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输油臂紧急脱离装置弹簧能验证方法

发表时间：2021/5/21 来源：《基层建设》2020年第35期作者：苏华

[导读] 摘要：本文简单介绍了LNG输油臂紧急脱离装置的基本结构组成及夹紧机构中弹簧能量是否满足释放要求的验证方法。

        大连华锐重工集团股份有限公司设计研究院辽宁大连 116000
        摘要：本文简单介绍了LNG输油臂紧急脱离装置的基本结构组成及夹紧机构中弹簧能量是否满足释放要求的验证方法。
        关键词：输油臂；紧急脱离；夹紧机构；弹簧能
        1前言
        近年来，我国天然气消费呈逐年递增趋势，将天然气液化后通过LNG运输船输送至国内则成为我国进口天然气的重要途径之一。用于装卸液化天然气的低温卸料臂则在各个接收站发挥着重要的作用，但是在装卸料过程中若遇到不可控因素，或将导致LNG运输船拉扯卸料臂，从而导致卸料臂倾倒，给用户造成不可挽回的巨大的损失。因此在卸料臂三维接头垂直段上一般安装有紧急脱离装置，在装卸过程中如遇大风、大浪、火灾等紧急状况时，紧急脱离装置可以使卸料臂与船快速分离，起到保护船槽设备、码头设备、人员安全，避免因介质的泄漏而造成对环境的污染，减少经济损失及安全事故发生概率等作用，是卸料臂不可或缺的重要部件。
        紧急脱离装置目前主要有两种典型的结构，主体结构都是由双球阀组成的切断阀，区别只在于双球阀连接部分的夹紧机构释放方式的不同：一种是四夹板双液压缸控制，装置体现的是液压连锁，结构较为复杂，；另一种是双夹板单液压缸控制，装置体现的是机械连锁，结构简单明了。本文则基于双夹板单液压缸控制的紧急脱离装置，对其结构及弹簧能量的验证方法做一下阐述。
        2紧急脱离装置的结构
        双夹板单液压缸控制的紧急脱离装置主要由上球阀、下球阀、夹紧机构、液压驱动机构和限位检测开关等组成（图1所示）。上球阀与下球阀上下对置，上球阀连接在卸料臂上，下球阀连接在三维接头处，当发生紧急状况时，上下球阀关闭并快速脱开，防止了LNG泄漏及卸料臂倾倒。在二者的对接处通过夹紧机构进行锁紧及释放，夹紧机构主要由左夹板、右夹板、连接头、螺杆、锁紧螺母、安全销、连接杆、弹开装置等组成（见图2），右夹板的一端焊接有U型槽，当夹紧机构处于锁紧状态时，连接杆卡在U型槽内，并且用锁紧螺母锁紧，连接杆上安装有安全销，左夹板和右夹板上分别安装有一个弹开装置，当夹紧机构释放时，弹开装置失去压紧力而弹开，使左右夹板能够快速分离。液压驱动机构通过油缸支架安装在上球阀上，并通过四连杆机构分别与上下球阀的阀杆相连接，当液压杆推动时通过四连杆结构可以实现上下球阀的同步开关；限位检测开关安装在油缸支架上，主要用来检测上下球阀的阀门开关状态。

        1.上球阀、2.下球阀、3.夹紧机构、4液压驱动机构、5.限位检测开关
        图1 紧急脱离装置结构示意图

        1.左夹板、2.右夹板、3.连接头、4螺杆、
        5.锁紧螺母、6.安全销、7.连接杆、8.弹开装置
        图2 夹紧机构示意图
        3夹紧机构弹簧能验证方法
        从紧急脱离装置结构形式来看，夹紧机构主要靠弹开装置中弹簧积蓄的弹力进行释放，那么选用的弹簧型号是否合适，能否使左右夹板成功弹开，这是一个值得研究的问题。只有当左右夹板弹开到一定角度时，左右夹板才能避免与球阀干涉，从而保证上下球阀的成功脱离。那么就要通过计算来验证选用的弹簧能否使夹板成功的转动到大于这一临界角度θ。
        3.1夹板的初始角速度计算
        1.转动惯量

        式中：J—转动惯量（惯性矩）（kg•m²）
        r—质量元到该轴的距离（m）
        m—物体质量（kg）
        2.弹簧力做功

        式中：F—弹簧力（N）
        K—弹簧刚度系数（N/m）
        λ—弹簧变形量（m）
        Ep—弹簧力做功（J）
        r1—弹簧力沿力方向移动距离（m）
        3.初始角速度

        式中：ω—初始角速度（rad/s）
        3.2夹板转动角度计算
        1.摩擦阻力矩

        式中：T1—夹板重量产生摩擦阻力矩（N•m）
        μ—阻力系数
        g—重力加速度
        D—夹板铰轴直径（m）

        式中：F1—夹板铰点上下支撑水平力（N）
        L1—夹板重心距铰点距离（m）
        L2—夹板铰点上下支撑距离（m）
        T2—夹板铰点上下支撑水平力产生摩擦阻力矩（N•m）
        2.转动角度
        3.

        式中：ε—夹板的转动角加速度（rad/s²）
        φ—夹板的转动角度（deg）
        当 φ大于干涉临界角度θ时，则所选弹簧型号符合设计要求。
        5结论
        计算夹板转动角度的目的是判断所选用弹簧提供的弹簧力能否使左右夹板成功弹开到足够角度，从而保证紧急脱离装置的安全运行，避免装卸臂倾倒造成的巨大损失。合理的选用弹簧对设备的安全运行是相当重要的。
        参考文献：
        [1]濮良贵.机械设计第七版.国防工业出版社，2001
        [2]石油公司国际海事论坛OCIMF.海上装卸臂的设计与施工规范，1999
        [3]BSI标准有限公司.传统陆上终端的LNG海上传输臂的设计和试验，2016