 減少了75%，驗(yàn)漏時(shí)間由45s 縮短至10s，減少了78%，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

3 結(jié)論

驗(yàn)漏快接輸送介質(zhì)的管道內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)， 無閥芯不增加流動(dòng)阻力，裝車過程流動(dòng)阻力小，可忽略不計(jì)；采用螺紋-連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)， 連接時(shí)具有良好的傳動(dòng)性能，配合導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，連接過程方便快捷；螺紋機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，保證裝車過程運(yùn)行穩(wěn)定可靠；通過拉緊桿壓緊槽車法蘭背部實(shí)現(xiàn)密封，對(duì)密封面要求低；通過高精度壓力傳感器測(cè)壓法檢驗(yàn)連接處是否泄露，檢驗(yàn)過程簡(jiǎn)單快速，檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，受周圍環(huán)境影響小。

驗(yàn)漏快接除具有松套法蘭的流動(dòng)阻力小、 密封性能好、對(duì)密封面要求低等優(yōu)點(diǎn)外，還增加了快速連接功能和自動(dòng)驗(yàn)漏功能。 采用驗(yàn)漏快接代替松套法蘭與LNG 槽車對(duì)接，省去操作人員擰螺栓及用肥皂水驗(yàn)漏工作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率及裝車臂的自動(dòng)化水平，為全自動(dòng)裝車臂的研發(fā)積累了技術(shù)基礎(chǔ)。