低温船用双管装卸臂的制作方法

本发明涉及一种装卸臂，具体涉及一种低温船用双管装卸臂，属于LNG船用装卸设备技术领域。

背景技术：

通常结构的LNG、低温乙烯船用装卸臂在码头上用于输送槽船内的超低温液体，所输送的液体温度极低，导致船用装卸臂上输送液体的气相管道、液相管道收缩量很大，而支撑管道的结构所处的温度为环境温度，致使支撑结构与气相管道系统、液相管道系统因温度差别较大产生较大的温度变形差，支撑结构因温度产生的变形远小于气相管道系统和液相管道系统因温度产生的变形，同时气相管道系统和液相管道系统也因温度不同（液相管道温度更低）产生了不同的温度收缩，即支撑结构与气相管道系统和液相管道系统在船用装卸臂工作时（装卸低温液体时）变形量不一致，这将导致支撑结构和管道系统内部产生巨大的内应力，气相管道系统和液相管道系统因变形量不协调致使气相管道系统、液相管道系统内有很大的内应力，巨大的内应力对船用装卸臂的安全性能及可靠性能影响很大，尤其是在管道弯头焊缝、旋转接头等应力较为集中的部位，所处温度很低在加上管道内巨大的应力装卸臂安全使用得不到保障，国内很多码头上所用的船用低温双管装卸臂都因采用常温介质装卸臂的结构设计或多或少都存在泄漏问题（如图2所示）。分析其原因是：通常低温船用装卸臂液相管道系统与支撑结构通过螺栓连接，气相管道系统和液相管道系统采用法兰连接，这样的结构设计沿用常温介质装卸臂，支撑结构、液相管道系统、气相管道系统的温度变形量相差不大，因此管道系统内部的拉、压应力不会太大，装卸臂可安全工作。但若输送介质为LNG、低温乙烯等超低温液体，气相管道系统和液相管道系统的温度收缩量远大于支撑结构温度变形量，存在支撑结构、液相管道系统、气相管道系统的变形量相差较多导致管道系统内部存在较大的拉应力和压应力，这使低温装卸臂工作时存在很大安全隐患。因此，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种低温船用双管装卸臂，该技术方案结构简单、紧凑，该技术方案对液相管道系统与支撑结构之间的连接以及液相管道系统和气相管道系统之间的连接进行合理设计，该方案可使支撑结构、液相管道系统在任何工况下，包括环境温度和低温工况的变形相互独立，同时气相管道系统和液相管道系统在任何工况下，包括环境温度和低温工况的变形也相互独立，尤其在低温工况下，液相管道系统和气相管道系统的收缩变形任意自由，这样消除了管内应力保证了低温船用双管装卸臂安全使用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，低温船用双管装卸臂，其特征在于，所述双管装卸臂包括立柱、液相立柱管、下绳轮、配重板、外臂驱动、水平驱动、内臂驱动、支撑箱、上绳轮、外臂支撑、液相内臂管、维修平台、液相内外臂连接件、气-液管连接件I、气-液管固定支座、液相外臂管、气相外臂管、气相内臂管、气相立柱管、液压分站、氮气分配系统、气-液管联通组件、气-液管连接件II、液相紧急脱离系统、液相快速接头、气相紧急脱离系统、转轴箱、钢丝绳、液相立柱管固定组件以及气相立柱管固定组件，所述钢丝绳设置在上绳轮和下绳轮之间，所述维修平台设置在装卸臂的上部，氮气吹扫系统设置在下绳轮的下方，所述液压分站设置在装卸臂立柱的下部，所述氮气分配系统设置在立柱上。

作为本发明的一种改进，所述气-液管连接件I由气相管连接管、盖板、垫板、底板、液相管连接管以及滑动板构成，所述气相管连接管与滑动板焊接成一整体，所述垫板设置在盖板和底板之间且可以在垂直连接管轴线平面内平移△L2和转动。

作为本发明的一种改进，所述气-液管固定支座由气相管加强筋、气相管肋板、连接片、液相管加强筋、液相管肋板、滴水板、限位挡环、支座管、限位挡板、隔冷块以及筒体构成，所述气相管加强筋、气相管肋板用于固定气相管，所述液相管加强筋、液相管肋板用于固定液相管，所述滴水板、限位挡环设置在支座管上。气-液固定管支座设置滴水板和隔冷块可以很大程度降低冷能从管道系统传递至支撑结构，整个气-液管固定支座将气相管和液相管固定且仅可相对于外臂支撑端部自由转动。

作为本发明的一种改进，所述气-液管连接件II由气相管连接管、盖板、挡板、导向槽、底板、液相管连接管以及滑动导板构成，气相管连接管和滑动导板焊接成整体，所述挡板设置在盖板和底板之间，所述挡板上设置有导向槽。气相管连接管可在导向槽内沿竖直向上平动δ1沿竖直向下平动δ2，气-液管连接件II可使得气相管和液相管在气-液管固定支座前端的悬挑部分独立自由伸缩。

作为本发明的一种改进，所述气相立柱管连接组件包括气相立柱管连接组件由盖板、立柱连接板和隔冷块，所述隔冷块设置在盖板内，气相立柱管可沿管轴线方向自由伸缩并可沿管轴向转动。

作为本发明的一种改进，所述液相立柱管固定组件是包括卡箍、隔冷块、顶杆冒以及顶杆，所述隔冷块设置在卡箍内，所述顶杆冒设置在顶杆上，液相立柱管通过卡箍勒紧隔冷块进而将其固定。但液相立柱管仍可沿管轴向自由平动和转动。

作为本发明的一种改进，所述相内外臂连接件由加强肋、加强筋、滴水板、连接管、限位环、隔冷衬垫组成，所述加强肋、加强筋设置在液相管上，所述滴水板设置在液相管的下方，所述加强肋上设置有两个缺口，一方面释放低温工况下加强肋上的温度应力，另一方面布置旋转接头氮气吹扫管线。液相内外臂连接件与液相管焊接成整体可在限位环内垂直连接管轴线平面内任意平动△L1，也可以沿连接管轴向转动；同时设置滴水板和隔冷衬垫可最大限度降低冷能传递至支撑结构。

作为本发明的一种改进，所述氮气吹扫系统设置为并联模式的吹扫系统。

相对于现有技术，本发明的优点如下，1）整个技术方案设计巧妙，结构简单紧凑，2该技术方案对液相管道系统与支撑结构之间的连接以及液相管道系统和气相管道系统之间的连接进行合理设计，该方案可使支撑结构、液相管道系统在任何工况下包括环境温度和低温工况的变形相互独立，同时气相管道系统和液相管道系统在任何工况下包括环境温度和低温工况的变形也相互独立，尤其在低温工况下，液相管道系统和气相管道系统的收缩变形任意自由，这样消除了管内应力保证了低温船用双管装卸臂安全使用；3）所述氮气吹扫系统设置为并联模式的吹扫系统，并联式旋转接头氮气吹扫与串联式旋转接头氮气吹扫比较主要有以下优点，低温旋转接头吹扫用氮气压力一般都比较低，依据装卸臂的口径和内臂管、外臂管长度不同通常在0.03~0.07MPa左右，而吹扫旋转接头用的氮气管线外径一般为φ10×1mm规格的，低温船用装卸臂的内臂管和外臂管道一般都比较长，这样就导致氮气吹扫管线相对较长，加上氮气压力较低，氮气的压力损失较大，前端的几个旋转接头吹扫的效果就不太理想，容易造成旋转接头冰冻卡住，转动不灵活，对旋转接头的使用寿命产生影响，并联式旋转接头吹扫系统使得氮气压损大大减小，保证了旋转接头的吹扫效果，并联式旋转接头氮气吹扫系统可以避免氮气出口堵塞致使堵塞后旋转接头吹扫不到的现象；4）该技术方案合理布置支撑结构、气-液管连接件的位置避免管道共振现象，同时通过各个连接件内部设计有隔冷块、隔冷衬垫可有效的增大阻尼降低管道系统的振动，避免了管道在额定装卸流量时的共振问题，确保装卸过程中的安全性。

附图说明

图1为本装卸臂整体结构示意图；

图2为现有的装卸臂接船状态示意图；

图3为本发明接船初始状态示意图；

图4为接船前后状态结构示意图；

图5为气相管道与液相管道连接结构示意图；

图6为气-液管连接件I结构示意图；

图7为气-液管固定支座结构示意图；

图8为气-液管连接件II结构示意图；

图9为气相立柱管连接组件结构示意图；

图10液相立柱管固定组件结构示意图；

图11液相内臂连接件结构示意图；

图12为串联吹扫系统结构示意图；

图13为并联吹扫系统结构示意图；

图14为接船初始状态示意图；

图15为接船过程状态示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

实施例1：

参见图1-图4，温船用双管装卸臂，所述双管装卸臂包括立柱1、液相立柱管2、下绳轮3、配重板4、外臂驱动5、水平驱动6、内臂驱动7、支撑箱8、上绳轮9、外臂支撑10、液相内臂管11、维修平台12、液相内臂连接件13、气-液管连接件I 14、气-液管固定支座15、液相外臂管16、气相外臂管17、气相内臂管18、气相立柱管19、液压分站20、氮气分配系统21、气-液管联通组件22、气-液管连接件II 23、液相紧急脱离系统24、液相快速接头25、气相紧急脱离系统26、转轴箱27、钢丝绳28、液相立柱管固定组件29以及气相立柱管固定组件30，所述钢丝绳设置在上绳轮和下绳轮之间，所述维修平台设置在装卸臂的上部，氮气吹扫系统设置在下绳轮的下方，所述液压分站20设置在装卸臂的下部，所述氮气分配系统21设置在立柱侧下部。 液相内臂连接件13通过加强肋131与加强筋132将液相内臂管固定，且液相内臂连接件相对支撑箱可在限位环135中任意移动，限位环与支撑箱焊接为一整体。如图11所示。气-液管连接件I 14将液相内臂管端部弯头和气相内臂管端部弯头沿管轴心连接在一起，由于气-液管连接件I 14结构设计释放多余约束，可使气相管和液相管在改位置处相互自由移动和转动，如图6所示。气-液管固定支座15通过气相管加强筋151、气相管肋板152固定气相外臂管，液相管加强筋154、液相管肋板155固定液相外臂管并通过连接片153将气相外臂管和液相外臂管在此处固定，通过限位挡环157、支座管158、限位挡板159与外臂支撑连接，且支座管158可在此约束处相对外臂支撑自由转动，如图7所示。气-液管连接件II23将液相外臂管端部弯头和气相外臂管端部弯头沿管轴心连接在一起，由于气-液管连接件II23结构设计释放多余约束，可使气相管和液相管在改位置处相互自由的沿轴向伸缩，如图8所示。

液相立柱管固定组件29用卡箍291、隔冷块292勒住立柱管，然后通过顶杆冒293以及顶杆294将立柱管固定于立柱内，立柱管可沿轴向自由伸缩和转动，如图10所示。

气相立柱管固定组件30通过盖板301和隔冷块303将气相立柱管夹紧固定，然后将立柱连接板302焊接在立柱上，这样可以保证气相立柱管可沿管轴线方向自由伸缩和转动，如图9所示。

实施例2：参见图6，作为本发明的一种改进，所述气-液管连接件I由气相管连接管141、盖板142、垫板143、底板144、液相管连接管145以及滑动板146构成，所述气相管连接管141与滑动板146焊接成一整体，所述垫板设置在盖板和底板之间，且可以在垂直连接管轴线平面内平移△L2，此数值依据内外臂长度和最大包络角度计算所得，如图6所示。采用气-液管连接件I可使气相管和液相管在该连接相互移动和相互转动。

实施例3：：参见图7，作为本发明的一种改进，所述气-液管固定支座15由气相管加强筋151、气相管肋板152、连接片153、液相管加强筋154、液相管肋板155、滴水板156、限位挡环157、支座管158、限位挡板159、隔冷块1510以及筒体1511构成，所述气相管加强筋151、气相管肋板152用于固定气相管，所述液相管加强筋154、液相管肋板155用于固定液相管，所述滴水板156、限位挡环157设置在支座管158上。气-液固定管支座设置滴水板156和隔冷块1510可以很大程度降低冷能从管道系统传递至支撑结构，如图7所示。

实施例4：参见图8，作为本发明的一种改进，所述气-液管连接件II 23由气相管连接管231、盖板232、挡板233、导向槽234、底板235、液相管连接管236以及滑动导板237构成，气相管连接管231和滑动导板237焊接成整体，所述挡板233设置在盖板232和底板235之间，所述挡板上设置有导向槽，气相管连接管231可在导向槽234内沿竖直向上平动δ1沿竖直向下平动δ2，δ1、δ2可依据公式δ=α·L·△T计算得到，如图8所示。采用气-液管连接件II可使气相管和液相管在该连接沿轴向自由伸缩。

实施例5：参见图9，作为本发明的一种改进，所述气相立柱管连接组件30包括气相立柱管连接组件由盖板301、立柱连接板302和隔冷块303，所述隔冷块设置在盖板内，气相立柱管可沿管轴线方向自由伸缩并可沿管轴向转动，如图9所示。采用气相立柱管连接组件（30）可使气相立柱管相对于立柱沿轴向自由伸缩。

实施例6：参见图10，作为本发明的一种改进，所述液相立柱管固定组件是包括卡箍291、隔冷块292、顶杆冒293以及顶杆294，所述隔冷块设置在卡箍内，所述顶杆冒设置在顶杆上，液相立柱管通过卡箍291勒紧隔冷块292进而将其固定。但液相立柱管仍可沿管轴向自由平动和转动，如图10所示； 采用液相立柱管固定组件29可使液相立柱管相对于立柱沿轴向自由伸缩。

实施例7：参见图11，作为本发明的一种改进，所述液相内臂连接件13由加强肋131、加强筋132、滴水板133、连接管134、限位环135、隔冷衬垫136组成，所述加强肋131、加强筋132设置在液相管上，所述滴水板设置在液相管的下方，所述加强肋131上设置有两个缺口，一方面释放低温工况下加强肋131上的温度应力，另一方面布置旋转接头氮气吹扫管线。液相内臂连接件与液相管焊接成整体可在限位环135内垂直连接管134轴线平面内任意平动△L1，此数值依据内外臂长度和公式δ=α·L·△T并结合接船初始状态和稳态计算得到，也可以沿连接管134轴向转动；同时设置滴水板133和隔冷衬垫136可最大限度降低冷能传递至支撑结构，如图11所示。

实施例8：参见图12，,作为本发明的一种改进，所述氮气吹扫系统设置为并联模式的吹扫系统。本发明涉及的低温船用双管装卸臂的低温旋转接头氮气吹扫采用并联模式吹扫，如图12所示，通常低温装卸臂的旋转接头采用串联式氮气吹扫，如图13所示。并联式旋转接头氮气吹扫与串联式旋转接头氮气吹扫比较主要有以下优点：低温旋转接头吹扫用氮气压力一般都比较低（依据装卸臂的口径和内臂管、外臂管长度不同通常在0.03~0.07MPa左右），而吹扫旋转接头用的氮气管线外径一般为φ10×1mm规格的，低温船用装卸臂的内臂管和外臂管道一般都比较长，这样就导致氮气吹扫管线相对较长，加上氮气压力较低，氮气的压力损失较大，前端的几个旋转接头吹扫的效果就不太理想，容易造成旋转接头冰冻卡住，转动不灵活，对旋转接头的使用寿命产生影响。并联式旋转接头吹扫系统使得氮气压损大大减小，保证了旋转接头的吹扫效果。并联式旋转接头氮气吹扫系统可以避免氮气出口堵塞致使堵塞后旋转接头吹扫不到的现象，可以对比图12和图13，图12中若吹扫出口A堵塞，其后的旋转接头可以得到正常吹扫，图13中如旋转接头A的吹扫出口堵塞，其后的旋转接头都将吹扫不到，导致旋转接头A之后的所有旋转接头都被冰冻卡住，旋转不动，对旋转接头的使用寿命及安全生产造成影响。

工作原理：该技术方案综合考虑低温船用双管装卸臂的使用工况，当低温船用双管装卸臂不接船时，支撑结构、液相管道系统、气相管道系统基本无相对变形量，此时气相管道系统、液相管道系统内部无温度变形产生的应力，支撑结构、液相管道系统、气相管道系统轴线重合，如图3所示初始状态；当低温船用双管装卸臂接船时，支撑结构和管道系统的温差特别大，支撑结构、液相管道系统、气相管道系统变形量不一致，此时，可分别使支撑系统、气相管道系统和液相管道系统处于自由伸缩的状态，如图4所示，这样可以解决管道系统因低温收缩导致的内应力过大问题；当低温船用双管装卸臂装卸槽船结束后，气相、液相管道系统又会因温度的升高恢复至初始状态。

本发明对液相管道系统与支撑结构之间的连接以及液相管道系统和气相管道系统之间的连接进行合理设计，按此设计可使支撑结构、液相管道系统在任何工况下（包括环境温度和低温工况）的变形相互独立，如图14所示；同时气相管道系统和液相管道系统在任何工况下（包括环境温度和低温工况）的变形也相互独立，尤其在低温工况下，液相管道系统和气相管道系统的收缩变形任意自由，如图15所示，这样消除了管内应力保证了低温船用双管装卸臂安全使用。合理布置支撑结构、气-液管连接件的位置避免管道共振现象，气-液管连接件、气-液管固定支座、气液内外臂连接件的布置会影响整个管道系统的刚度值。首先依据码头参数、船型参数及低温船用双管装卸臂的口径确定双管装卸臂的外形尺寸，然后通过有限元软件进行模态分析计算出低温船用双管装卸臂管道系统的各阶主频率（f₁、f₂、f₃、f₄……）。在设计流量这一外部激励下通过有限元软件计算出低温船用双管装卸臂管道系统的振动频率f₀，通过调整气-液管连接件、气-液管固定支座、气液内外臂连接件的位置避开设备的各阶固有频率，这样可以避免LNG船用装卸臂在装卸液体时管道系统的共振现象；同时通过各个连接件内部设计有隔冷块、隔冷衬垫可有效的增大阻尼降低管道系统的振动。若气-液管连接件、气-液管固定支座、气液内外臂连接件布置不合理，外部激励的振动频率f₀与低温船用双管装卸臂管道系统的各阶主频率（f₁、f₂、f₃、f₄……）的某阶频率相近或相等时，在额定装卸流量时管道系统将发生共振，此时管道温度很低，很容易发生无任何先兆的低应力疲劳脆断，造成安全事故。因此，气-液管连接件、气-液管固定支座、气液内外臂连接件的安装位置都必须经过计算确定。

本发明还可以将实施例2、3、4、5、6、7、8所述技术特征中的至少一个与实施例1组合形成新的实施方式。

需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上作出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围。