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)
在安裝LNG 罐內(nèi)潛液泵時,泵井起到導向作用,保證LNG 罐內(nèi)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(lián)通。當泵啟動工作時,泵井內(nèi)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(nèi)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(nèi)LNG 輸出。
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(nèi)部填充保冷材料??紤]儲罐預冷時材料收縮,設計時需計算內(nèi)罐底板、壁板、吊頂?shù)念A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(tài)。泵進結構見圖1.
在忽略管道金屬熱阻的情況下,依據(jù)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(jù)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(jù)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(zhì)、平均溫度、使用時間、使用方法等諸多因素影響,材料參數(shù)可能產(chǎn)生偏差。實際運行中保溫材料的導熱系數(shù)可設置多出10%的設計余量。
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(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(nèi)罐底板的安裝位置須沿儲罐徑向外側偏移S2。
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(xiàn)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。
泵井結構設計完成后,須對其進行計算校核。以國內(nèi)某接收站LNG 罐內(nèi)低壓泵泵井的設計參數(shù)為基礎,參考標準《EN 14620現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)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(guī)范》,利用ANSYS 軟件進行有限元分析校核。
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。
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
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(jù)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
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(zhì)、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(xiàn)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(nèi)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(yè)內(nèi)容。因此,應綜合考慮各項影響因素,優(yōu)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(jié),做到設計優(yōu)化、施工便利、成本降低。