大型LNG储罐罐内潜液泵泵井设计优化分析

明红芳，许佳伟，范嘉堃

（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028）

1 泵井功能介绍

在安装LNG 罐内潜液泵时，泵井起到导向作用，保证LNG 罐内泵准确就位。为方便检修拆卸和回装，在储罐底板与泵井之间设置底阀。低压泵的底座位于底阀上，当泵安装时，依靠泵的重力作用将阀门打开，泵井与储罐联通。当泵启动工作时，泵井内会充满LNG 液体。将泵取出维修时，阀门失去泵的重力作用，在弹簧作用力和储罐内静压的共同作用下，使阀门关闭，从而将储罐空间与泵井空间隔离。此外，泵井也是泵的排出管，与储罐顶部的管道连接，将罐内LNG 输出。

2 泵井结构设计

LNG 罐内潜液泵尺寸较大，一般低压泵泵井为24"，装船泵泵井则为38"～42"。泵井出口处设置LNG 出口管线、放空口管线以及氮气置换管线，在穹顶位置设置保冷套筒，内部填充保冷材料。考虑储罐预冷时材料收缩，设计时需计算内罐底板、壁板、吊顶的预冷收缩偏移量。此外，由于泵井贯穿穹顶延至储罐底板，长度较长，因此须设置中间和底部支撑件，保证泵井在预冷之后仍然保持竖直状态。泵进结构见图1.

2.1 泵井管道绝热厚度计算

在忽略管道金属热阻的情况下，依据国标GB/T 8175—2008《设备及管道绝热设计导则》进行低温管道的保冷计算。根据标准中第6.1.2条中的要求，管嘴保冷表面须防止凝露，采用表面温度法计算保冷层厚度。根据第6.1.5条中的要求，在同一管道或设备上采用一种保冷材料保冷时，按单层绝热计算公式计算。本设计中使用圆筒面单层保冷公式。对于圆筒面保冷层的冷量损失，按照标准中方程（28）计算，对于圆筒面保冷层外表面温度，按照标准中方程（36）计算。

由于管道尺寸、保温层材质、平均温度、使用时间、使用方法等诸多因素影响，材料参数可能产生偏差。实际运行中保温材料的导热系数可设置多出10%的设计余量。

2.2 预冷收缩偏移量计算

泵井在吊顶处偏移量按式（1）计算。

图1 泵井结构设计

泵井在储罐罐底处偏移量按式（2）计算。

其中：

αAL为铝合金的热膨胀系数，1/℃；

αNI为X7Ni9的热膨胀系数，1/℃；

ΔT为最高环境温度与操作温度之间的温差，℃；

R为泵井管道中心距离储罐中心的距离，mm。

泵井在吊顶处的开孔定位须沿储罐径向外侧偏移S1，底阀在内罐底板的安装位置须沿储罐径向外侧偏移S2。

2.3 其他要点设计

泵井出口处设置LNG 出口管线、放空口管线以及氮气置换管线，这些支管开口设计须考虑罐顶管道布置进行设置，彼此呈一定角度布置。此外，设置高度须参考泵平台高度以及穹顶高度错开布置，便于现场运行人员操作维护。

综合考虑泵井安装时偏移量、预冷收缩后罐壁偏移量、支撑件预冷长度收缩量、支撑件角度变化等因素，设计泵井中间、底部支撑件。

3 泵井计算校核

泵井结构设计完成后，须对其进行计算校核。以国内某接收站LNG 罐内低压泵泵井的设计参数为基础，参考标准《EN 14620现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造》、《BS PD 5500 非火熔焊压力容器规范》，利用ANSYS 软件进行有限元分析校核。

3.1 计算校核基本参数

低压泵泵井主管24"，LNG 出口管线10"，放空口3"，壁厚等级均为Sch40S；氮气置换口2"，壁厚等级Sch80S。泵井管道、套管等材料均为304/304L 不锈钢。各种荷载组合工况下管道及套管的许用应力见表1。

表1 在各种荷载组合工况下许用应力（MPa）

其中：

f为许用应力，MPa；

Fm为总体薄膜主应力，MPa；

fL为局部薄膜主应力，MPa；

fb为弯曲应力，MPa；

fg为一次应力加二次应力，MPa。

3.2 操作工况荷载

对于泵井LNG 出口管线，荷载计算主要考虑正常操作（无风）工况、水压试验工况、OBE 地震工况、SSE 地震工况。

表2 不同操作工况下的载荷

3.3 校核结果

利用ANSYS 软件进行建模，计算校核结果见图2和图5。

图2 正常操作(无风)工况管线应力云图

图3 水压试验工况管线应力云图

通过有限元分析，可以得出，在水压试验工况下，LNG出口管线与泵井管道的连接处受力最为苛刻，最大应力为355.577MPa。下表为管道在各种载荷组合工况下的应力分析结果。根据计算结果，LNG 出口管线在各种工况下均能够安全运行。

图4 OBE地震工况管线应力云图

图5 SSE地震工况管线应力云图

表3 在各种荷载组合工况下管线最大应力

4 结论

1）泵井结构设计应考虑罐顶管道布置，设置高度须参考泵平台高度以及穹顶高度。

2）泵井保冷设计应关注管道尺寸、保温层材质、平均温度、使用时间、使用方法等诸多因素，且应预留一定的工程设计裕量。

3）泵井操作工况荷载负荷应考虑地震载荷、水压试验工况等因素，有限元分析表明，泵井的最大受力出现在水压试验工况，最大应力位置为LNG 出口管线与泵井管道的连接处。通过校核，LNG 出口管线在正常操作（无风）工况、水压试验工况、OBE 地震工况、SSE 地震工况均能够安全运行。

4）LNG 罐内潜液泵是LNG 储罐核心设备，泵井尺寸大、自重高、工况复杂，涉及设备、管道、工艺等多个专业内容。因此，应综合考虑各项影响因素，优化设计，为以后各项目泵井设计做技术参考。下一步须深入考虑大尺寸泵井等设计细节，做到设计优化、施工便利、成本降低。