液化天然氣(LNG)能源因其具有綠色環保、經濟實惠、安全可靠等諸多優勢,近些年在我國得到大力發展和應用。至2021年,中國進口LNG達8140萬t,超過日本成為全球最大的LNG進口國,預計到2030年,我國天然氣消費規模將達到5500億m3以上,如此巨大的天然氣消費需求將依靠國內LNG增產和進口LNG來實現[1]。在LNG轉運過程中,一般有船運和陸運2種形式,汽車槽車用低溫鶴管(以下簡稱低溫鶴管)已逐漸取代傳統軟管成為陸用裝卸LNG的最關鍵部件之一,其生產工藝的好壞也將直接影響低溫鶴管的裝配效率和質量。在低溫鶴管眾多性能指標中,密封性能是重中之重,根據相關國家標準規范規定,在完成鶴管生產裝配后會對其密封性能做相關驗證試驗,一旦低溫鶴管出現泄漏問題,造成的返修工作不僅會影響鶴管的生產周期,還會增加不必要的生產成本,甚至造成一定的安全隱患,所以最大程度保證生產過程中低溫鶴管的密封性能質量尤為重要。

低溫鶴管主要由入口旋轉部裝、內臂部裝、外臂部裝、外伸臂、平衡器、旋轉接頭及附件組成(見圖1)。旋轉接頭是實現低溫鶴管運動旋轉的關鍵核心部件;入口旋轉部裝直接與撬裝管道相連接,是運輸介質的入口通道;外伸臂則直接與汽車槽車的儲罐相連,構成運輸介質的出口通道;內臂部裝與撬裝框架連接,是低溫鶴管左右旋轉運動的關鍵部件;平衡器主要起到平衡外臂及外伸臂轉動力矩的作用,主要有配重式、彈簧缸、氣缸式等多種樣式,其中以配重式和彈簧缸式較為常見[2]。

低溫旋轉接頭是主要用于連接低溫鶴管的不同組件做相對旋轉并能承受一定載荷的部件,是關系到低溫鶴管是否能夠穩定運動的關鍵核心部件。旋轉接頭結構圖如圖2所示。低溫旋轉接頭主要由動密封法蘭、靜密封法蘭、密封墊、內圈、外圈、滾珠等組成[3]。當低溫旋轉接頭兩端組件做旋轉運動時,內外圈間的滾珠隨之滾動,起到減小摩擦阻力的作用。

內臂部裝主要由軸頭零件、軸頭連接柱、內臂支撐桿、彎頭、法蘭及直管道組成(見圖3)。內臂部裝法蘭1與入口旋轉部裝的低溫旋轉接頭相連,軸頭零件與撬裝框架連接,是低溫鶴管能夠實現大幅度左右運轉的關鍵零件[4]。

外臂部裝主要由法蘭、彎頭、閥門、輸送管道和平衡器固定架組成(見圖4)。外臂部裝可在水平面和垂直面的范圍內轉動,主要用于調整鶴管同槽車對接工作位置。

外伸臂又稱垂管,主要由法蘭、末端法蘭、輸送管道、拉斷閥、彎頭和把手組成(見圖5)。其中,末端法蘭與儲罐相連,實現輸送介質的轉運。當發生緊急情況,需要將低溫鶴管與儲罐緊急脫離時,拉斷閥可起到緊急脫離作用,保證設備安全。

低溫鶴管一般生產工藝流程如圖6所示。在低溫鶴管總體裝配過程中,除平衡器最后安裝外,一般遵循由內向外、先主后次的安裝順序,即從入口旋轉部裝開始,逐步向外伸臂安裝,先裝配主管道,后裝配支管道及附件[5]。在裝配彈簧缸式平衡器過程中,應先按圖樣所示角度安裝好彈簧缸安裝板,將彈簧缸一端固定在安裝板后,緩慢向上旋轉外臂部裝至適當角度后,使彈簧缸外部定位柱順利安裝入卡槽中,最終再調整外臂角度使彈簧缸安裝牢固。

由于LNG的主要成分是甲烷,雖然它無色、無味、無毒且無腐蝕性,被公認是地球上最干凈的化石能源之一,但是一旦LNG發生泄漏,其危害性不容小覷,主要有如下幾點[6]。

1)LNG發生泄漏后就會立即蒸發,其蒸氣與空氣的混合物在溫度上升過程中形成一個比空氣輕的云團,當混合達到一定程度后,一旦遇到火源就很容易引起爆炸。

2)由于LNG是-162℃的深冷液體,一旦發生泄漏,泄漏出來的超低溫LNG液體和過冷蒸氣會對附近區域的人員產生威脅,接觸到皮膚會造成低溫凍傷。

3)低溫LNG對裝置設備也具有破壞性的影響,很可能導致事故的進一步擴大。

4)雖然LNG蒸氣是無毒的,但是當天然氣在空氣中的體積分數大于40%時,吸入過量就會導致缺氧窒息,導致人昏迷,甚至死亡。

5)當LNG泄漏到水中時會發生快速相變的現象,俗稱冷爆炸,對周圍造成危害。

一般低溫鶴管輸送介質泄漏的危害性都是較大的,所以無論在前期設計還是在后期生產裝配過程中,預防低溫鶴管的泄漏尤為重要[7]。在生產過程中可能導致低溫鶴管泄漏的原因和預防措施主要有如下幾種。

在低溫鶴管生產過程中,焊接工作作為主要加工手段,占據著十分重要的位置。焊接件一般由管道、法蘭、彎頭組成,一旦焊接質量出現問題會直接導致低溫鶴管的泄漏。為避免此種情況發生,且根據相關標準要求,在焊接前應當通過焊接工藝評定制定焊接工藝規程來指導焊接工作。在完成焊接工作后,焊縫應進行滲透(PT)、射線(RT)等無損檢測,對焊接質量進行有效管控[8]。無損檢測合格后,不銹鋼管道還應進行酸洗鈍化處理,清除管道及焊縫表面的各類油污、銹跡、氧化皮、焊斑等污垢,這樣可以有效提高不銹鋼抗腐蝕性能,最大程度上避免在長期使用過程中,低溫鶴管由于腐蝕而導致泄漏的發生。

旋轉接頭作為低溫鶴管的核心關鍵部件,其質量好壞不僅關系到整個低溫鶴管能否按要求完成功能動作,同時也是能夠導致低溫鶴管泄漏的常見因素之一。旋轉接頭導致泄漏主要有如下2個原因[9]。

a.密封件損傷。在旋轉接頭中,密封組件對旋轉接頭密封性起著十分重要的作用,密封組件主要分為動密封組件、靜密封組件和塵封組件等。為避免影響密封組件密封效果,在裝配過程中保證密封組件的清潔和避免劃傷尤為重要,是防止旋轉接頭發生泄漏的重要因素之一。

b.密封面磨損。在確保密封組件裝配質量的前提下,保證旋轉接頭密封面的光潔度也尤為重要。當密封面有損傷,比如劃傷或者加工粗糙度不達標時,都會導致輸送介質從旋轉接頭的密封面泄漏,此時就需要返修密封面至要求后才能正常使用。

在低溫鶴管后期試驗過程中,法蘭之間的泄漏情況也時有發生,所以在裝配過程中,法蘭的裝配質量對于低溫鶴管的泄漏也起著重要的作用[10]。

法蘭是通過法蘭周圈的連接螺栓連接在一起的,為提高法蘭之間的密封性,在兩法蘭之間往往會安裝金屬纏繞墊。有時法蘭之間發生泄漏是由于連接螺栓未按相關操作規范安裝,或是未按規定的扭力裝配,造成兩法蘭和金屬纏繞墊接觸面受力不均而導致泄漏,有時這種違規操作還會造成金屬纏繞墊的損壞,或是金屬纏繞墊本身質量存在問題也有可能導致泄漏,此時就需重拆除連接螺栓,更換合格的金屬纏繞墊后,按規范重新安裝連接螺栓即可解決泄漏問題。

在低溫鶴管產品中,諸如閥門、管接頭等標準件的質量也可能導致泄漏的發生,所以在裝配工作前,對相關標準件的選擇和質量管控也不容忽視,一旦出現問題,應立即更換,最大程度避免泄漏的產生。

通過上述研究可以得出如下結論。

1)與傳統軟管輸送相比,此種低溫鶴管結構采用硬連接方式,加上緊急脫離等安全裝置,可以有效防止爆管、斷裂等情況的發生,安全可靠性高。平衡系統和旋轉接頭結構使人工操作簡便,完全滿足如液化天然氣(LNG)等低溫流體從儲罐至撬裝等相關產品的轉運使用。

2)全面闡述了低溫鶴管泄漏帶來的危害,分析了在生產裝配過程中能夠導致低溫鶴管泄漏的原因,通過加強焊接質量管控,提升旋轉接頭密封組件的裝配質量,同時提高法蘭裝配質量等方法可以使低溫鶴管由于生產裝配導致的泄漏率下降50%以上。