一种卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种LNG输送系统的性能测试装置及方法，尤其涉及一种适用于LNG刚性卸料臂或LNG低温软管旋转接头的性能测试装置及方法。

背景技术

我国南海拥有1000多亿吨油当量的油气资源，其中天然气资源占83％，在天然气资源中70％来自距离我国大陆500公里之外深水区，如何经济有效地开发南海深远海的天然气资源已成为关注的焦点之一。

LNG接收终端可分为陆地接收终端和海上接收终端。陆地接收终端目前在世界范围内已得到广泛的应用，并且随着天然气需求的增加仍在快速发展。海上LNG接收终端是近年提出的一种新的接收终端形式，目前在世界上已有工程实例。海上LNG接收终端又可进一步分为浮式接收终端和固定式接收终端，其中固定式接受终端与陆地接收终端类似。根据LNG接收终端形式的不同，采用的LNG卸料方式也不同。

浮式液化天然气生产储卸装置(LNG Floating Production Storage andoffloading Unit，FLNG)是一种用于海上天然气田开发的浮式生产装置，通过系泊系统定位于海上，具有开采、处理、液化、储存和装卸天然气的功能，并通过与液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)船搭配使用，实现海上天然气田的开采和天然气运输。利用FLNG进行海上气田开发结束了海上气田只能采用管道运输上岸的单一模式，节约运输成本，且不占用陆上空间。此外，FLNG还可以在气田开采结束后二次使用，安置于其他天然气田，经济性能较高。

LNG输送系统主要有两类，分别是LNG低温软管和LNG刚性卸料臂。针对我国南海恶劣海况条件，如果现有系泊技术与传统型刚性卸料臂难以有效解决FLNG与运输船载体间的差异化运动问题，就需要采用特殊设计的低温外输卸料系统，以满足低温和晃动工况的严苛要求。LNG低温软管在重量、柔韧性、耐腐蚀性、隔热性等方面综合优势明显，FLNG外输作业时，行之有效的方式是采用串靠系泊，即通过系泊缆与LNG运输船连接，并使用LNG低温软管实现LNG卸料，要求LNG低温软管能承受超低温的同时，还需要克服FLNG与LNG运输船之间相对运动的影响。

LNG刚性卸料臂是一种安装在码头上(或浮式终端上)的用于卸料的铰接管道系统，当LNG运输船抵达接收站专用码头后，通过液相卸料臂和卸料管线，借助船上的卸料泵将LNG送进接收站的储罐内，同时储罐内的BOG气体通过回气管线和气态回气臂，返回到LNG运输船。卸料臂和回气臂结构相同，通常包括三维旋转接头、外臂、内臂、顶端旋转接头、基础立管以及连接内臂和基础立管之间的旋转接头等工艺管道及其支撑结构和附件。刚性卸料臂系统具有技术成熟、性能可靠、已在实际工程应用等特点，但其运动补偿性能较弱。LNG卸料臂作业过程中，通过牵引线来引导卸料臂的端部和LNG船接收端互连，以保证相对运动情况下能够准确对接，操控卸料臂的液压系统，使其能够承受船体运动导致的速度和加速度影响。

综上，LNG低温软管和LNG刚性卸料臂关键技术都涉及低温材料选型、成型制造及密封、试验验证等诸多环节。材料选型与结构设计难度大，加工制造及性能测试工作难，超低温密封、连接和泄漏监测难度高，以及整套低温输送系统结构复杂，安全性要求高。其中，旋转接头作为LNG低温输送系统的关键部件，用于低温输送系统管路或装置之间的连接配合，其性能优劣直接影响LNG低温输送系统的安全稳定运行，因此旋转接头的性能测试尤为重要。现有技术中，对于加工制造后的旋转接头性能评定，多由加工制造厂家自身经验实施，缺乏相应的测试手段。由于旋转接头在LNG低温输送系统运行过程，需要承受较大的力学载荷与长周期疲劳应力，因此，必须采用科学的测试装置与方法针对其运行性能进行测试，以保障旋转接头运行过程中的安全可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置及方法，其能够对旋转接头的运行性能进行科学定量的测定，尤其能够对其长周期运行过程的疲劳情况进行评价，进而保障LNG刚性卸料臂或LNG低温软管的旋转接头在运行过程中的安全可靠性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，包括：安装支架，形成各部件的安装基础；低温介质循环机构，与卧式放置的旋转接头的第一法兰和第二法兰相连接，且低温介质循环机构被配置成向所述旋转接头内部腔体循环注入低温介质；弯矩施加机构，被配置成向所述旋转接头施加弯矩；轴向载荷施加机构，被配置成向所述旋转接头施加轴向载荷；径向载荷施加机构，被配置成向所述旋转接头施加径向载荷；周向旋转驱动机构，被配置成驱动所述旋转接头周向顺、逆时针的往复交替运动。

所述的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，优选地，所述安装支架包括：水平底座；垂直支架，安装在所述水平底座的一端；出口管路连接件，所述出口管路连接件的一端与所述垂直支架的内侧固定连接，所述出口管路连接件的另一端形成悬空端。

所述的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，优选地，所述低温介质循环机构包括：低温介质出口管路，水平布置在靠近所述垂直支架一侧的所述水平底座上方，且所述低温介质出口管路的一端通过连接盲板与所述出口管路连接件的悬空端固定连接，所述低温介质出口管路的另一端与所述旋转接头的第二法兰连接，以使得所述旋转接头呈卧式放置；低温介质进口管路，亦水平布置在所述水平底座上方，且所述低温介质进口管路的一端与所述旋转接头的第一法兰连接；低温介质排出口和低温介质注入口，分别设置在所述低温介质出口管路和低温介质进口管路上；低温介质储罐、低温泵和流体增压装置，设置在所述低温介质排出口和低温介质注入口之间并通过管路延长段和阀门与之形成低温介质闭环回路。

所述的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，优选地，所述弯矩施加机构包括：进口管路连接件，所述进口管路连接件的一端与所述低温介质进口管路的另一端固定连接，所述进口管路连接件的另一端形成悬空端；支撑卡套，通过其内部的轴承转动连接在所述进口管路连接件的悬空端外周；第一液压缸，通过支撑件设置在所述支撑卡套下方的所述水平底座上，且所述第一液压缸的动作端与所述支撑卡套连接，所述第一液压缸被配置成通过其动作端的伸缩运动向所述旋转接头施加弯矩。

所述的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，优选地，所述轴向载荷施加机构包括：滑道支撑箱体，设置在位于所述支撑卡套外侧的所述水平底座上，且其上形成有沿所述旋转接头轴向延伸的滑道；拉力限位块，滑动设置在所述滑道支撑箱体的滑道且可被锁定在所述滑道的任意位置；拉绳，所述拉绳的一端通过可周向自由旋转的拉绳连接块与所述拉力限位块连接，所述拉绳的另一端穿过所述滑道支撑箱体后与所述进口管路连接件的悬空端外端面连接；由此，通过调节所述拉力限位块在所述滑道中的位置，可调整所述拉绳承载的拉力，进而能够对所述旋转接头施加沿轴向的拉力载荷，即所述旋转接头承载的轴向载荷。

所述的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，优选地，所述径向载荷施加机构包括：第二液压缸，设置在所述旋转接头中部位置正下方的所述水平底座上，所述第二液压缸的动作端可与所述旋转接头相接触，且所述第二液压缸被配置成通过其动作端的伸缩运动向所述旋转接头施加径向载荷。

所述的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，优选地，所述周向旋转驱动机构包括：电机，设置在靠近所述低温介质进口管路一侧的所述水平底座上；曲轴连杆机构，所述曲轴连杆机构的一端通过变速箱与所述电机的动作端连接，所述曲轴连杆机构的另一端与所述低温介质进口管路连接；由此，通过所述电机的顺时针和逆时针的交替往复运动以及所述曲轴连杆机构的作用，带动所述旋转接头的第一法兰连同所述低温介质进口管路和进口管路连接件一起进行周向顺、逆时针的往复交替运动。

一种LNG输送系统旋转接头性能测试方法，基于上述的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，该方法包括：S1.旋转接头隔潮性能试验的测试步骤；S2.旋转接头低温动态性能试验的测试步骤。

所述的LNG输送系统旋转接头性能测试方法，优选地，所述步骤S1具体为：

S11.完全打开低温介质注入口的阀门，低温介质排出口的阀门打开微小开度，启动低温泵，控制低温泵流量不高于第一设定阈值，将低温介质储罐中低温介质通过低温介质注入口引入低温介质进口管路，缓慢将低温介质进口管路、旋转接头内部腔体以及低温介质出口管路充满低温介质后，完全打开低温介质排出口的阀门，然后再调控低温泵流量为不高于第二设定阈值，低温介质在低温介质闭环回路内循环流动；

S12.启动电机为顺时针和逆时针交替旋转，通过曲轴连杆机构带动旋转接头顺时针和逆时针交替旋转；

S13.在旋转接头外部喷水，直至形成一定厚度的冰层，然后停止喷水，在此状态下保持一段时间，之后停止低温泵，并关闭低温介质注入口和低温介质排出口的阀门；

S14.将旋转接头放置于环境温度下，待其表面冰层初步融化后，将旋转接头从测试装置上拆卸，检查其内部是否存水和结冰，密封是否有损坏，如内部没有残留水，无结冰，且密封无损坏，则判定为旋转接头隔潮性能满足要求。

所述的LNG输送系统旋转接头性能测试方法，优选地，所述步骤S2具体为：

首先，旋转接头载荷能力的计算公式如下：

P

P

式中，P

旋转接头低温动态性能试验的测试采用循序渐进方式，分若干个阶段实施，每一阶段的具体实施方式如下：

S21.完全打开低温介质注入口的阀门，低温介质排出口的阀门打开微小开度，启动低温泵，启动增压装置，控制低温泵流量不高于第三设定阈值，将低温介质储罐中低温介质液氮通过低温介质注入口引入低温介质进口管路，缓慢将低温介质进口管路、旋转接头内部腔体以及低温介质出口管路充满低温介质后，完全打开低温介质排出口的阀门，然后再调控低温泵流量不高于第四设定阈值，使得低温介质通过低温介质注入口与低温介质排出口之间形成低温介质闭环回路，调节增压装置，使得旋转接头内部压力变化范围维持在0.25～0.35MPa；

S22.调节拉力限位块在滑道的位置，将拉绳的轴向载荷调整指设定值；调节第二液压缸，将径向载荷调整指设定值；再调整第一液压缸，将弯矩调整至设定值；

S23.在上述力载荷的情况下，启动电机为顺时针和逆时针交替旋转，通过曲轴连杆机构带动旋转接头顺时针和逆时针交替旋转，并使α接触角在8～10°范围之间；以根据公式计算的P

S24.将旋转接头重新组装后，在上述步骤的基础上，调整K系数为第二设定值，开展第2阶段测试，旋转接头顺时针和逆时针累计运转次数本阶段再次达到指定次数时，测试过程重点检测旋转接头的密封泄漏情况，在本阶段，如旋转接头未发生泄漏，视为性能测试合格；

S25.在以上步骤的基础上，调整K系数为其余各设定值，开展下一或多阶段的测试，旋转接头顺时针和逆时针累计运转次数再次达到指定次数，测试结束后检查旋转接头内部，未出现结构失效，视为性能测试合格。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明针对现有LNG输送系统旋转接头面临的性能测试技术手段、性能测试装置与方法缺失这一行业亟待解决的关键问题，凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置及方法，其能够对旋转接头的运行性能进行科学定量的测定，尤其能够对其长周期运行过程的疲劳情况进行评价，进而保障LNG刚性卸料臂或LNG低温软管的旋转接头在运行过程中的安全可靠性，克服了现有技术的缺陷，解决行业关键问题，对于LNG刚性卸料臂或LNG低温软管的总体结构设计优化和安全稳定运行具有指导意义。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置的结构示意图；

图2为旋转接头的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在详细说明本发明提供的卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置之前，首先对旋转接头的结构进行简单的说明。

如图2所示，旋转接头10主要包括第一法兰10-1和第二法兰10-2，在内部旋转轴承10-3(例如滚珠轴承)的作用下，第一法兰10-1和第二法兰10-2可以分别进行周向旋转运动，进而实现与旋转接头10两端相连的管路之间的连接配合(例如旋转接头10两端的管路可以在受到扭转力的时候，通过旋转接头10来抵消扭转力，进而保持受力平衡)，并通过主密封圈10-4、副密封圈10-5和静密封圈10-6等密封结构实现旋转接头10周向运动过程的密封，防止低温LNG泄漏。

如图1所示，本实施例提供的卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，包括：安装支架，形成各部件的安装基础；低温介质循环机构，与卧式放置的旋转接头10的第一法兰10-1和第二法兰10-2相连接，且低温介质循环机构被配置成向旋转接头10内部腔体循环注入低温介质；弯矩施加机构，被配置成向旋转接头10施加弯矩；轴向载荷施加机构，被配置成向旋转接头10施加轴向载荷；径向载荷施加机构，被配置成向旋转接头10施加径向载荷；周向旋转驱动机构，被配置成驱动旋转接头10周向顺、逆时针的往复交替运动。

上述实施例中，优选地，安装支架包括：水平底座1-1；垂直支架1-2，安装在水平底座1-1的一端；出口管路连接件1-3，出口管路连接件1-3的一端与垂直支架1-2的内侧固定连接，出口管路连接件1-3的另一端形成悬空端。

上述实施例中，优选地，低温介质循环机构包括：低温介质出口管路2-1，水平布置在靠近垂直支架1-2一侧的水平底座1-1上方，且低温介质出口管路1-1的一端通过连接盲板7与出口管路连接件1-3的悬空端固定连接，低温介质出口管路2-1的另一端与旋转接头10的第二法兰10-2连接，以使得旋转接头10呈卧式放置；低温介质进口管路2-2，亦水平布置在水平底座1-1上方，且低温介质进口管路2-2的一端与旋转接头10的第一法兰10-1连接；低温介质排出口2-3和低温介质注入口2-4，分别设置在低温介质出口管路2-1和低温介质进口管路2-2上；低温介质储罐、低温泵和流体增压装置(图中未示出)，设置在低温介质排出口2-3和低温介质注入口2-4之间并通过管路延长段和阀门与之形成低温介质闭环回路。

上述实施例中，优选地，弯矩施加机构包括：进口管路连接件3-1，进口管路连接件3-1的一端与低温介质进口管路2-2的另一端固定连接，进口管路连接件3-1的另一端形成悬空端；支撑卡套3-2，通过其内部的轴承转动连接在进口管路连接件3-1的悬空端外周；第一液压缸3-3，通过支撑件3-4设置在支撑卡套3-2下方的水平底座1-1上，且第一液压缸3-3的动作端与支撑卡套3-2连接，第一液压缸3-3被配置成通过其动作端的伸缩运动向旋转接头10施加弯矩。具体为通过调控第一液压缸3-3，使得其动作端伸长，这样就可以对旋转接头10提供垂直向上的力载荷，即旋转接头10承载的弯矩。

上述实施例中，优选地，轴向载荷施加机构包括：滑道支撑箱体4-1，设置在位于支撑卡套3-2外侧的水平底座1-1上，且其上形成有沿旋转接头10轴向延伸的滑道4-2；拉力限位块4-3，滑动设置在滑道支撑箱体4-1的滑道4-2且可被锁定在该滑道4-2的任意位置；拉绳4-4，拉绳4-4的一端通过可周向自由旋转的拉绳连接块4-5与拉力限位块4-3连接，拉绳4-4的另一端穿过滑道支撑箱体4-1后与进口管路连接件3-1的悬空端外端面连接。由此，通过调节拉力限位块4-3在滑道4-2中的位置，可调整拉绳4-4承载的拉力，进而能够对旋转接头10施加沿轴向的拉力载荷，即旋转接头10承载的轴向载荷。

上述实施例中，优选地，径向载荷施加机构包括：第二液压缸5-1，设置在旋转接头10中部位置正下方的水平底座1-1上，第二液压缸5-1的动作端可与旋转接头10相接触，且第二液压缸5-1被配置成通过其动作端的伸缩运动向旋转接头10施加径向载荷。具体为通过调控第二液压缸5-1，使得其动作端伸长，这样就可以对旋转接头10提供沿着旋转接头10径向的力载荷，即旋转接头10承载的径向载荷。

上述实施例中，优选地，周向旋转驱动机构包括：电机6-1，设置在靠近低温介质进口管路2-2一侧的水平底座1-1上；曲轴连杆机构6-2，曲轴连杆机构6-2的一端通过变速箱6-3与电机6-1的动作端连接，曲轴连杆机构6-2的另一端与低温介质进口管路2-2连接；由此，通过电机6-1的顺时针和逆时针的交替往复运动以及曲轴连杆机构6-2的作用，带动旋转接头10的第一法兰10-1连同低温介质进口管路2-2和进口管路连接件3-1一起进行周向顺、逆时针的往复交替运动。由于支撑卡套3-2通过其内部的轴承与进口管路连接件3-1的悬空端连接，因此不会影响出口管路连接件3-1的旋转运动，同时拉力限位块4-3上的拉绳连接块4-5可自由旋转，因此也不会影响整体的旋转运动。

上述实施例中，优选地，低温介质采用液氮，这是由于液氮介质温度约为-196℃，LNG介质温度约为-172℃，液氮介质温度工况下更能体现测试装置低温工况下的性能，且氮气为不燃的惰性气体，安全可靠。

上述实施例中，优选地，在旋转接头10中部位置设置有观测孔10-7，可用于观测低温测试过程中旋转接头10内部状态。

由此，本实施例提供的卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置在工作时，通过第一液压缸3-3动作端收缩运动向旋转接头10弯矩，通过拉力限位块4-3和拉绳4-4向旋转接头10施加轴向载荷，通过第二液压缸5-1动作端的伸缩向旋转接头10施加径向载荷，这三个力的施加，可以等效为旋转接头10在实际运行过程因风浪流环境和浮体相对运动等受到的综合力载荷；在此基础上，通过电机6-1带动曲轴连杆机构6-2，实现旋转接头10周向顺、逆时针的往复交替运动，以评定其在受力载荷下的长周期运行性能。

基于上述实施例提供的卧式结构的LNG输送系统旋转接头性能测试装置，本发明还提出了一种LNG输送系统旋转接头性能测试方法，其包括以下内容：

S1.旋转接头隔潮性能试验的测试步骤：

由于旋转接头隔潮性能测定过程不需要施加受力载荷，因此隔潮性能测定主要为定性试验，主要测试步骤如下：

S11.完全打开低温介质注入口2-4的阀门，低温介质排出口2-3的阀门打开微小开度，启动低温泵，控制低温泵流量不高于第一设定阈值(例如10m

S12.启动电机6-1为顺时针和逆时针交替旋转，通过曲轴连杆机构6-2带动旋转接头10顺时针和逆时针交替旋转，具体为设定顺时针(逆时针相同)旋转一定角度的时间为3-5s之间，即旋转接头10顺时针转动夹角为30-45°的时间为3-5s，然后再逆时针旋转30-45°，时间同样为3-5s，如此循环往复。

S13.由于旋转接头10内部低温介质温度极低，内外温差大，旋转接头10外部将结霜结露，为了更好的测定其隔潮性能，采用喷壶在旋转接头10外部喷水，直至形成一定厚度(例如25mm)的冰层，然后停止喷水，在此状态下保持一段时间(例如1h)，之后停止低温泵，并关闭低温介质注入口2-4和低温介质排出口2-3的阀门。

S14.将旋转接头10放置于环境温度下，待其表面冰层初步融化后，将旋转接头10从测试装置上拆卸，检查其内部是否存水和结冰，密封是否有损坏，如内部没有残留水，无结冰，且密封无损坏，则判定为旋转接头10隔潮性能满足要求。

S2.旋转接头低温动态性能试验的测试步骤：

首先，旋转接头载荷能力的计算公式如下：

P

P

式中，P

旋转接头低温动态性能试验的测试采用循序渐进方式，分四个阶段实施，每一阶段的具体实施方式如下：

S21.完全打开低温介质注入口2-4的阀门，低温介质排出口2-3的阀门打开微小开度，启动低温泵，启动增压装置，控制低温泵流量不高于第三设定阈值(例如8m

S22.调节拉力限位块4-3在滑道4-2的位置，将拉绳4-4的拉力(即轴向载荷)调整指设定值(例如41000N)；调节第二液压缸5-1，将径向载荷调整指设定值(例如21000N)；再调整第一液压缸3-3，将弯矩调整至设定值(例如46000N·m)。

S23.在上述力载荷的情况下，启动电机6-1为顺时针和逆时针交替旋转，通过曲轴连杆机构6-2带动旋转接头10顺时针和逆时针交替旋转，具体为设定顺时针(逆时针相同)旋转30-45°的时间为3-5s之间，即旋转接头顺时针转动30°-45°的时间为3s-5s，然后再逆时针旋转30-45°，时间同样为3-5s，如此循环往复。根据旋转接头的设计要求，α接触角(旋转轴承座圈接触中心线与滚珠平面形成的角度)应为8～10°范围之间。

因此，上述参数设定的情况下，忽略轴向流体压力载荷，α值取值为9°，以旋转接头10采用16英寸口径规格为例(其旋转轴承座圈直径约为0.4m)进行试验测定。根据公式(2)可以得到，P

S24.将旋转接头10重新组装后，在上述步骤的基础上，调整K系数为2.0，开展第2阶段测试，旋转接头10顺时针和逆时针累计运转次数本阶段再次达到10万次时，测试过程重点检测旋转接头10的密封泄漏情况，在本阶段，如旋转接头10未发生泄漏，视为性能测试合格。

S25.在以上步骤的基础上，分别调整K系数为3.5和4.0，开展第3和第4阶段的测试。第3阶段和第4阶段的旋转接头10顺时针和逆时针累计运转次数均需要达到10万次，测试结束后检查旋转接头10内部，未出现结构失效，视为性能测试合格。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。