吳 斌，宋新偉，王 勇，鄭元杰，潘旭冉

（1.中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東青島 266000；2.連云港杰瑞自動化有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

伴隨著“十四五”開局，能源革命加速推進，清潔低碳、安全高效的能源體系建設(shè)被提上日程，LNG 相比其他能源品類具備較高的機動性、靈活性和適用性，無論是作為民用、工業(yè)和交通領(lǐng)域使用的燃料，還是工業(yè)的原料來源，亦或作為電力系統(tǒng)的基荷電源、調(diào)峰電源、分布式發(fā)電電源，都有巨大發(fā)展空間，將在全球能源綠色低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用，是傳統(tǒng)能源的有效替代［1－2］。近年來，我國液化天然氣進口量逐年增長，進口至國內(nèi)的LNG首先儲存在接收站的儲罐內(nèi)，然后再通過槽車運輸至LNG 衛(wèi)星站、加氣站等中小型用戶終端［3－4］。在接收站內(nèi)，主要通過管道、裝車撬和裝車臂將儲罐內(nèi)的LNG輸送至槽車中。隨著我國LNG消費量的不斷增加，裝車臂作為連接儲罐與槽車的中間設(shè)備需求也在不斷增加［5］。2011 年廣東制造出國產(chǎn)LNG 裝車臂，經(jīng)過10 多年的發(fā)展，我國LNG 裝車臂的水平已與國外技術(shù)無差距，且部分技術(shù)領(lǐng)先于國外［6－7］，但是自動化和智能化水平不高，裝車時，需要連臂、驗漏、吹掃置換、關(guān)閉撬內(nèi)排凈閥，裝車完成后需要吹掃置換、拆臂、打開撬內(nèi)排凈閥，總共需要開關(guān)閥門20 多次，操作流程繁瑣，推動裝車臂費力，勞動強度大，工人精神緊張易疲勞，容易引發(fā)槽車充裝過量，進而導(dǎo)致安全閥起跳等安全事故。因此，中石油、中石化、中海油、管家管網(wǎng)等業(yè)主單位對裝車設(shè)備進行改進優(yōu)化的需求日益迫切［8－9］。

1 傳統(tǒng)裝車臂組成及工作流程

1.1 組成

傳統(tǒng)LNG裝車臂如圖1 所示，包括立柱、氣相臂和液相臂。每條臂均由內(nèi)臂、外臂、延伸臂3 段通過旋轉(zhuǎn)接頭依次連接而成。內(nèi)臂由一根輸液管組成；外臂后部設(shè)有切斷閥，切斷閥后部有兩個旁路，分別連接吹掃閥和注氮閥；延伸臂中部設(shè)有拉斷閥，末端為松套法蘭。

圖1 傳統(tǒng)裝車臂

每條臂共有5 個旋轉(zhuǎn)接頭，第1 旋轉(zhuǎn)接頭連接進液管和內(nèi)臂，使內(nèi)臂能夠左右轉(zhuǎn)動，第2、第3 旋轉(zhuǎn)接頭連接內(nèi)臂和外臂，第2 旋轉(zhuǎn)接頭使外臂能夠左右轉(zhuǎn)動，第3 旋轉(zhuǎn)接頭使外臂能夠上下轉(zhuǎn)動，第4、第5 旋轉(zhuǎn)接頭連接外臂和延伸臂，第4 旋轉(zhuǎn)接頭使延伸臂能夠左右轉(zhuǎn)動，第5 旋轉(zhuǎn)接頭使延伸臂能夠上下轉(zhuǎn)動。

裝車臂第5 旋轉(zhuǎn)接頭的軸線與延伸臂的軸線相交點為裝車臂的“控制點”，其運動范圍即為裝車臂的包絡(luò)范圍。第1、第2、第4 旋轉(zhuǎn)接頭均在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，共同調(diào)節(jié)控制點的前后和左右位置，第3 旋轉(zhuǎn)接頭在豎直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)控制點的高度，第5 旋轉(zhuǎn)接頭用于調(diào)整延伸臂的朝向，使延伸臂軸線與槽車接口法蘭的軸線平行，以便能夠順利對接。

1.2 工作流程

LNG槽車就位后，操作人員核對相關(guān)信息，開始安全檢查，檢查合格后，司押人員進行人靜電釋放、將車鑰匙插入歸位器中、連接靜電接地夾、放置三角木、拆除接口盲板蓋等準(zhǔn)備工作，然后司押人員依次拉動氣相臂和液相臂，使兩條臂末端的松套法蘭與槽車法蘭對接，擰緊螺栓后開始驗漏、置換、泄壓、預(yù)冷、充裝、吹掃、拆臂等流程［10－11］。

（1）驗漏。操作員將液相臂和氣相臂上注氮閥打開，對松套法蘭和槽車法蘭連接處應(yīng)噴肥皂水檢漏。

（2）置換。操作員將液相臂和氣相臂上注氮閥打開，提示司押人員將槽車上相對應(yīng)的放空閥開關(guān)3 次，每次5 s，確保將裝車臂前端的空氣置換成氮氣。

（3）泄壓。置換完成后，關(guān)閉兩條臂注氮閥，快速開關(guān)一次槽車放空閥，將裝車臂前端的壓力釋放掉。觀察槽車壓力，若壓力高于0.35 MPa，則打開氣相臂低溫球閥，等待槽車壓力表降到合適值（0.3 MPa以下）。

（4）預(yù)冷。打開液相線切斷閥、液相臂低溫球閥和槽車上進液閥，進入自動充裝程序，批控器自動控制氣動調(diào)節(jié)閥的開度，以2 kg／s 的速度進行小流量裝車，對管道進行預(yù)冷。

（5）充裝。預(yù)冷程序結(jié)束后且液相線溫度降至－120 ℃以下，批控器自動控制調(diào)節(jié)閥開度，以8～10 kg／s 進行全速充裝，距離目標(biāo)裝車量還剩200 kg時，再次以小流量進行裝車，以免超裝，充裝結(jié)束后，操作人員將液相臂低溫球閥關(guān)閉。

（6）吹掃。關(guān)閉槽車下進液閥，保持槽車上進液閥開啟，關(guān)閉液相臂低溫球閥，打開液相臂注氮閥，等待10 s，將液相臂低溫球閥后的殘液吹至槽車內(nèi)，然后關(guān)閉槽車上進液閥，開關(guān)液相臂放空閥3 次，每次5 s，將殘留的LNG吹至現(xiàn)場放散線內(nèi)。關(guān)閉槽車氣相閥門和裝車臂氣相臂低溫球閥，打開氣相臂注氮閥，開關(guān)氣相臂放空閥3 次，每次5 s，將氣相臂低溫球閥后的殘留天然氣吹至現(xiàn)場放散線內(nèi)。

（7）拆臂。吹掃完成后，依次拆除氣相臂和液相臂，待槽車駛離鶴位后，將裝車臂歸位。

2 傳統(tǒng)裝車臂存在的問題

分析裝車臂的工作流程并經(jīng)過長期實踐，總結(jié)出采用傳統(tǒng)裝車臂進行裝車時主要存在以下4 點問題。

（1）內(nèi)臂轉(zhuǎn)動不確定

在裝車臂與槽車對接過程中，操作人員一人拉動延伸臂與槽車對接時需要內(nèi)臂繞第一旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動才能實現(xiàn)，但是，操作人員拉動延伸臂的力很難帶動內(nèi)臂繞第一旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動，往往外臂轉(zhuǎn)動而內(nèi)臂不動，需要另一位操作人員輔助推動內(nèi)臂才能完成裝車臂與與槽車完成對接，如圖2 所示。

圖2 操作人員輔助推動裝車臂

（2）手動閥門開關(guān)頻次多，勞動強度大

每套裝車臂上共有6 臺手動閥門，每次裝車共需要操作人員開關(guān)閥門20 余次，前后順序容易出錯又費時費力，且LNG應(yīng)急儲備調(diào)峰站一般采用每兩個操作人員負責(zé)5～6 臺裝卸橇，實行兩班倒的工作模式，每班工作時間為12 h，槽車裝卸高峰時期，連續(xù)10 h 以上，容易出現(xiàn)人員疲勞的情況，操作安全性較低。

（3）連臂費時費力

裝車臂采用松套法蘭連接與槽車相連（圖3），每次對接拆除均需要擰8 根螺栓，16 個螺母，費時費力。

圖3 松套法蘭對接示意圖

（4）延伸臂下垂，操作不便

如圖4所示，在自然狀態(tài)下，延伸臂將向下傾斜。在與槽車對接時，需要操作人員向上扳起并維持在水平狀態(tài)，操作費力且難以保持，增加了裝車臂與槽車對接的難度和時間。

圖4 延伸臂下垂示意圖

3 改進措施

針對傳統(tǒng)LNG裝車臂存在的問題，開展相關(guān)技術(shù)研究，采取相應(yīng)的改進措施，降低操作裝車臂的勞動強度，提高裝車臂的自動化程度和裝車效率，提升整體使用效果［12］。具體改進措施如下。

3.1 增加助力機構(gòu)

針對人工拉動延伸臂與槽車對接時，內(nèi)臂不按照設(shè)想的方式運動這一問題，開展氣動驅(qū)動技術(shù)研究，制定了在立柱和內(nèi)臂之間增加氣動助力系統(tǒng)的方案，氣動助力系統(tǒng)由助力氣缸和氣控按鈕箱兩部分組成。助力氣缸作為執(zhí)行機構(gòu)，在壓縮空氣的作用下，帶動內(nèi)臂繞第一旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動，氣控按鈕箱作為助力氣缸的控制系統(tǒng)，通過兩個機控閥控制壓縮空氣的通斷與方向，從而實現(xiàn)對助力氣缸的控制。

圖5 所示為助力氣缸安裝結(jié)構(gòu)簡圖，氣缸通過尾端支架安裝在立柱上，可繞B點轉(zhuǎn)動，通過前端支架與裝車臂內(nèi)臂相連，可繞C點轉(zhuǎn)動，通過氣缸的伸縮，可帶動裝車臂內(nèi)臂繞第一旋轉(zhuǎn)接頭A 點轉(zhuǎn)動。在三角形ABC中，D為A到BC的垂足，AD即為氣缸推動裝車臂轉(zhuǎn)動的力臂。AD ＝ABsinα。在實際使用中，內(nèi)臂的轉(zhuǎn)動角度為－10°～55°，在此過程中，氣缸尾端位置在B 點不變，前端支點由C1運動至C2，力臂AD的最大值為AD1，最小值為AD2，α的變化范圍為69.17°～21.02°。AB ＝0.496 m，則ADmin＝0.496·tan 21.02° ＝0.19 m。

圖5 助力氣缸安裝結(jié)構(gòu)

軸1 摩擦阻力的旋轉(zhuǎn)扭矩為264 N·m，則推動軸1轉(zhuǎn)動所需的最大的力為264／0.19 ＝1 389 N。安全系數(shù)取1.2，則所需最大輔助力為1 389×1.2 ＝1 666.8 N，假設(shè)氣缸的工作壓力為0.6 MPa，根據(jù)氣缸的理論輸出表，查出合適的氣缸的缸徑為63 mm。軸1 旋轉(zhuǎn)－10°時，氣缸前后兩端BC1的距離為927 mm，軸1 旋轉(zhuǎn)到55°時，氣缸前后兩端的BC2距離為1 397 mm，根據(jù)氣缸的尺寸圖和氣缸的行程范圍表，選擇氣缸的合適行程為600 mm。當(dāng)氣缸縮回時，最小尺寸為156 ＋600 ＋29 ＋30＝815 mm ＜927 mm，當(dāng)氣缸伸出時，最大尺寸為815 ＋600 ＝1 415 mm ＞1 397 mm，滿足使用要求。

每根氣缸采用兩個兩位三通機控閥進行控制，無電氣接線，不存在防爆要求，安全可靠。兩個閥門記為A和B，按下A 按鈕，氣缸尾端通向外頂出，提供推力；按下B按鈕，氣缸前端通氣向內(nèi)回縮，提供拉力；從而分別帶動內(nèi)臂繞第一旋轉(zhuǎn)接頭正、反轉(zhuǎn)動。為方便人工操作，將機控閥安裝在延伸臂上，如圖6 所示。當(dāng)工作人員向外拉延伸臂與槽車對接時，手自然地放在微型機控閥A上，此時氣缸尾端通氣，向外伸出，輔助工作人員將內(nèi)臂展開；當(dāng)工作人員向內(nèi)推裝車臂延伸臂使其收回至歸位裝置內(nèi)時，手自然地推動微型機控閥B，此時氣缸前端通氣，向內(nèi)縮回，輔助工作人員將內(nèi)臂向內(nèi)回收。

圖6 氣控按鈕箱示意圖

3.2 手閥升級為氣動閥門

針對裝車過程中人工手動開關(guān)閥門工作量大的問題，開展裝車臂氣動閥門應(yīng)用技術(shù)研究，將裝車臂上6 臺手動閥門全部升級為氣動閥門，其中2 in 低溫球閥升級為氣動球閥，注氮閥和放空閥升級為0.75 in低溫緊急切斷閥。為提高裝車臂的安全性，升級后的氣動閥門均為故障關(guān)（斷氣時閥門自動關(guān)閉），且需保留緊急情況下，人工手動開關(guān)閥門的功能，所有閥門的氣動執(zhí)行機構(gòu)均需配備手輪。為了便于觀察和控制，氣動執(zhí)行機構(gòu)上還安裝了防爆限位開關(guān)，實時反饋閥門的開關(guān)狀態(tài)［13］。

常規(guī)的2 in 低溫氣動球閥，手輪、氣動執(zhí)行機構(gòu)、防爆限位開關(guān)依次摞在閥門上方，閥門總高約為1 m，較手動閥門增加了一倍有余。而裝車臂是兩條臂上下并排放置，閥門升高后，容易相互干涉，為避免干涉，需要增加兩條臂之間的距離，而液相臂已無下降空間，只能將氣相臂向上移動，氣相臂上移后，氣動球閥手輪中心與地面的距離超過1.7 m，難以操作，不具備緊急情況下手動開關(guān)閥門的功能，與現(xiàn)場安全要求不符。為解決這一問題，設(shè)計了一種手輪側(cè)裝的氣動執(zhí)行機構(gòu)并將防爆限位開關(guān)安裝在執(zhí)行機構(gòu)側(cè)面（圖7），將閥門總高度降低至0.6 m左右，兩條臂均保持原有高度也不存在干涉問題，既實現(xiàn)對閥門的自動控制又保留緊急情況下手動開關(guān)閥門功能，滿足使用要求。

圖7 限位開關(guān)安裝位置

3.2.1 手閥升級為氣動閥門的優(yōu)點

（1）實現(xiàn)對閥門的自動控制，省去操作人員手動開關(guān)閥門工作，大大降低了操作人員的勞動強度，據(jù)統(tǒng)計，每次裝車可省去操作人員開關(guān)閥門22 次。

（2）實現(xiàn)定量裝車程序?qū)鈩娱y門的程序控制，保證吹掃、置換流程嚴(yán)格按照設(shè)定的順序、時間進行，防止人員誤操作。

（3）實現(xiàn)在批控器及中控室內(nèi)對閥門的遠程監(jiān)控及控制，緊急情況下，能夠遠程關(guān)閉閥門，有利于提高裝車場整體安全性。

3.2.2 手閥升級為氣動閥門的缺點

（1）裝車臂質(zhì)量大大增加，需重新校核裝車臂管道強度并更換彈簧平衡系統(tǒng)。

（2）裝車臂上管線數(shù)量增多，顯得雜亂又笨重。為了簡化裝車臂上管線，需要將裝車臂上所有防爆電磁閥集中安裝在框架上的氣閥箱內(nèi)進行統(tǒng)一控制。簡化后，每臺氣動閥門只需接一根儀表風(fēng)氣管即可。

（3）手動閥門全部升級為氣動閥門后，每條臂成本約增加10%。

3.3 快接裝置替換松套法蘭

目前，常用的快速連接裝置有DCC干式快速接頭和與槽車直連的快速連接裝置兩種［14－17］，如圖8～9 所示。DCC主要有MANNTEK、ARTA 和CLAW 三大品牌，包括干式接頭均包括公頭和母頭兩部分，這兩部分內(nèi)部均有閥芯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動阻力大，但操作方便，通過一個簡單動作——前推結(jié)合轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)接頭對接、內(nèi)部流道連通，液體可通過；反向轉(zhuǎn)動結(jié)合拉動，即可實現(xiàn)接頭斷開，公、母頭閥門均關(guān)閉，過程無流體溢出，可保護人員和環(huán)境免受危險液體和氣體的影響和傷害。

圖8 DCC干式快速接頭示意

圖9 直連快接裝置

與槽車直連的快速連接裝置采用螺紋－連桿組合驅(qū)動機構(gòu)，既有連桿機構(gòu)良好的傳動性能，又有螺紋機構(gòu)的自鎖功能，同時兼有省力的效果。管道內(nèi)為中空結(jié)構(gòu)，無閥芯等零部件，不增加任何流動阻力；連桿數(shù)量為4組，沿管道周向均勻分布，對接時，每根卡爪均壓在LNG槽車接口法蘭安裝孔的中間位置，有效解決壓緊桿壓到法蘭安裝孔的問題；使用時通過正／反轉(zhuǎn)動手輪帶動外螺紋套筒正／反轉(zhuǎn)動，外螺紋套筒通過螺紋驅(qū)動內(nèi)螺紋套筒左／右運動，內(nèi)螺紋套筒通過傳動桿推動壓緊桿張開／閉合，實現(xiàn)連接／脫離功能。

若采用DCC接頭，需要事先在槽車接口法蘭上連接公頭，若采用直連快接裝置，由于槽車接口處空間狹小，也需要事先連接轉(zhuǎn)接管。當(dāng)槽車在候車區(qū)安裝完公頭或者轉(zhuǎn)接管后，采用這兩種裝置代替松套法蘭與槽車連接，均可提高裝車臂的水平，將連接時間由3 min／臂縮短至45 s／臂以內(nèi)。與槽車直連的快接裝置可進一步升級為自動快接裝置并集成自動測漏功能，自動化程度進一步提高。

3.4 末端增加平衡裝置

由于延伸臂為懸臂結(jié)構(gòu)，重心距離第5 旋轉(zhuǎn)接頭的中心較遠，重力產(chǎn)生的扭矩大于第5 旋轉(zhuǎn)接頭的摩擦扭矩，因此在自然狀態(tài)下，延伸臂將向下傾斜。

為了抵消延伸臂重力產(chǎn)生的扭矩，使延伸臂能夠基本保持水平狀態(tài)，在第5 旋轉(zhuǎn)接頭處增加彈簧平衡機構(gòu)，如圖10 所示。通過SolidWorks軟件統(tǒng)計得，延伸臂質(zhì)量m1，質(zhì)心到第5 旋轉(zhuǎn)接頭的力臂L1，彈簧缸質(zhì)量預(yù)估為m2，質(zhì)心到第5 旋轉(zhuǎn)接頭的力臂L2，平衡缸到旋轉(zhuǎn)軸的力臂為L3，設(shè)平衡缸所需的拉力為F。根據(jù)平衡關(guān)系可得：F·L3＝m1gL1＋m2gL2，則F ＝（m1gL1＋m2gL2）／L3，代入數(shù)值，計算得F ＝1 750 N，根據(jù)機械設(shè)計手冊，選定彈簧材質(zhì)為60Si2Mn，設(shè)計彈簧的中徑為55 mm，簧絲直徑為8 mm，彈簧自由高度250 mm，有效圈數(shù)為14 圈，端部形式為端部并緊磨平，支撐圈為1.25 圈，端部固定狀態(tài)為兩端回轉(zhuǎn)。

圖10 平衡缸示意

4 使用驗證

將以上改進措施有機地融入到現(xiàn)有傳統(tǒng)裝車臂技術(shù)中，改進設(shè)計并生產(chǎn)制造了一款新型氣動助力裝車臂，如圖11 所示，在LNG 裝車站內(nèi)進行了為期2 個月的試用，試用期間，統(tǒng)計了每次裝車過程中所需人員數(shù)量、人員工作量、所需時間等參數(shù)并與傳動裝車臂進行比較，結(jié)果表明采用改進后的新型裝車臂進行裝車可以減少操作人員一名，在降低剩余操作人員勞動強度的同時提高工作效率，具體表現(xiàn)如下。

圖11 新型裝車臂示意圖

（1）操作人員在拉動延伸臂與槽車對接或斷開時，可以通過安裝在延伸臂上的氣控按鈕箱控制氣缸的伸縮，代替原來的操作人員推動內(nèi)臂繞第一旋轉(zhuǎn)接頭向所需方向旋轉(zhuǎn)，輔助操作人員實現(xiàn)延伸臂與槽車的對接或斷開，可節(jié)省1 人。

（2）進行裝車前后的驗漏、置換、泄壓等工作流程時，操作人員可通過批量控制器控制裝車臂上6 臺氣動閥門的開關(guān)，不再需要在6 臺閥門之間來回走動去手動開、關(guān)閥門，降低了操作人員勞動強度，提高了開、關(guān)閥門的速度，減少了驗漏、置換、泄壓、吹掃等流程時間，提高了裝車效率。

（3）采用與槽車直連的快接裝置代替松套法蘭與槽車對接，通過手動轉(zhuǎn)動手輪，加力桿壓緊后即可完成對接，省去擰螺栓的工作，使接臂／拆臂時間由3 min／臂縮短至45 s／臂。

（4）增加的彈簧平衡缸使延伸臂在包絡(luò)線范圍內(nèi)基本保持水平，使操作人員在拉動延伸臂與槽車對接時不再需要費力保持延伸臂的水平狀態(tài)，降低了裝車臂與槽車的對接難度。

（5）將裝車總時間由55 min 左右縮短至45 min 左右，時間節(jié)省了約18%。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)裝車臂存在問題，有針對性地提出了以下改進措施：在內(nèi)臂與框架之間增加驅(qū)動機構(gòu)，用于推動內(nèi)臂繞第一旋轉(zhuǎn)接頭旋轉(zhuǎn)；將手動閥門均改為氣動閥門，并將控制信號通過防爆箱接到批量控制器內(nèi)，以便對氣動閥門實現(xiàn)本地及遠程的自動控制；用快接裝置代替松套法蘭與槽車對接以提高連接效率；在延伸臂與第5 旋轉(zhuǎn)接頭入口法蘭之間增加一根彈簧平衡缸，用以平衡延伸臂自身的重力，使延伸臂在包絡(luò)線范圍內(nèi)能夠基本保持水平。

采取以上措施能夠有效解決傳統(tǒng)裝車臂內(nèi)臂運動不確定，手動閥門開關(guān)頻次多、勞動強度大，連臂費時費力，延伸臂下垂操作不便等問題，可以減少操作人員1名，并顯著降低人工勞動強度，提高工作效率18%左右，但同時也將使裝車臂結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，制造成本約增加15%，生產(chǎn)周期增加10%。