LNG卸料臂与船对接法兰面泄漏分析

焦月明1 , 杨 力1 , 魏念鹰2 , 陈 帅2 ， 尹 海3 , 敬兴龙1

(1.新疆华隆油田科技股份有限公司,新疆克拉玛依 834000；2.中石油大连液化天然气有限公司,辽宁大连 116600；3.中石油新疆油田公司, 新疆克拉玛依 834000)

摘要：LNG卸料臂是LNG卸载过程中最重要的设备之一，而卸载过程中卸料臂与船对接法兰面最易发生泄漏，因此避免其泄漏很重要。文中以某LNG接收站为例，简要介绍卸料臂预冷流程；对曾经发生过的泄漏展开分析，结果发现预冷速度过快是造成对接法兰面泄漏的主要原因；提出了相应的改进措施。改进之后，此LNG接收站卸船期间再未出现卸料臂与船对接法兰面泄漏的问题。

关键词：LNG卸料臂;法兰面;泄漏;分析;改进措施

1 卸料臂预冷流程简介

良好的卸料臂预冷是LNG接收站成功接卸LNG的前提。图1为某LNG接收站LNG卸料臂预冷流程简图，从图中可以看出该LNG接收站共设置3台LNG液相臂和1台气相臂。预冷前，首先确认图1中相关阀门阀位正常：船方XV1～XV4已开启；岸方XV5～XV7、HCV1、HCV2已关闭，XV8～XV12已开启且HCV3已开至适合开度；PCV1和PCV2已根据实际需求设置为正常模式和正常开度。预冷时，船上启动喷射泵并通过其回流调节冷却的LNG流量， LNG通过L-1101A、L-1101B、L-1101C液相臂输送至岸侧，由旁路XV9～XV11阀处经卸船总管、码头循环管线，之后由上进料管线到达LNG储罐。当TI-1～TI-3温度指示降低至-140 ℃时，液相臂预冷完成。[1-2]

2 对接法兰面泄漏原因分析

2.1 对接法兰面泄漏情况统计

2012年，某LNG接收站共接卸LNG船14艘。表1列出了接卸船号、预冷时间及是否发生过泄漏、具体泄漏部位和发生泄漏的时间等情况。

表1 对接法兰面泄漏情况

接卸船号预冷时间/min是否泄漏泄漏部位发生泄漏时间185否263是B臂对接法兰面全速卸载前后379否470是B臂对接法兰面全速卸载前后572是B臂对接法兰面全速卸载前后680是B臂对接法兰面全速卸载前后783否877是A臂对接法兰面全速卸载前后9101否1095否11121否12115否1396否14108否

图1 预冷及卸载流程

从表1可以看出，在14艘船接卸过程中共发生了5次泄漏。每一次发生泄漏都存在预冷时间相对较短情况；且均发生在卸料臂与船对连接法兰面；同时，都发生在全速卸载前后。而卸料臂B与船对接法兰面发生过4次，卸料臂A发生过1次，卸料臂C则未发生过泄漏。

2.2 对接法兰面泄漏原因分析

2.2.1 船方各LNG输送歧管压力分配不均

由于5次泄漏中，卸料臂B与船对接法兰面发生过4次，远远高于其他2个液相卸料臂；同时，由图1可以看出：LNG由船上卸货泵加压输送至其总管，再由总管分配至各液相臂对应的船方LNG输送歧管，若由于某些原因(如泵台数的增加、流量的调节)导致各歧管压力分布不均，使得液相臂B对应歧管压力高于其他2个，则可能使液相臂B与船对接法兰面发生泄漏。

2.2.2 液压快速耦合器紧固力分配不均

卸料臂液压快速耦合器(图2(a))用于紧固卸料臂与船对接法兰。每个卸料臂设置5个快速耦合器，它们均匀安装在卸料臂前端，以保证卸料臂与船对接后法兰面各处都具有相同的紧固力，同时其液压能分配器也给每个快速耦合器提供相同的液压能来保证各耦合器具有相同的紧固力。若由于某些原因导致一个或几个快速耦合器得不到相同的液压能，则会使得法兰面各处紧固力不均匀，且此时管道弯曲应力超过紧固力最弱的对接法兰面处，就会发生泄漏。

2.2.3 密封垫圈损坏或未正确安装

LNG卸料臂前端法兰面处安装了抗低温的橡胶密封垫圈(图2(b)所示)。当卸料臂与船方对应LNG输送歧管连接时，此密封垫圈会与歧管法兰面的螺纹密封相吻合，以防止对接法兰面的泄漏，若此密封垫圈损坏或未正确安装，则会导致卸料臂与船对接法兰面发生泄漏。

(a)

(b)

图2 液压快速耦合器与密封垫圈

2.2.4 预冷速度过快

虽然以上5次对接法兰面泄漏都发生在全速卸载前后，表象显示预冷过程并不是造成泄漏的直接原因。但根据材料变形和机械连接原理分析，预冷速度过快却是造成泄漏的直接诱导因素[3-4]。

金属材料都存在热胀冷缩效应，当金属管道接触低温液体时，在温度降低的同时也会产生收缩效应，而不同的温度梯度所产生的冷缩率也不同。图3为奥氏体不锈钢冷缩率随温度变化的曲线图。从图中可以看出，随着温度的升高，冷缩率降低速率也不断增大。因此，下降相同的温度梯度，预冷初期管道的冷缩率较大，造成的局部弯曲应力也较大。

图3 奥氏体不锈钢冷缩率随温度变化曲线

预冷过程中由于直接利用LNG进行冷却，因此LNG会贴管道下表面流动，同时在流动过程中逐渐蒸发为BOG，而此BOG会慢慢冷却管道上表面。由于蒸发后的BOG温度较高，从而导致管道上下表面温度的差异，并且产生弯曲应力。如果预冷速度过快，就会造成管道底部和顶部温度的差异较大，这样就会在卸料臂与船对接法兰面处产生较大的弯曲应力，使对接法兰面产生曲张。若此时快速耦合器施加于对接法兰面的紧固力不足以对抗弯曲应力；并且，由于LNG接收站对对接法兰面的紧固采用液压耦合器，其紧固力不能像螺栓紧固一样随着弹性形变的变化而改变，所以一旦全速卸载时管道压力升高且高于对接法兰面的作用力，就会造成泄漏。同时，表1也显示发生泄漏的情况都存在预冷时间过短的情况，因此，可以确定对接法兰面的泄漏主要原因是预冷速度过快。[5]

3 法兰面泄漏改进措施

通过以上对LNG卸料臂与船对接法兰面泄漏的分析，该LNG接收站采取了相应的改进措施。

3.1 快速耦合器紧固力分配不均的改进

经过检查，确定卸料臂B与船对接法兰面泄漏与快速耦合器紧固力分配不均有关。而紧固力的分配不均主要是由于液压分配器的压力不均衡造成；同时，造成液压分配器压力不均的主要原因是分配器压力设定值偏低。因此，采取了对分配器的压力设定值提高20 bar(1 bar=0.1 MPa)的改进措施。改进之后，较好地解决了快速耦合器紧固力分配不均的问题。

3.2 增加检查项目

(1)每周对卸料臂进行测试、检查。测试卸料臂各功能是否正常；检查卸料臂style80前端法兰面是否干净、无锈；检查密封垫圈是否完好无损。

(2)卸料臂与船对应LNG歧管对接前，检查歧管法兰面螺纹密封是否完好无损。

(3)完成对接法兰面紧固后，用手电仔细检查对接法兰面是否无缝隙。

(4)完成预冷后，再次调整快速耦合器，对法兰面紧固加强。

3.3 预冷改进

该LNG接收站起初要求预冷时间为60～90 min。而根据“2.2.4 预冷时间过快”的分析判定可能是预冷时间过短造成泄漏，同时表1也显示：发生对接法兰面泄漏都存在预冷时间相对较短的情况。因此，决定延长预冷时间(由60～90 min增加至90～135 min)，并对预冷过程进行细分处理。

通过改进， LNG接收站有效解决了卸船期间LNG卸料臂与船对接法兰面发生泄漏的问题。改进至今，未再次发生过同样的泄漏。

该LNG接收站将整个预冷过程分为3个阶段,如图4所示。

3.3.1 1阶段

1阶段为水平管段预冷(图4(a)，1阶段)。由于水平管段包含了易泄漏的卸料臂与船对接法兰面，所以此段预冷应尽量慢些，保证管道上、下表面温差尽量较小。因此，将预冷时间尽量控制在45～60 min。由于预冷前，卸料臂及相关管线都用常温的氮气进行过置换，所以此阶段预冷的LNG首先会快速汽化产生大量的BOG，BOG会将船方歧管及卸料臂中的氮气置换至3阶段TI处，因此DCS显示的温度会有略微的上升趋势(图4(b)，1阶段)，导致DCS操作员很难判断此阶段的预冷情况。因此，实际预冷时，则通过现场操作员观察此段管道结霜情况，同时与船方协调来控制预冷的速度(预冷速度的控制则是通过PI处的压力来判定：压力高，速度快；压力低，速度慢)，当整段管道都已结霜(说明LNG已充满此段管线)时，其预冷完成。

(a)

(b)
图4 预冷分段图

3.3.2 2阶段

2阶段为style80及液相臂外臂预冷(图4(a)，2阶段)。由于对接法兰面已经完成预冷，

所以此阶段会适当加快预冷速度，预冷时间控制在30～45 min。由于加快了预冷速度，所以管道内的剩余常温氮气会被更加迅速地置换至3阶段TI处，而当置换完成后，冷态的BOG则会被液态的LNG所置换至3阶段TI处。因此，在图4(b)中，2阶段的温度会呈先上升再下降的趋势。实际预冷时，也是通过现场操作员观察结霜情况来与船方协调对预冷速度进行调整。

3.3.3 3阶段

3阶段为液相臂内臂及站内卸船管线预冷(图4(a)，3阶段)，预冷时间控制在15～30 min。当完成2阶段预冷后，LNG已充满整个外臂，到达内、外臂夹角顶端，这时由于2阶段几乎已经将氮气置换完毕，预冷的LNG也开始从站内卸船管道底部逐渐填充，所以此时TI处的温度会开始明显下降。现场也能观察到内臂的结霜情况，当TI温度下降至-140 ℃时，卸料臂预冷完毕。

4 结论

(1)造成LNG卸料臂与船对接法兰面泄漏的原因包括：船方各LNG输送歧管压力分配不均，液压快速耦合器紧固力分配不均，密封垫圈损坏或未正确安装和预冷速度过快。而预冷速度过快是导致泄漏发生的主要原因。

(2)通过对卸料臂快速耦合器液压分配器设定压力的提高解决了法兰对接面紧固力分配不均的问题；同时，配合预冷阶段的细分和预冷时间的延长等改进措施解决了LNG卸料臂与船对接法兰面泄漏问题。改进至今，该LNG接收站未发生过同样的泄漏。

参考文献：

[1] 付海泉，屈晟，殷先平.大型LNG接收站首船接卸作业流程分析.天然气技术与经济，2013,7(2):52-55.

[2] 陈帅. 基于Forcecontrol 的LNG 卸料臂功能模拟软件.化工自动化及仪表，2013,40(6)：820-824.

[3] 马小波.法兰面密封出现泄漏的原因分析及对策.GM石油/化工通用机械，2011(1):76-78.

[4] 沙晓东， 陈晓辉，黄坤，等. 输气管道应力影响因素分析.天然气与石油，2013,31(1)：1-4.

[5] 林素辉.LNG接收站大管径管道冷却方式探索.天然气技术与经济，2011(增刊1):25-27.

Leakage Analysis of Flange Face Between LNG Unloading Arm and Vessel

JIAO Yue-ming1,YANG Li1 ,WEI Nian-ying2, CHEN Shuai2,YIN Hai3,GOU Xing-long1

(1．Xinjiang Hualong Oilfield Technology Company Limited, Karamay 834000, China;2．PetroChina Dalian Liquefied Natural Gas Company Limited, Dalian 116600, China;3.CNPC Xinjiang Oilfield Branch, Karamay 834000, China)

Abstract： LNG unloading arms is one of the most important equipment in LNG unloading process,and the flange face between LNG unloading arm and vessel is the easiest leakage in process. So how to avoid the leakage is particularly important.Taking certain LNG terminal as an example,firstly,this paper briefly introduced the pre-cooling of unloading arms process. Then,with the analysis of the leakage incidents occurred,the results show that pre-cooling too quickly is the main cause of the leakage. Finally,the corresponding improvement measures were put forward. With the improvements,the leakage no longer occurs in unloading process at this LNG terminal.

Key words：LNG unloading arms; flange face; leakage; analysis; improvement measures

收稿日期：2014-10-16 收修改稿日期2015-01-27

中图分类号：TE83

文献标识码： A

文章编号：1004-9614(2015)03-0032-03

作者简介：焦月明(1963—)，工程师，主要从事油田化学、数字油田、液化天然气等相关领域工程技术研究及管理工作。E-mail：[e-mail]

通讯作者：陈帅(1986—)，助理工程师，主要从事LNG接收站运营、管理工作。E-mail:[e-mail]