孟軍　馮是公

摘要：設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種快速連接裝置（QCDC），它是LNG船用裝卸臂和船上歧管法蘭對(duì)接的核心部件，安裝在裝卸臂的最末端。其工作原理是通過(guò)一個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)快速連接裝置外殼體上的卡爪同時(shí)抓緊船端歧管法蘭，實(shí)現(xiàn)裝卸臂和船歧管法蘭壓緊。相比較傳統(tǒng)裝卸臂法蘭連接，液壓快速連接裝置效率更高，省去了操作人員擰緊螺栓的操作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，且工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：QCDC;LNG;船用裝卸臂;快速連接裝置

0 引言

快速連接裝置分為普通型和低溫型[1]。低溫型快速連接裝置適用于低溫乙烯、LNG等超低溫環(huán)境工況下的裝卸臂，由于工作溫度低而產(chǎn)生了一系列問(wèn)題，比如冰凍、材料物理特性、隔冷、密封等，和普通型快速連接裝置是完全不一樣的。

本文研究的重點(diǎn)就是通過(guò)雙層絕熱原理來(lái)徹底解決這些問(wèn)題，并進(jìn)行載荷測(cè)試，在低溫條件下對(duì)快速連接裝置施加設(shè)計(jì)當(dāng)量載荷，檢查快速連接裝置的表面絕熱性能，并保證卡爪能夠穩(wěn)定可靠地打開(kāi)和夾緊。

1 結(jié)構(gòu)原理介紹

1.1? ? 低溫快速連接裝置

低溫快速連接裝置如圖1所示，其安裝在裝卸臂的三維接頭最末端位置，它在裝卸臂上的安裝位置如圖2所示?？焖龠B接裝置和歧管法蘭連接后才可以進(jìn)行裝卸，并且連接位置不可以出現(xiàn)泄漏。采用該裝置只需通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)卡爪連接到船歧管法蘭并夾緊即可，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

1.2? ? 部件介紹

以ASME B16.5[2]的16寸150LBS全通徑QCDC快速連接裝置為例，其主要部件如圖3所示，主要分為驅(qū)動(dòng)部分、主管線(xiàn)部分、回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)、彈簧壓緊機(jī)構(gòu)、卡爪機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置、絕熱裝置等。

1.3? ? 工作原理

快速連接裝置的工作狀態(tài)只有兩種：卡爪完全張開(kāi)狀態(tài)（圖4）、卡爪完全夾緊狀態(tài)（圖5）。

當(dāng)卡爪處于完全張開(kāi)狀態(tài)時(shí)，操作裝卸臂，使快速連接裝置可以和歧管法蘭的法蘭面接觸連接。液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓油缸的活塞桿慢慢收回，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液壓油缸缸筒運(yùn)動(dòng)，活塞頭部固定?；钊麠U收回，缸筒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，則帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)支承的外圈上均勻分布著8個(gè)彈簧壓緊機(jī)構(gòu)，彈簧壓緊機(jī)構(gòu)一端和回轉(zhuǎn)支承鉸接，另一端則和卡爪機(jī)構(gòu)鉸接。回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)到一定角度，開(kāi)始推動(dòng)彈簧壓緊機(jī)構(gòu)和卡爪，慢慢開(kāi)始抓緊歧管法蘭，當(dāng)彈簧壓緊機(jī)構(gòu)的中心線(xiàn)和卡爪的中心線(xiàn)重合時(shí)，彈簧的載荷最大。此時(shí)若活塞繼續(xù)收回，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到底時(shí)，彈簧壓緊機(jī)構(gòu)的中心線(xiàn)超過(guò)卡爪的中心線(xiàn)（正常3°～5°），則壓緊機(jī)構(gòu)處于自鎖狀態(tài);此時(shí)若彈簧產(chǎn)生的載荷壓緊在卡爪機(jī)構(gòu)上，卡爪機(jī)構(gòu)將彈簧的壓緊力傳遞到法蘭的一圈邊緣上，則可以認(rèn)為快速連接裝置已經(jīng)正確壓緊。

快速連接裝置所有彈簧對(duì)歧管法蘭的壓緊合力必須要大于管道內(nèi)介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向力和外部的當(dāng)量載荷，通常假設(shè)壓緊力可以等效于標(biāo)準(zhǔn)法蘭螺栓的預(yù)緊力總和。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1? ? 卡爪設(shè)計(jì)

根據(jù)ASME B16.5標(biāo)準(zhǔn)，16寸150LBS法蘭的螺栓數(shù)量是16支，規(guī)格是1″，總的預(yù)緊力是890 kN。

2.2? ? 彈簧設(shè)計(jì)

卡爪的受力分析如圖7所示。

卡爪的壓緊力F2=FK=111.25 kN，F(xiàn)2×L2=F1×L1。L2=80 mm，L1=220 mm，則F1≈40 kN。

在彈簧壓緊機(jī)構(gòu)夾緊狀態(tài)下，彈簧的壓緊力是40 kN。

壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，具體計(jì)算過(guò)程省略。

設(shè)計(jì)要求：安裝載荷F1=20 312 N;安裝高度H1=175 mm;工作載荷F2=45 000 N;工作行程h=25 mm;載荷作用次數(shù)N=10 000次;載荷類(lèi)型Ntype=Ⅱ類(lèi)。

彈簧材料：60Si2Mn，油淬回火硅錳合金彈簧鋼絲C類(lèi);切邊模量G=79 000 MPa;彈性模量E=206 000 MPa;抗拉強(qiáng)度σb=1 569 MPa;許用切應(yīng)力τb=690.36 MPa。

彈簧參數(shù)：鋼絲直徑d=22 mm;彈簧中徑D=80 mm;有效圈數(shù)n=4.5;壓并圈數(shù)n2=1.5;彈簧總?cè)?shù)n1=6;實(shí)際剛度k=1 015.6 N/mm。

2.3? ? 絕熱設(shè)計(jì)

低溫快速連接裝置的工作原理和普通快速連接裝置是一樣的，但長(zhǎng)時(shí)間在超低溫環(huán)境下工作，由于低溫傳導(dǎo)，溫度低至-180～-150 ℃，快速連接裝置表面會(huì)產(chǎn)生很厚的冰層，冰層覆蓋卡爪和本體，彈簧壓緊機(jī)構(gòu)也可能因?yàn)榈蜏囟鴥隽褟椈桑⑶疫€會(huì)有回轉(zhuǎn)支承內(nèi)部輥道結(jié)冰無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)、密封件凍壞等情況。

低溫環(huán)境會(huì)直接影響材料的物理特性，故常溫環(huán)境使用的快速連接裝置結(jié)構(gòu)是不能使用在低溫快速連接裝置上的，需要進(jìn)一步改進(jìn)以解決回轉(zhuǎn)支承內(nèi)部輥道結(jié)冰、彈簧凍裂的問(wèn)題，所以絕熱裝置是在超低溫環(huán)境應(yīng)用中保證快速連接裝置正常工作的重要一環(huán)。

參考低溫旋轉(zhuǎn)接頭的空腔絕熱結(jié)構(gòu)，在主管線(xiàn)與壓緊機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承之間設(shè)計(jì)了絕熱空腔結(jié)構(gòu)，主管線(xiàn)和外層結(jié)構(gòu)不直接接觸，并且在空腔內(nèi)沖入干燥氮?dú)?，通過(guò)氮?dú)鈱⒖涨粌?nèi)的冷能帶出，連續(xù)裝卸的過(guò)程也不會(huì)影響外層結(jié)構(gòu)，壓緊機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)支承等結(jié)構(gòu)部件始終工作在常溫狀態(tài)。

絕熱空腔結(jié)構(gòu)如圖8所示。結(jié)構(gòu)部件和主管線(xiàn)之間有一層絕熱空腔結(jié)構(gòu)，絕熱空腔結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別通過(guò)隔冷支承塊支承。在絕熱空腔內(nèi)部一端充入常溫氮?dú)?，一端排出氮?dú)?，將空腔?nèi)的低溫冷能帶出。

3 性能測(cè)試

根據(jù)BS EN ISO 16904： 2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，快速連接裝置的測(cè)試主要包括靜壓測(cè)試、強(qiáng)度測(cè)試、低溫分離性能測(cè)試，現(xiàn)通過(guò)FEA分析絕熱裝置的溫度分布及試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試[4]。

3.1? ? 有限元分析

做FEA分析主要是計(jì)算快速連接裝置外筒的溫度分布，并確認(rèn)彈簧壓緊裝置、回轉(zhuǎn)支承等結(jié)構(gòu)件是否能在外筒的溫度分布下使用。

3.1.1? ? 材料特性

內(nèi)外筒的材料物理特性和中間空腔氣體特性如表1所示。

3.1.2? ? 模型和網(wǎng)格劃分

為降低計(jì)算復(fù)雜度和節(jié)約解算空間，對(duì)于對(duì)稱(chēng)軸類(lèi)模型只截取模型的1/4，從外部CAD軟件將模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入到ANSYS Workbench V15.0 Steady-State Thermal模塊中。

建立快速連接裝置內(nèi)筒、外筒和中間空腔的溫度場(chǎng)模型，如圖9所示。

3.1.3? ? 邊界條件

邊界條件分別設(shè)置為內(nèi)筒內(nèi)表面溫度-165 ℃，外筒外表面換熱系數(shù)5×10-6 W/（mm2·℃），環(huán)境溫度常溫22 ℃，如圖10所示。

3.1.4? ? 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果分別如圖11和圖12所示，分析結(jié)果顯示外筒最高溫度是16 ℃，可以適應(yīng)外部結(jié)構(gòu)件的使用環(huán)境。

3.2? ? 靜壓測(cè)試

對(duì)快速連接裝置進(jìn)行靜壓測(cè)試，測(cè)試報(bào)告如表2所示。

3.3? ? 低溫強(qiáng)度載荷測(cè)試[5]

載荷測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖13所示。通過(guò)油缸的壓力調(diào)節(jié)改變對(duì)快速連接裝置施加的當(dāng)量載荷，16寸快速連接裝置的設(shè)計(jì)當(dāng)量載荷為40 000 N·m，按照2倍的安全系數(shù)測(cè)試，檢查快速連接裝置是否泄漏。

低溫強(qiáng)度載荷測(cè)試報(bào)告如表3所示。

3.4? ? 低溫分離測(cè)試

在低溫工況且施加了設(shè)計(jì)載荷的情況下，檢查快速連接裝置的卡爪是否能夠自由打開(kāi)，打開(kāi)過(guò)程是否平順無(wú)卡頓。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，卡爪的張開(kāi)和夾緊時(shí)間應(yīng)在10～15 s。

低溫分離測(cè)試報(bào)告如表4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了低溫快速連接裝置的基本原理，將雙層絕熱的空腔應(yīng)用到快速連接裝置上，并通過(guò)理論分析計(jì)算和試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)低溫快速連接裝置的可靠性和穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果證明，此種結(jié)構(gòu)的快速連接裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在可靠性和穩(wěn)定性方面能滿(mǎn)足裝卸臂的要求，具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 液體裝卸臂工程技術(shù)要求：HG/T 21608—2012[S].

[2] Pipe flanges and flanged fittings：ASME B16.5[S].

[3] 陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[4] Petroleum and natural gas industries—Design and testing of LNG marine transfer arms for convent-

ional onshore terminals：BS EN ISO 16904：2016[S].

[5] SIGTTO/OCIMF：Manifold recommendations for liquefied gas carriers[S].

收稿日期：2021-07-29

作者簡(jiǎn)介：孟軍（1989—），男，江蘇建湖人，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。