大型LNG儲罐罐內潛液泵泵井設計優化分析

明紅芳，許佳偉，范嘉堃

（中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028）

1 泵井功能介紹

在安裝LNG 罐內潛液泵時，泵井起到導向作用，保證LNG 罐內泵準確就位。為方便檢修拆卸和回裝，在儲罐底板與泵井之間設置底閥。低壓泵的底座位于底閥上，當泵安裝時，依靠泵的重力作用將閥門打開，泵井與儲罐聯通。當泵啟動工作時，泵井內會充滿LNG 液體。將泵取出維修時，閥門失去泵的重力作用，在彈簧作用力和儲罐內靜壓的共同作用下，使閥門關閉，從而將儲罐空間與泵井空間隔離。此外，泵井也是泵的排出管，與儲罐頂部的管道連接，將罐內LNG 輸出。

2 泵井結構設計

LNG 罐內潛液泵尺寸較大，一般低壓泵泵井為24"，裝船泵泵井則為38"～42"。泵井出口處設置LNG 出口管線、放空口管線以及氮氣置換管線，在穹頂位置設置保冷套筒，內部填充保冷材料。考慮儲罐預冷時材料收縮，設計時需計算內罐底板、壁板、吊頂的預冷收縮偏移量。此外，由于泵井貫穿穹頂延至儲罐底板，長度較長，因此須設置中間和底部支撐件，保證泵井在預冷之后仍然保持豎直狀態。泵進結構見圖1.

2.1 泵井管道絕熱厚度計算

在忽略管道金屬熱阻的情況下，依據國標GB/T 8175—2008《設備及管道絕熱設計導則》進行低溫管道的保冷計算。根據標準中第6.1.2條中的要求，管嘴保冷表面須防止凝露，采用表面溫度法計算保冷層厚度。根據第6.1.5條中的要求，在同一管道或設備上采用一種保冷材料保冷時，按單層絕熱計算公式計算。本設計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，按照標準中方程（28）計算，對于圓筒面保冷層外表面溫度，按照標準中方程（36）計算。

由于管道尺寸、保溫層材質、平均溫度、使用時間、使用方法等諸多因素影響，材料參數可能產生偏差。實際運行中保溫材料的導熱系數可設置多出10%的設計余量。

2.2 預冷收縮偏移量計算

泵井在吊頂處偏移量按式（1）計算。

圖1 泵井結構設計

泵井在儲罐罐底處偏移量按式（2）計算。

其中：

αAL為鋁合金的熱膨脹系數，1/℃；

αNI為X7Ni9的熱膨脹系數，1/℃；

ΔT為最高環境溫度與操作溫度之間的溫差，℃；

R為泵井管道中心距離儲罐中心的距離，mm。

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

2.3 其他要點設計

泵井出口處設置LNG 出口管線、放空口管線以及氮氣置換管線，這些支管開口設計須考慮罐頂管道布置進行設置，彼此呈一定角度布置。此外，設置高度須參考泵平臺高度以及穹頂高度錯開布置，便于現場運行人員操作維護。

綜合考慮泵井安裝時偏移量、預冷收縮后罐壁偏移量、支撐件預冷長度收縮量、支撐件角度變化等因素，設計泵井中間、底部支撐件。

3 泵井計算校核

泵井結構設計完成后，須對其進行計算校核。以國內某接收站LNG 罐內低壓泵泵井的設計參數為基礎，參考標準《EN 14620現場組裝立式圓筒平底鋼質液化天然氣儲罐的設計與建造》、《BS PD 5500 非火熔焊壓力容器規范》，利用ANSYS 軟件進行有限元分析校核。

3.1 計算校核基本參數

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；氮氣置換口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力見表1。

表1 在各種荷載組合工況下許用應力（MPa）

其中：

f為許用應力，MPa；

Fm為總體薄膜主應力，MPa；

fL為局部薄膜主應力，MPa；

fb為彎曲應力，MPa；

fg為一次應力加二次應力，MPa。

3.2 操作工況荷載

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

表2 不同操作工況下的載荷

3.3 校核結果

利用ANSYS 軟件進行建模，計算校核結果見圖2和圖5。

圖2 正常操作(無風)工況管線應力云圖

圖3 水壓試驗工況管線應力云圖

通過有限元分析，可以得出，在水壓試驗工況下，LNG出口管線與泵井管道的連接處受力最為苛刻，最大應力為355.577MPa。下表為管道在各種載荷組合工況下的應力分析結果。根據計算結果，LNG 出口管線在各種工況下均能夠安全運行。

圖4 OBE地震工況管線應力云圖

圖5 SSE地震工況管線應力云圖

表3 在各種荷載組合工況下管線最大應力

4 結論

1）泵井結構設計應考慮罐頂管道布置，設置高度須參考泵平臺高度以及穹頂高度。

2）泵井保冷設計應關注管道尺寸、保溫層材質、平均溫度、使用時間、使用方法等諸多因素，且應預留一定的工程設計裕量。

3）泵井操作工況荷載負荷應考慮地震載荷、水壓試驗工況等因素，有限元分析表明，泵井的最大受力出現在水壓試驗工況，最大應力位置為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）工況、水壓試驗工況、OBE 地震工況、SSE 地震工況均能夠安全運行。

4）LNG 罐內潛液泵是LNG 儲罐核心設備，泵井尺寸大、自重高、工況復雜，涉及設備、管道、工藝等多個專業內容。因此，應綜合考慮各項影響因素，優化設計，為以后各項目泵井設計做技術參考。下一步須深入考慮大尺寸泵井等設計細節，做到設計優化、施工便利、成本降低。