大型LNG儲(chǔ)罐罐內(nèi)潛液泵泵井設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

明紅芳，許佳偉，范嘉堃

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

1 泵井功能介紹

在安裝LNG 罐內(nèi)潛液泵時(shí)，泵井起到導(dǎo)向作用，保證LNG 罐內(nèi)泵準(zhǔn)確就位。為方便檢修拆卸和回裝，在儲(chǔ)罐底板與泵井之間設(shè)置底閥。低壓泵的底座位于底閥上，當(dāng)泵安裝時(shí)，依靠泵的重力作用將閥門打開，泵井與儲(chǔ)罐聯(lián)通。當(dāng)泵啟動(dòng)工作時(shí)，泵井內(nèi)會(huì)充滿LNG 液體。將泵取出維修時(shí)，閥門失去泵的重力作用，在彈簧作用力和儲(chǔ)罐內(nèi)靜壓的共同作用下，使閥門關(guān)閉，從而將儲(chǔ)罐空間與泵井空間隔離。此外，泵井也是泵的排出管，與儲(chǔ)罐頂部的管道連接，將罐內(nèi)LNG 輸出。

2 泵井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LNG 罐內(nèi)潛液泵尺寸較大，一般低壓泵泵井為24"，裝船泵泵井則為38"～42"。泵井出口處設(shè)置LNG 出口管線、放空口管線以及氮?dú)庵脫Q管線，在穹頂位置設(shè)置保冷套筒，內(nèi)部填充保冷材料。考慮儲(chǔ)罐預(yù)冷時(shí)材料收縮，設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算內(nèi)罐底板、壁板、吊頂?shù)念A(yù)冷收縮偏移量。此外，由于泵井貫穿穹頂延至儲(chǔ)罐底板，長度較長，因此須設(shè)置中間和底部支撐件，保證泵井在預(yù)冷之后仍然保持豎直狀態(tài)。泵進(jìn)結(jié)構(gòu)見圖1.

2.1 泵井管道絕熱厚度計(jì)算

在忽略管道金屬熱阻的情況下，依據(jù)國標(biāo)GB/T 8175—2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則》進(jìn)行低溫管道的保冷計(jì)算。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中第6.1.2條中的要求，管嘴保冷表面須防止凝露，采用表面溫度法計(jì)算保冷層厚度。根據(jù)第6.1.5條中的要求，在同一管道或設(shè)備上采用一種保冷材料保冷時(shí)，按單層絕熱計(jì)算公式計(jì)算。本設(shè)計(jì)中使用圓筒面單層保冷公式。對于圓筒面保冷層的冷量損失，按照標(biāo)準(zhǔn)中方程（28）計(jì)算，對于圓筒面保冷層外表面溫度，按照標(biāo)準(zhǔn)中方程（36）計(jì)算。

由于管道尺寸、保溫層材質(zhì)、平均溫度、使用時(shí)間、使用方法等諸多因素影響，材料參數(shù)可能產(chǎn)生偏差。實(shí)際運(yùn)行中保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)可設(shè)置多出10%的設(shè)計(jì)余量。

2.2 預(yù)冷收縮偏移量計(jì)算

泵井在吊頂處偏移量按式（1）計(jì)算。

圖1 泵井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泵井在儲(chǔ)罐罐底處偏移量按式（2）計(jì)算。

其中：

αAL為鋁合金的熱膨脹系數(shù)，1/℃；

αNI為X7Ni9的熱膨脹系數(shù)，1/℃；

ΔT為最高環(huán)境溫度與操作溫度之間的溫差，℃；

R為泵井管道中心距離儲(chǔ)罐中心的距離，mm。

泵井在吊頂處的開孔定位須沿儲(chǔ)罐徑向外側(cè)偏移S1，底閥在內(nèi)罐底板的安裝位置須沿儲(chǔ)罐徑向外側(cè)偏移S2。

2.3 其他要點(diǎn)設(shè)計(jì)

泵井出口處設(shè)置LNG 出口管線、放空口管線以及氮?dú)庵脫Q管線，這些支管開口設(shè)計(jì)須考慮罐頂管道布置進(jìn)行設(shè)置，彼此呈一定角度布置。此外，設(shè)置高度須參考泵平臺(tái)高度以及穹頂高度錯(cuò)開布置，便于現(xiàn)場運(yùn)行人員操作維護(hù)。

綜合考慮泵井安裝時(shí)偏移量、預(yù)冷收縮后罐壁偏移量、支撐件預(yù)冷長度收縮量、支撐件角度變化等因素，設(shè)計(jì)泵井中間、底部支撐件。

3 泵井計(jì)算校核

泵井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，須對其進(jìn)行計(jì)算校核。以國內(nèi)某接收站LNG 罐內(nèi)低壓泵泵井的設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，參考標(biāo)準(zhǔn)《EN 14620現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造》、《BS PD 5500 非火熔焊壓力容器規(guī)范》，利用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析校核。

3.1 計(jì)算校核基本參數(shù)

低壓泵泵井主管24"，LNG 出口管線10"，放空口3"，壁厚等級均為Sch40S；氮?dú)庵脫Q口2"，壁厚等級Sch80S。泵井管道、套管等材料均為304/304L 不銹鋼。各種荷載組合工況下管道及套管的許用應(yīng)力見表1。

表1 在各種荷載組合工況下許用應(yīng)力（MPa）

其中：

f為許用應(yīng)力，MPa；

Fm為總體薄膜主應(yīng)力，MPa；

fL為局部薄膜主應(yīng)力，MPa；

fb為彎曲應(yīng)力，MPa；

fg為一次應(yīng)力加二次應(yīng)力，MPa。

3.2 操作工況荷載

對于泵井LNG 出口管線，荷載計(jì)算主要考慮正常操作（無風(fēng)）工況、水壓試驗(yàn)工況、OBE 地震工況、SSE 地震工況。

表2 不同操作工況下的載荷

3.3 校核結(jié)果

利用ANSYS 軟件進(jìn)行建模，計(jì)算校核結(jié)果見圖2和圖5。

圖2 正常操作(無風(fēng))工況管線應(yīng)力云圖

圖3 水壓試驗(yàn)工況管線應(yīng)力云圖

通過有限元分析，可以得出，在水壓試驗(yàn)工況下，LNG出口管線與泵井管道的連接處受力最為苛刻，最大應(yīng)力為355.577MPa。下表為管道在各種載荷組合工況下的應(yīng)力分析結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，LNG 出口管線在各種工況下均能夠安全運(yùn)行。

圖4 OBE地震工況管線應(yīng)力云圖

圖5 SSE地震工況管線應(yīng)力云圖

表3 在各種荷載組合工況下管線最大應(yīng)力

4 結(jié)論

1）泵井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮罐頂管道布置，設(shè)置高度須參考泵平臺(tái)高度以及穹頂高度。

2）泵井保冷設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注管道尺寸、保溫層材質(zhì)、平均溫度、使用時(shí)間、使用方法等諸多因素，且應(yīng)預(yù)留一定的工程設(shè)計(jì)裕量。

3）泵井操作工況荷載負(fù)荷應(yīng)考慮地震載荷、水壓試驗(yàn)工況等因素，有限元分析表明，泵井的最大受力出現(xiàn)在水壓試驗(yàn)工況，最大應(yīng)力位置為LNG 出口管線與泵井管道的連接處。通過校核，LNG 出口管線在正常操作（無風(fēng)）工況、水壓試驗(yàn)工況、OBE 地震工況、SSE 地震工況均能夠安全運(yùn)行。

4）LNG 罐內(nèi)潛液泵是LNG 儲(chǔ)罐核心設(shè)備，泵井尺寸大、自重高、工況復(fù)雜，涉及設(shè)備、管道、工藝等多個(gè)專業(yè)內(nèi)容。因此，應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)影響因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)，為以后各項(xiàng)目泵井設(shè)計(jì)做技術(shù)參考。下一步須深入考慮大尺寸泵井等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，做到設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工便利、成本降低。