LNG装卸系统技术现状研究与分析

刘云，杨亮，静玉晓

（1.中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028）

（2.中海石油气电集团有限责任公司， 北京 100028）

LNG接收终端可分为陆地接收终端和海上接收终端。陆地接收终端目前在世界范围内已得到广泛应用，并且随着天然气需求的增加仍在快速发展。海上LNG接收终端是近年来提出的一种新的接收终端形式，目前在世界上已有工程实例。海上LNG接收终端可分为浮式接收终端和固定式接收终端，其中固定式接收终端与陆地接收终端类似。根据LNG接收终端形式的不同，采用的LNG卸料方式也不同[1]。

LNG卸料臂（LNG Marine Loading and Unloading Arms）是一种安装在码头上（或浮式终端上）的用于卸料的铰接管道系统，当LNG运输船抵达接收站专用码头后，通过液相卸料臂和卸料管线，借助船上的卸料泵将LNG送进接收站的储罐内，同时储罐内的BOG气体通过回气管线和气态回气臂，返回到LNG运输船[2-3]。卸料臂和回气臂结构相同，通常包括三维旋转接头、外臂、内臂、顶端旋转接头、基础立管以及连接内臂和基础立管之间的旋转接头等工艺管道及其支撑结构和附件。刚性卸料臂系统具有技术成熟、性能可靠、已在实际工程应用等特点，但其运动补偿性能较弱。自20世纪70年代开始使用刚性臂卸料系统以来，已有400多套用于实际工程（绝大多数用于LNG运输船对陆上储存气化装置）。

1 LNG卸料臂结构及特点

图1为全平衡型卸料臂（FBMA）结构示意图[4]。该结构臂操作简单、自重轻、占地空间小、风载荷小。装卸臂设计为自支撑结构，采用较大的旋转接头以承担所有内部、外部载荷和所有弯矩；立柱、耳轴和高点处均采用硬质滚道的旋转接头，旋转接头设计为能够承受全部载荷和弯矩，在装卸过程中仅有内臂、外臂的介质总量和风载荷作用在LNG运输船法兰上。

图1 全平衡型卸料臂（FBMA）结构示意图

图2为旋转平衡型卸料臂（RCMA）结构示意图。旋转平衡型卸料臂的特点是由一个平衡配重系统保持内、外臂平衡，卸料管与机械支撑结构相对独立。操作简单、易于更换密封圈、独立支撑结构、旋转接头和管线的口径统一、旋转接头型号统一，备件少、伸出跨距大。

图2 旋转平衡型卸料臂（RCMA）结构示意图

图3为双平衡型卸料臂（DCMA）结构示意图[5]。该结构卸料臂由两个平衡重系统保持内、外臂平衡，卸料臂在所有位置均保持平衡，卸料管与机械支撑结构相对独立。这样的双配重可以减小卸料臂各部分运动的惯性，在因运输船紧急离岸作业造成装卸臂应急脱离，避免装卸臂的产生失衡动态运动时，这种结构能体现出其双平衡优势。

图3 双平衡型卸料臂（DCMA）结构示意图

从国际上几家装卸臂厂家的产品的设计结构看，目前基本可分为三个体系：一是德国原康奈克斯公司（即现在的SVT公司）的绳轮式独立支撑结构，采用固定钢绳，液压系统调整轮鼓；二是法国的FMC公司的绳轮式自支撑结构，以及FMC公司的混合式结构，即介质管道部分承受外载荷，主要载荷由支撑结构承受；三是连杆式结构，英国Woodfield公司及德国EMCO公司属此类。此种结构的装卸臂材料用量大，对工艺要求高，而其最大的优点是调整平衡时较为容易，无需每年检验钢丝绳强度。

2 LNG卸料臂国外技术特征比较

法国FMC公司卸料臂的旋转接头等关键部件和零部件均取得劳氏船级社认证。其在卸料臂方面拥有很多专利技术，例如FMC卸料臂旋转接头专利技术的内部结构采用嵌入式滚珠轨道，是高强度的不锈钢合成材料制成的。设计了特有的钢珠保护套，轴承滚珠不会与旋转接头本体发生任何直接接触，因此旋转接头本体不会因长期运转产生磨损而发生泄漏问题，大大节省了运行维护成本。旋转接头配置双重弹性LNG密封保护。液压缸采用两段式，这与其他厂家产品有明显不同。图4为FMC快速连接/解脱系统，两段式液压缸可实现发生紧急脱离船与臂脱离移位后又归位时，还可以继续开启阀门使船与臂重新连接[6]。

日本NIGATA公司的技术来自于法国FMC公司，卸料臂的结构型式和特点与法国FMC公司的产品基本相同。

图4 FMC快速连接/解脱系统

德国SVT公司卸料臂的技术特点是，所有的旋转接头两侧均用法兰连接，便于拆卸，旋转接头都配有衬垫，可以使冷量迅速传到阀门球体处，产品侧有双密封装置，在不拆卸阀球体轴承的情况下，主密封和次密封可从动态密封面更换，接头外侧也要密封以防止水和灰尘的进入，同时也使得球室和氮气隔绝。SVT的这种低温旋转接头设计可以在不拆卸轴承座圈的情况下更换密封材料，缩短了维修时间。SVT的紧急脱离装置结构如图5所示，阀门采用可缓冲压力激增的球阀，ERC有一个机械连锁装置以防止阀门在开放状态下分离，紧急脱离后的重新连接简单方便。

德国EMCO WHEATON公司卸料臂总体结构如图6所示，具有如下特点：LNG旋转接头焊有司太立硬化滚珠轴承，LNG旋转接头采用摇动型设计，双配重结构，所有平衡块都位于底座后部，以减少风载荷，特别是收回时外臂通过刚性联杆移动和平衡，联杆不需要维护，可通过调节双配重结构使内臂和外臂平衡，液压系统可以在低压条件下操作。

图5 SVT公司紧急脱离系统

图6 EMCO公司卸料臂结构图

3 LNG卸料臂关键技术分析

3.1 旋转接头密封

旋转接头是LNG卸料臂中关键核心部件。刚性结构的管道可以通过旋转接头运动。管道既可以实现输送液体的功能又可在所有连接面实现360°旋转。旋转接头可以满足易操作、安全、低磨损的要求。典型的旋转接头结构如图7所示（EMCO公司产品）。

图7 EMCO旋转接头结构

旋转接头要求两边的管道由旋转接头连接，并可以通过接头互相旋转。设计上要求防止液体泄漏、能够承受载荷和压力、旋转时要求低摩擦损失。旋转接头在出厂时要经过严格的泄漏测试。EN1474和OCIMF中均对旋转接头的测试有相关要求。OCIMF关注机械整体性：摩擦腐蚀压痕、密封泄漏、结构失效。EN1474的规定涵盖了OCIMF中旋转测试要求，在某些方面比OCIMF要求更精确。一般卸料臂厂家的旋转接头密封性要远高于这个规范的要求。

3.2 紧急脱离系统（ERS）

ERS研制于上世纪80年代，现已日趋成熟。以法国FMC、德国SVT为代表的国外海洋装卸臂生产商研制的ERS均采用双球阀连锁紧急切断和紧急脱离接头机构。机构动作原理是由卸料臂超位报警系统启动液压控制系统，通过机械或液压连锁实现阀门关断、连接机械接头脱开。表4为卸料臂接口连接方式。

表4

当卸船臂超过了数据表中规定的工作范围减去安全余量的值时，紧急脱离系统就会自动激活。控制系统中有自动移动的措施以使得紧急脱离系统开启时LNG卸料臂与LNG运输船甲板和船侧彻底脱离。紧急脱离系统可以由码头控制室、指定的室外操作点和通过接收站的ESD系统的硬件信号控制。紧急脱离系统的控制系统还配有防止误操作的保护措施（如安全销或保护盖）。

一般紧急脱离系统的双球阀应是液压启动且关闭时间为5s，紧急脱离系统从开始启动到脱离完成的时间不超过7s，包括阀门的5s关闭时间。卸料臂厂家可根据用户特别需求调整时间的设定。

紧急脱离系统脱离机构的设计要求能够确保彻底分离、破除冰层，并能够在低温环境从LNG运输船移开和重新安装。如图8所示，紧急脱离系统在出厂时需要经过高压性能测试。ERS上部球阀的压力升高是卸料臂规范的突破。这是由于LNG运输船管汇规格为150#，LNG船货舱允许的压力为0.5bar。ERS上部球阀39bar下的低温测试遵循以下标准：3bar、10bar、39bar时的两次连续测量结果相差不超过10%，最大允许泄漏率为400ml/min。

图8 ERS现场测试

3.3 快速连接装置（QC/DC）

QC/DC包括接头直管及装在直管端部的至少三个夹紧机构，夹紧机构设有夹紧爪，在直管上设有固定架，在固定架的上端通过卸船臂都配有手动或液动的与LNG输送船接口快速连接/脱离的装置。连接和脱离操作可以从就地控制盘、中央卸船臂控制盘、码头平台或可移动的无线控制装置操作。具体结构见图4FMC快速连接/解脱系统。

在液压或电力系统失效时，快速连接装置应能自动防止故障并保持与LNG运输船接管法兰安全锁紧。快速连接装置的最小/最大关闭时间按照OCIMF的规定设计。若发生液压泵或管线中没有压力、液压装置或阀门泄漏等造成液压失效情况时，快速连接装置应可以通过手动松开。

3.4 双配重结构

双配重结构即双平衡型结构。目前几个国外厂家均可生产此结构类型的卸料臂。此种结构卸料臂由两个平衡重系统保持内、外臂平衡，卸料臂在所有位置均保持平衡，卸料管与机械支撑结构相对独立，可以减小卸料臂各部分运动的惯性，在离岸作业因运输船运动引起的动态条件时，这种结构更能体现出优势。当运输船紧急脱离后，卸料臂能够立即被抬高，避免臂碰撞到船舶汇管或护栏而产生火花造成安全隐患，而单配重（即旋转平衡型）的臂在发生紧急脱离时，由于配重的结构设计型式，会先向前俯冲，之后才能被升高。

4 结语

目前国际上生产LNG装卸料系统的厂家屈指可数，几乎垄断市场，LNG装卸料设备价格昂贵。以16寸刚性卸料臂为例，单价约为100万美元。目前接收站接收船型范围宽广，通常需要建设两个码头，至少需要两套卸料系统，每套卸料系统由3台液相臂和1台气相臂组成，因此每个接收站至少需8台卸料臂，总价约为1000万美元。

结合我国实际情况，我国LNG项目（液化厂、接收站）建设正快速开展，约有近百个液化厂和接收站，其中国内已投运的LNG接收站19个，目前国内设计和生产大口径LNG刚性卸料臂关键设备的能力尚不成熟，整套设备或关键部件以国外进口为主，这意味着上百亿人民币的投资。由此可见，面对国内LNG接收站和液化厂的迅速发展，LNG装卸料系统关键设备的国产化需求越来越迫切，这不仅可提升国内装备技术水平，还将产生巨大的经济效益。

◆参考文献

[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.