陳 晨，程龍軍

(1. 中國(guó)石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東青島 266400 2. 中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

為滿(mǎn)足持續(xù)攀升的天然氣需求量，我國(guó)已建設(shè)LNG接收站40多座，預(yù)計(jì)到2025年沿海LNG接收站將超過(guò)60座[1-3]。在500～800 km經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑范圍內(nèi)，LNG槽車(chē)因其較強(qiáng)靈活性和經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)成為L(zhǎng)NG接收站、LNG工廠最主要的公路運(yùn)輸工具。如青島LNG接收站近3年汽車(chē)裝車(chē)562.4×104t，日均240車(chē)，日充裝最高398車(chē)。

1 國(guó)內(nèi)LNG槽車(chē)裝卸面臨的問(wèn)題

LNG是指在壓力0.1 MPa、溫度-162 ℃條件下的液化天然氣。LNG的固有性質(zhì)決定了其具有低溫、分層翻滾、快速相變、火災(zāi)爆炸等危害特性，裝卸過(guò)程中一旦出現(xiàn)泄漏將會(huì)造成嚴(yán)重事故[4]。2008年9月14日，國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)辦公室發(fā)布的安委辦〔2008〕26號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品安全生產(chǎn)工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》第16條指出：“在危險(xiǎn)化學(xué)品槽車(chē)充裝環(huán)節(jié)，推廣使用萬(wàn)向充裝管道系統(tǒng)代替充裝軟管，禁止使用軟管充裝液氯、液氨、液化石油氣、液化天然氣等液化危險(xiǎn)化學(xué)品”。

目前，國(guó)內(nèi)LNG槽車(chē)裝卸普遍采用裝卸臂+法蘭盤(pán)接頭連接槽車(chē)，如圖1所示。其中法蘭盤(pán)接頭存在以下問(wèn)題[5-7]：①法蘭安裝需要采用墊片，安裝時(shí)間長(zhǎng)；②拆卸法蘭需要破冰解凍，存在安全隱患；③法蘭盤(pán)為通管式結(jié)構(gòu)，一旦脫落泄漏無(wú)法自密封。目前國(guó)內(nèi)已發(fā)生多起因LNG法蘭盤(pán)接頭松動(dòng)或脫落導(dǎo)致LNG泄漏事故，如2018年11月16日某LNG加氣站，裝卸過(guò)程因法蘭接頭松動(dòng)發(fā)生LNG液體泄漏18 t。

圖1 國(guó)內(nèi)LNG裝卸裝卸臂+法蘭盤(pán)接頭

國(guó)外LNG裝卸通常采用軟管+干式接頭裝卸，如圖2所示。LNG干式接頭具有連接方便、意外斷開(kāi)自密封的優(yōu)勢(shì)，然而國(guó)外ARTA公司和MannTek公司的LNG干式接頭采用旋轉(zhuǎn)推進(jìn)連接方式，僅適配金屬軟管，無(wú)法適配國(guó)內(nèi)LNG裝卸臂此類(lèi)硬管。

圖2 國(guó)外LNG裝卸軟管+干式接頭

針對(duì)LNG裝卸臂硬管連接工況，設(shè)計(jì)軸向推進(jìn)式結(jié)構(gòu)，采用卡爪連接式接頭完成公母接頭的接駁與斷開(kāi)，可以有效解決國(guó)外干式接頭旋轉(zhuǎn)推進(jìn)方式無(wú)法適配裝卸臂的問(wèn)題。

2 LNG干式快速接頭設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 接頭結(jié)構(gòu)與參數(shù)確定

由中石化安全工程研究院有限公司研發(fā)的LNG干式快速接頭(簡(jiǎn)稱(chēng)“安工院LNG干式接頭”)主要由公頭與母頭組成，公頭安裝在LNG槽車(chē)端，母頭安裝于裝車(chē)臂端，通過(guò)雙手柄推動(dòng)實(shí)現(xiàn)卡爪軸向連接公母接頭。整體外形見(jiàn)圖3。

圖3 LNG干式快速接頭外觀

LNG干式快速接頭公稱(chēng)直徑為DN 50 mm，整體長(zhǎng)度306 mm，設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa，故出口壓力0.7 MPa。經(jīng)查詢(xún)資料，環(huán)境溫度-162 ℃，壓力為0.7 MPa下，LNG物性參數(shù)如表1所示。

表1 LNG物性參數(shù)[8-9]

流量流速關(guān)系式、雷諾數(shù)Re計(jì)算公式如公式(1)、(2)。

(1)

式中：Q——流量，m3/s;

v——流速，m/s;

D——直徑，m。

(2)

式中：ρ——密度，kg/m3;

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s。

根據(jù)公式(1)知流速為11.32 m/s，根據(jù)公式(2)求得雷諾數(shù)Re為1 929 889,Re>10 000，因此流態(tài)為紊流。

2.2 實(shí)體建模與網(wǎng)格生成

與傳統(tǒng)直通型快速接頭相比，LNG快速接頭內(nèi)部采用閥傘結(jié)構(gòu)，通過(guò)環(huán)形流道輸送LNG，流道內(nèi)部存在阻力元件會(huì)造成一定的壓力降，進(jìn)而會(huì)影響輸送流量。為計(jì)算干式快速接頭的流動(dòng)特性，判斷快速接頭流通量能否滿(mǎn)足LNG汽車(chē)罐車(chē)裝卸作業(yè)的流量需求，基于FLUNT流場(chǎng)分析平臺(tái)對(duì)干式快速接頭內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。入口邊界設(shè)為速度邊界，其值為11.32 m/s；出口邊界設(shè)為壓力邊界，其值為0.7 MPa。流體物性參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在Analysis Workbench平臺(tái)中采用Meshing軟件，使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見(jiàn)圖4)。平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.828 96，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 146 783，符合Fluent軟件導(dǎo)入要求。

圖4 接頭網(wǎng)格模型

2.3 結(jié)果分析

圖5和圖6為干式快速接頭內(nèi)腔流體壓力分布圖?？梢钥闯?，整個(gè)閥體最大壓力為793 879 Pa，最小壓力為661 856 Pa，壓降約為0.07 MPa，壓力損失為8%?？芍瑝毫Ψ植紵o(wú)明顯壓降區(qū)域，不會(huì)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，LNG快速接頭的壓力降可忽略不計(jì)。

圖5 中心截面壓力云圖

圖6 三維壓力云圖

圖7為L(zhǎng)NG快速接頭內(nèi)腔流體中心面速度云圖，圖8為出入口截面和軸向速度云圖。可以看出，接頭內(nèi)腔局部有渦流，但渦流對(duì)主流無(wú)影響。因此，當(dāng)出口截面直徑和入口截面直徑相同時(shí)，幾乎沒(méi)有流量損失。

圖7 中心截面速度云圖

圖8 出入口截面和軸向速度云圖

圖9為L(zhǎng)NG快速接頭內(nèi)腔流體溫度云圖。可知，接頭入口溫度設(shè)為-162 ℃，內(nèi)部溫差最大0.14 ℃，整個(gè)接頭內(nèi)部流體的溫度沒(méi)有太大變化。

圖9 中心截面溫度云圖

3 LNG干式接頭性能測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用前需驗(yàn)證接頭的耐壓、耐低溫及氣密性性能，根據(jù)ISO 21593《船舶與海上技術(shù) 液化天然氣加注干式快速接頭技術(shù)要求》對(duì)接頭分別展開(kāi)靜液壓力測(cè)試、低溫氣密性測(cè)試、帶壓連接測(cè)試和長(zhǎng)時(shí)加注測(cè)試[10-11]。

3.1 靜液壓力測(cè)試

向干式接頭通以1.5倍設(shè)計(jì)壓力(3.75 MPa)的靜液壓力，保持10 min，測(cè)試壓力變化情況。測(cè)試結(jié)果表明，干式接頭靜液壓力無(wú)變化，且測(cè)試過(guò)程接各部位未出現(xiàn)滲漏和變形。

3.2 低溫氣密性測(cè)試

完成接頭連接后，開(kāi)啟管路閥門(mén)，使低溫液氮流經(jīng)接頭，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷時(shí)間>5 min。完成預(yù)冷后，充裝2倍工作壓力的氮?dú)猓瑢?shí)際檢測(cè)各密封點(diǎn)以及連接處，均未發(fā)生檢漏液出現(xiàn)微小氣泡現(xiàn)象，接頭內(nèi)部氣體壓力保持在1.5 MPa未出現(xiàn)壓力降低情況。完成測(cè)試后，接頭閥芯密封面密封完好。

3.3 帶壓連接測(cè)試

該接頭考慮管道帶壓充裝工況，設(shè)計(jì)了帶壓開(kāi)啟功能，即管道內(nèi)存在一定壓力的介質(zhì)，同樣可進(jìn)行公母接頭的連接與斷開(kāi)。測(cè)試時(shí)管道內(nèi)留存有壓力為0.8 MPa的低溫液氮，在該壓力下，雙手推力在385 N時(shí)即可完成干式接頭公母頭的帶壓連接。正常撬裝操作人員皆可滿(mǎn)足此推力要求。

3.4 長(zhǎng)時(shí)加注測(cè)試

為驗(yàn)證接頭低溫介質(zhì)連續(xù)加注的可靠性，在公母頭完全預(yù)冷后，進(jìn)行3 h的連續(xù)液氮加注測(cè)試，加注完成后，手柄未生成冰霜，操作手柄可輕松進(jìn)行公母接頭的分離和再次連接。

4 LNG干式接頭實(shí)際應(yīng)用效果

安工院LNG裝卸干式接頭在中國(guó)石化天然氣分公司青島LNG接收站開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用，并與國(guó)外某品牌LNG干式接頭和傳統(tǒng)法蘭盤(pán)接頭從安全功能、密封可靠性及操作時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 安全功能對(duì)比

對(duì)連接結(jié)構(gòu)和安全功能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?，安工院LNG干式接頭充分考慮國(guó)內(nèi)LNG硬管裝卸的特點(diǎn)，采用軸向推進(jìn)連接和雙端干式密封結(jié)構(gòu)，解決國(guó)外某品牌接頭旋轉(zhuǎn)連接存在的泄漏問(wèn)題，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)法蘭接頭的無(wú)法自密封的缺陷。

表2 接頭結(jié)構(gòu)安全功能對(duì)比

4.2 密封可靠性對(duì)比

驗(yàn)漏檢測(cè)和VOCs泄漏檢測(cè)對(duì)比結(jié)果如表3。國(guó)外某品牌LNG干式接頭由于密封面較小，試裝過(guò)程中出現(xiàn)接口連接處LNG泄漏，泄漏大時(shí)有LNG液滴持續(xù)滴下。安工院LNG干式接頭與傳統(tǒng)法蘭接頭皆通過(guò)密封可靠性測(cè)試。

表3 接頭結(jié)構(gòu)泄漏性能對(duì)比

4.3 操作時(shí)間對(duì)比

在LNG裝車(chē)作業(yè)過(guò)程中，由于采用軸向推進(jìn)式設(shè)計(jì)，安工院LNG干式接頭與傳統(tǒng)法蘭盤(pán)接頭均未出現(xiàn)車(chē)輛匹配問(wèn)題；國(guó)外某品牌接頭為旋轉(zhuǎn)推進(jìn)式設(shè)計(jì)，某些LNG槽車(chē)門(mén)檻過(guò)高造成手柄無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)公母接頭連接。對(duì)于可連接的工況，開(kāi)展使用3種接頭充裝21.7 t LNG的充裝試驗(yàn)，對(duì)接頭連接時(shí)間、充裝時(shí)間和接頭斷開(kāi)時(shí)間統(tǒng)計(jì)取平均值，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 接頭操作時(shí)間對(duì)比

分析測(cè)試結(jié)果可知，安工院LNG干式接頭所用時(shí)間相對(duì)較短；在同樣充裝量下，3款接頭充裝時(shí)間接近。總體操作時(shí)間上，采用安工院LNG干式接頭充裝作業(yè)用時(shí)最短。

4.4 裝車(chē)作業(yè)壓力對(duì)比

3款接頭充裝壓力都經(jīng)歷迅速上升—緩慢下降—急速下降的過(guò)程，如圖11所示。傳統(tǒng)法蘭接頭最大充裝壓力為738 kPa，國(guó)外某品牌接頭最大充裝壓力698 kPa，安工院接頭最大充裝壓力為677 kPa。3款接頭曲線重合程度較高，由此可證明安工院接頭內(nèi)部流道壓力降可忽略不計(jì)。

圖11 LNG裝車(chē)作業(yè)壓力曲線

5 結(jié)論

a) 設(shè)計(jì)研發(fā)了軸向推進(jìn)結(jié)構(gòu)卡爪連接式LNG干式接頭，采用有限元流體分析軟件分析計(jì)算接頭內(nèi)部流道壓力分布及溫度分布情況。結(jié)果表明，接頭內(nèi)部流體的溫度場(chǎng)分布均勻，壓力降為0.07 MPa，壓力損失為8%，內(nèi)部流道壓力降可忽略不計(jì)。

b) 開(kāi)展LNG干式接頭低溫氣密性、帶壓連接和長(zhǎng)時(shí)加注等性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足LNG充裝作業(yè)要求；并對(duì)3款接頭現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用效果和對(duì)比分析，結(jié)果顯示，安工院LNG干式接頭及國(guó)外某品牌接頭安全功能優(yōu)于傳統(tǒng)法蘭接頭，安工院LNG干式接頭和傳統(tǒng)接頭密封可靠性?xún)?yōu)于國(guó)外某品牌接頭，安工院接頭總操作時(shí)間為38 min左右，略?xún)?yōu)于傳統(tǒng)接頭和國(guó)外某品牌接頭。