LNG儲罐卸料管線彈簧支吊架應用

張京周，劉家楨

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

隨著國內大型LNG接收站的建設與開工運營數量穩步上升，大型LNG接收站中的儲罐設計日臻成熟。LNG卸料管道，管徑大，設計溫度低，其設計的安全性要求較高。卸料管線自碼頭敷設至LNG儲罐，一般LNG儲罐的高度大于40 m，為防止管道支吊架托空，合理分配荷載，需在管道上設置彈簧支吊架。本文以某大型LNG接收站為例，分別選用可變彈簧和恒力彈簧支吊架，利用CAESAR II軟件進行管線應力模擬，比較分析其優缺點，為后續項目的開展提供借鑒。

1 彈簧支吊架簡介

在裝置運行過程中，管道通常會因溫度等因素發生膨脹或收縮。如果管道的支吊架設計只布置剛性管架，管道的形變極易引起支吊架托空或頂死，從而導致相鄰支吊架或設備管口受力增加甚至破壞。為解決這一問題，合理的在管道上設置彈簧支吊架是目前最為行之有效的方法之一[1]。

1.1 彈簧規范

彈簧支吊架是承重支吊架的一個重要構成部分。在工程上，根據支吊架受力情況，常用的彈簧支吊架可大致分為可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架。彈簧支吊架常用標準主要是《恒力彈簧支吊架》(NB/T47038-2013)和《可變彈簧支吊架》(NB/T47039-2013)，另外還有一部由上海化工設計院編制的《變力彈簧支吊架》(HG/T20644-1998)，其與《可變彈簧支吊架》除了彈簧型號編制方法不同以外，對彈簧特性的描述基本一致。

1.2 可變彈簧支吊架

可變彈簧支吊架的允許使用位移范圍為0～120 mm，允許工作荷載為154～217384 N，使用溫度范圍為-20～200℃[2]。在選用可變彈簧支吊架時，需要綜合考慮支撐點的荷載，位移以及管道周圍的有效安裝空間，從而來確定彈簧的形式、適用編號及安裝荷載。有時為滿足支撐點較大的位移或荷載，可適當的將多個彈簧串聯或并聯。在選用過程中，需注意一個重要的判據，即荷載變化率。目前國內外各廠商大多將該值限制在25%左右。這一方面是由于荷載變化率越大，意味著越多的荷載被轉移，應力分布不夠均勻；另一方面也是歷史痕跡的遺留[3]。

1.3 恒力彈簧支吊架

恒力彈簧支吊架有著更大的位移和荷載使用范圍，分別是50～400 mm和123～364120 N[4]。當管道支撐點的位移或荷載較大時，可考慮使用恒力彈簧。而且從理論上來說，恒力彈簧的剛度為零，即彈簧的荷載不會隨彈簧位移的變化而變化。因此不會引起荷載的轉移。實際情況來講，恒力彈簧荷載變化值只有1%，但也有些產品在實際調整時，荷載范圍可達±10%。恒力彈簧支吊架在上下位移的整個過程范圍內的規定載荷離差(包括摩擦力)不大于6%。

2 卸料管道支吊架設置

LNG卸料管線是接收站管道外徑最大的管線，在卸料時，管道會保持較低的溫度，不工作時，也需進行保冷循環。卸料管線沿罐壁敷設垂直距離較長，管道在常溫到達操作溫度時，管道會收縮，管道位移量較大。為避免管線上剛性支架的托空，管道荷載集中，設置彈簧支架是最有效的一種手段。

2.1 管道特性

LNG密度為432～474 kg/m3，LNG卸料管公稱直徑為DN950，管道壁厚等級為XS，設計壓力為1.86 MPa，操作壓力為0.3 MPa，設計溫度為-165℃，操作溫度為-160℃。

2.2 管道彈簧支吊架設計方案

卸料管管道上彈簧支架的支架設置，目前大致有兩種設計方案，方案一：設置單一恒力彈簧支吊架，將彈簧設置在靠近管道上罐之前最后一個彎頭附近的支架上。此種設置方法的目的是將管道的主要重量集中于管道的下方，由地面上設置的構筑物來承受管道的荷載。

圖1 方案一 CAESAR II中管道應力模型

圖2 方案二 CAESAR II中管道應力模型

方案一(圖1)只設置了一個彈簧，在節點30處。管線沿罐壁敷設時，設置多個承重導向支架。

方案二(圖2)設置多個可變彈簧支吊架，分別設置上罐平臺上(離管道上罐之前最后一個彎頭較遠)、罐壁上(管道沿罐壁敷設時第一個支架設雙簧)以及罐頂平臺上(罐頂第一個支架)。該方法能夠將管道荷載較為均勻的分布在各彈簧支吊架上，避免管道托空或應力集中。

方案二設置三組可變彈簧，分別位于節點20、節點50(雙簧)和節點100處。管線沿罐壁敷設時，節點60處設置導向支架，節點70和80處設置承重導向支架。

2.3 支吊架荷載分布

在方案一(設置單一恒力彈簧)和方案二(設置多個可變彈簧)的支吊架設置下，卸料管支吊架在操作工況下的受力情況如表1所示。

表1 支吊架荷載分布表

從表1中可以看出，方案一中上罐平臺承受了較大的荷載，主要集中在節點30處。罐壁設置的支架均為承重導向架。因方案一設置更多的剛性支架，管道收縮比較明顯，操作工況下，管線的部分荷載轉移到了底部的彈簧(節點30)和上罐平臺上的第一個支架(節點100)之上。方案二中上罐平臺荷載較小，更多的荷載體現在節點50處，即沿罐壁敷設管線底部的第一組可變彈簧吊架處，操作工況下，因方案二設置較多的彈簧支架，荷載分配較為均勻，沒有較大的集中荷載出現。

表中N1和N2表示罐頂的兩個卸料管口。從表1中的數據可以看出，無論是水平方向或是垂直方向，方案一的兩個管口受力均要大于方案二中的管口受力。

3 結語

恒力彈簧支吊架占用空間較大，卸料管線由于其荷載原因，在選擇單彈簧支吊架時，只能選擇恒力彈簧支吊架(方案一)，在選擇多個彈簧支吊架時，可選擇三組可變彈簧(方案二)，完成荷載的合理分配。從管道應力分析結果看：

(1)方案一剛性支架較多，集中荷載分布在上罐平臺和罐頂平臺上，給罐頂平臺的設計帶來了一定的難度。方案二中荷載分布更為均勻，且有效降低了大罐管口荷載。

(2)彈簧支吊架有其自限性，如價格較貴，可靠性和穩定性相對較差等[5]。方案一中適當的減少彈簧支吊架的使用，可提高裝置的經濟性和穩定性。

(3)彈簧支架安裝較剛性支架繁雜，方案一(單彈簧)的安裝較方案二(多組彈簧)更為快捷。

綜上，兩種方案各有其優勢與劣勢。在管道設計工作中，因方案一的可靠性和安裝便利性，成為優選方案。如考慮設備管口荷載和結構設計的合理性，方案二更具優勢。在設計過程中，要綜合考慮現場實際情況，選擇合理的設計方案。