LNG 装卸臂配重平衡系统设计

王晓斌
大连华锐重工集团股份有限公司 大连 116013

摘 要：配重平衡系统是LNG 装卸臂总体设计的关键点，其性能的优劣决定了装卸臂整机的能耗和结构的安全性。分析了单配重型式的LNG 装卸臂配重平衡系统的设计要求及控制指标，提出了一种快速、有效的设计方法。

关键词：LNG 装卸臂；配重；平衡；设计

中图分类号：U653.928 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）08-0081-05

0 引言
液化天然气（Liquefied Natural Gas， 以下简称LNG）装卸臂是运输船与岸之间的LNG 输送设备，通过装卸臂上的低温管道将船上和岸上的LNG 输送管道连接起来，实现LNG 的连续输送。

由于装卸船作业时，靠泊的船舶会在风浪流影响下产生六自由度的运动，因此LNG 装卸臂通常设计成柔性结构，与船舶连接后设备处于随动状态，从而可以补偿船舶各方向的运动产生的位移和角度，避免损坏船舶和装卸臂。装卸臂设有配重平衡系统，结构基本达到自重平衡，减小随船舶运动时对船上的LNG 连接管的载荷，同时减小设备驱动功率。配重平衡系统的性能优良是保证LNG 装卸臂可靠工作的重要因素。

本文分析了LNG装卸臂整机自重平衡的设计要点，提出了一种配重平衡系统的设计方法。

1 装卸臂设备构成
LNG 装卸臂的结构型式主要有单配重、双配重、四连杆等，其中应用最为广泛的是单配重机型，其具有结构简单、自重轻的特点。本文以单配重型式的LNG装卸臂作为研究对象，其结构组成如图1 所示。

1. 立柱 2. 配重 3. 内臂 4. 外臂 5. 三向旋转接头6. 快速接头 7. 外臂变幅液压缸 8. 内臂变幅液压缸 9. 回转液压缸
图1 装卸臂结构

LNG 装卸臂通过快速接头与运输船的歧管法兰连接，内臂、外臂分别由变幅液压缸驱动，可实现俯仰；回转液压缸驱动内臂、外臂等上部结构绕立柱中心线在水平面内回转。在与船连接操作时，液压缸为主动操作模式，实现装卸臂的主动运动；当与船连接后，液压缸臂、外臂协同补偿船体运动产生的各方向位移和角度。低温管道安装在立柱、内臂和外臂上，各铰接处装有旋转接头，将船上歧管和陆地管道连接形成连续管道，用于输送LNG。

该单配重型式的LNG 装卸臂，内臂通过使自身结构重心基本位于与立柱顶部铰点处实现平衡，配重用于平衡外臂和三向旋转接头的重量，装卸臂俯仰过程中，配重轴线始终平行于外臂轴线。

2 配重平衡系统的设计要求
LNG 装卸臂的设计遵循ISO 16904—2016《石油和天然气工业 用于常规沿岸码头的液化天然气船用输送臂的设计和试验》，该标准对装卸臂的平衡性提出了基本要求，另外还应考虑设备操作便利性和使用安全性；同时国际石油公司海运协会（OCIMF）对装卸臂施加给运输船的歧管法兰载荷提出了限制要求。这些均为配重平衡系统设计时应考虑的因素。

2.1 装卸臂的平衡性
装卸臂应按空载平衡进行设计，空载时，装卸臂在任意位置应处于基本平衡状态。在配重平衡系统设计时，要满足以下两个状态的平衡力矩要求：
平衡状态1 如图2 所示，内臂水平，外臂和配重竖直时，前倾力矩应不大于后仰力矩，即

此状态是装卸臂正常工作位置，应使装卸臂具有后仰的趋势，一旦出现紧急情况，可确保装卸臂快速回收。平衡状态2 如图3 所示，内臂竖直，外臂和配重水平时，前倾力矩应不小于后仰力矩，即
此状态是装卸臂后仰的极限位置，应使装卸臂具有前倾的复位趋势，避免超出设备的安全工作范围。

图 2 平衡状态1 示意图

图 3 平衡状态2 示意图

2.2 船歧管法兰载荷
由国际石油公司海运协会(OCIMF) 对冷藏液化天然气运输船歧管的建议规定[3] 可知，LNG 装卸臂与运输船连接状态下，传递到船歧管法兰的载荷，应小于表1 所列数值。

要求装卸臂设计时，应控制整机的重量平衡，以保证不平衡力矩传递到船歧管法兰上的载荷满足表1 中的要求。

3 配重平衡系统的设计
配重平衡系统的设计应结合结构仿真计算，在确保强度、刚度的基础上，合理分配结构重量，满足各项设计指标。本文为简化研究，仅研究力矩平衡设计方法，暂不考虑结构强度、刚度。

3.1 设计方法步骤
单配重形式的装卸臂配重平衡系统的设计可依照以下方法步骤：
1）装卸臂内臂通过合理分布其结构重量，使重心位置位于内臂中部铰点附近，从而实现自重平衡；
2）配重随外臂同步摆动，平衡外臂和三向旋转接头的重量，配重的重量和重心位置根据上文平衡状态公式（1）、（2）的要求计算确定；
3）验算歧管法兰上的载荷小于表1 数值。

3.2 配重平衡系统计算模型
配重平衡系统根据各部分结构重量和重心进行平衡力矩计算，配重平衡系统计算模型如图4 所示。以16″ LNG 装卸臂配重平衡系统为例，在内臂、外臂处于任一位置时，对立柱顶部A 点的整机不平衡力矩为：

式中：G1 为三向旋转接头质量，G1=4 t；G2 为外臂质量，G2=6 t；G3 为内臂质量，G3=22 t。

图 4 配重平衡系统计算模型

图4 中L1=10.36 m，L2=3 m，L3=9.45 m，L4=5.8 m，为结构各部分尺寸；在内臂自重平衡的条件下，L5=0 m。在装卸臂处于某一状态（内臂角度β，外臂角度α）时，式（3）中的配重质量G4 和重心位置L6 是未知变量，也是需要求解和优化的参数。

3.3 配重参数计算
根据平衡状态1， 内臂角度β=0 °， 外臂角度α=-90°，将已知参数代入式（3），则有

求得G4 ≥ 16.3 t。
根据平衡状态2， 内臂角度β=90 °， 外臂角度α=0°，将已知参数代入式（3），则有

求得L6 ≤ 3.64 m。
根据以上计算结果，初步确定配重参数为：配重质量G4=16.3 t，配重力臂L6=3.64 m。

3.4 不平衡力矩校核
整机不平衡力矩Σ M 应根据内臂、外臂分别处于不同俯仰角度下，按照公式（3）进行组合校核计算。装卸臂的不平衡力矩计算结果表2 所示：

由表2 可知：
1）在各种状态下，不平衡力矩基本趋近于0，即装卸臂达到了自重平衡。
2）在内臂角度β=90°时，外臂角度α 处于不同状态时，所有不平衡力矩均为正值，可保证装卸臂具有前倾的复位趋势。
3）除内臂角度β=90°外，其它角度下，在外臂角度α 变化过程中，总不平衡力矩由正值逐渐变为负值，不平衡力矩为0 点即为装卸臂的理论绝对平衡点。图5为内臂角度β=30°时，外臂不同角度下的不平衡力矩，α=-75°时，为装卸臂的平衡点。

3.5 歧管法兰载荷校核
LNG装卸臂的不平衡力矩将传递到船歧管法兰上，按连接处简支，可计算出船歧管法兰的竖直载荷，表3为内臂、外臂分别处于不同俯仰角度下，竖直载荷计算结果。可见不平衡力矩产生的竖直载荷远小于表1 规定的5 t 的最大载荷。

图 5 内臂β =30°时外臂不同角度下的不平衡力矩

4 结论
本文介绍的单配重形式LNG 装卸臂配重平衡系统的设计方法，综合考虑了装卸臂的平衡性和外部接口载荷等因素。通过配重平衡系统优化，装卸臂在任意位置基本自重平衡，可以保证整机良好的操作性能。完全平衡的结构大大减少了功率消耗，16″ LNG 装卸臂驱动电动机功率仅为7.5 kW。应用本文的设计方法，结合结构仿真优化，可以降低各部分重量，设计出自重轻、安全可靠的LNG 装卸臂产品。

参考文献
[1] ISO 16904-2016 Petroleum and natural gas industries — Design and testing of LNG marine transfer arms for conventional onshore terminals [S].
[2] 李士博. 三相模块化永磁轮毂电机短路问题研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019
[3] OCIMF.Recommendations for Manifolds for Refrigerated Liquefied Natural Gas Carriers (LNG) [Z/OL].(1994) [2014.3.18]http://www.doc88.com/p-2932069590499.html.