林均杰（河南中原綠能高科有限責(zé)任公司，河南 濮陽(yáng) 457000）

1 結(jié)構(gòu)圖樣描述

底部排液管在5000m3LNG貯罐的安裝位置：

1.1 安裝在內(nèi)罐內(nèi)的吸液/輸液管，該管穿過(guò)內(nèi)罐（焊接結(jié)構(gòu)）引至外罐外與根部閥焊接相連接；

1.2 該管與外罐連接之間采用波紋管連接；

1.3 該管與波紋管連接處采用了真空絕熱套管，目的是保護(hù)波紋管及外罐不至處于低溫狀態(tài)；

1.4 安裝在外部的根部閥、管段、緊急截?cái)嚅y、高真空多層絕熱補(bǔ)償軟管；

1.5 管道支承架：

——滑動(dòng)管支架，用于支承管道/閥門/絕熱物的重力；

——固定管支架，用于防止外部管道對(duì)上述管道構(gòu)件造成的軸向力破壞。

2 設(shè)計(jì)理念

2.1 零溫差應(yīng)力設(shè)計(jì)概念

在壓力管道設(shè)計(jì)中，通常采用應(yīng)力分析計(jì)算法：

當(dāng)管道的各種載荷作用在管道上的應(yīng)力矢量之和處在管道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，要求滿足σ≤[σ]t即可。

上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則用壓力管道與壓力容器/機(jī)器相連的組合時(shí)是適合的。

本方案中，貯罐內(nèi)罐為常壓罐，屬于薄膜容器，在不高的載荷作用即會(huì)產(chǎn)生較大的變形。此時(shí)若仍采用上述應(yīng)力分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的話，設(shè)計(jì)結(jié)果往往會(huì)偏離實(shí)際情況。

本方案采用零溫差應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。所謂零溫差應(yīng)力設(shè)計(jì)是指：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)完全補(bǔ)償溫差引起的位移量；即，使溫差引起的位移量對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生相應(yīng)的溫差應(yīng)力作用趨近于零。

2.2 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的其它因素

底部排液管的一端連著LNG儲(chǔ)罐，另一端連著LNG裝車泵，設(shè)計(jì)時(shí)除了補(bǔ)償溫差引起的位移量外，還應(yīng)考慮：

2.2.1 管道系統(tǒng)的綜合作用；

2.2.2 LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)與外部管道基礎(chǔ)的沉降量之差；

2.2.3 保冷方式的特殊性要求。

3 關(guān)于冷縮位移方向、冷縮量、責(zé)任界限的說(shuō)明

3.1 關(guān)于冷縮位移方向的判斷的說(shuō)明

從上述結(jié)構(gòu)描述可知：

3.1.1 當(dāng)內(nèi)罐遇冷收縮時(shí)，內(nèi)罐在固定錨帶的約束下，將以內(nèi)罐垂直中心線為準(zhǔn)作向心收縮；其直徑縮小量為ΔD，半徑縮小量：ΔR。

3.1.2 當(dāng)內(nèi)罐遇冷收縮時(shí)，將帶動(dòng)外部管道向左位移。

此時(shí)內(nèi)補(bǔ)償管受到拉伸作用伸長(zhǎng)，而外補(bǔ)償管受到壓縮作用縮短。

3.1.3 外部管道自內(nèi)罐壁至管道固定支承截面的冷收縮量：ΔLA。

3.1.4 底部排液管總的冷縮位移方向應(yīng)為：從右向左至內(nèi)罐垂直中心線為止。

3.2 關(guān)于冷縮位移量的計(jì)算

經(jīng)計(jì)算實(shí)際設(shè)計(jì)補(bǔ)償量ΔLS=100mm>ΔL=53.21mm。

3.3 關(guān)于工程質(zhì)量責(zé)任界限劃分的說(shuō)明

本方案的質(zhì)量責(zé)任界限處在固定管支架橫截面處。

自該截面向左，質(zhì)量責(zé)任應(yīng)由LNG貯罐供應(yīng)商負(fù)責(zé)。

自該截面向右，質(zhì)量責(zé)任應(yīng)由工程設(shè)計(jì)或工程施工方負(fù)責(zé)。

4 關(guān)于安裝技術(shù)要求

4.1 固定/滑動(dòng)管道支承要求

必須確保固定/滑動(dòng)管道支承分別真正起到固定/滑動(dòng)支承作用。

4.2 補(bǔ)償管段外部絕熱要求

兩個(gè)補(bǔ)償管段外部均不得再包扎確質(zhì)絕熱體，防止阻礙管道冷縮位移。

原因在于：

4.2.1 在左端外補(bǔ)償管與介質(zhì)管道聯(lián)接處已設(shè)置了真空絕熱套管；

4.2.2 在右端補(bǔ)償管與介質(zhì)管道聯(lián)接處已設(shè)置了高真空多層絕熱軟管。

4.3 內(nèi)外補(bǔ)償管安裝要求

外補(bǔ)償管安裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)左端外補(bǔ)償管適當(dāng)拉伸30mm后定位，待排液管轉(zhuǎn)入低溫冷縮后恢復(fù)到自由狀態(tài)。

內(nèi)補(bǔ)償管安裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)右端高真空多層絕熱補(bǔ)償管適當(dāng)壓縮50mm后定位，待排液管轉(zhuǎn)入低溫冷縮后恢復(fù)到自由狀態(tài)。

5 關(guān)于采用高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管的說(shuō)明

5.1 為什么要采用高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管的說(shuō)明

前面的補(bǔ)償量分析僅限于對(duì)溫差引起的沿底部側(cè)面排液管水平軸線方向冷縮量計(jì)算。

5.1.1 補(bǔ)償管影響因素分析

實(shí)際安裝使用過(guò)程中，存在以下必須予以考慮：

5.1.1.1 由于LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降量與外部管道基礎(chǔ)的沉降量存在著差異；

5.1.1.2 基礎(chǔ)沉降量差異與兩個(gè)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)建造質(zhì)量有關(guān)，是無(wú)法預(yù)知的；

5.1.1.3 控制兩個(gè)基礎(chǔ)沉降量差異的最好的解決辦法，是將兩個(gè)基礎(chǔ)建成整體；

5.1.1.4 基礎(chǔ)沉降量差異與溫差引起的冷縮量導(dǎo)致管道在垂直平面的彎曲運(yùn)動(dòng)；

5.1.1.5 由于普通補(bǔ)償管外必須包扎硬質(zhì)聚氨酯保冷材料，該材料不能滿足彎曲運(yùn)動(dòng)要求；

5.1.2 補(bǔ)償管滿足補(bǔ)償?shù)谋匾獥l件

5.1.2.1 因此，采用高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管才能滿足：

5.1.2.2 溫差冷縮量補(bǔ)償要求；

5.1.2.3 管道在垂直平面內(nèi)的彎曲運(yùn)動(dòng)要求；

5.1.2.4 無(wú)需另行保冷（已自帶柔性多層保冷材料）施工己能保證彎曲運(yùn)動(dòng)要求。

5.2 關(guān)于高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管可靠性的說(shuō)明

5.2.1 關(guān)于高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管壓力等級(jí)的確定

柔性補(bǔ)償軟管設(shè)計(jì)壓力等級(jí)確定為PS=1.6MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用時(shí)所能達(dá)到的最高工作壓力，保證了使用條件下的強(qiáng)度要求。

5.2.2 關(guān)于高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管的普適性說(shuō)明

高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管廣泛用于低溫液體的輸送，是用于低溫液體運(yùn)輸車與固定設(shè)備之間的柔性聯(lián)接輸液體管，作裝車卸車作業(yè)之用。

航天部門用于為火箭加注LH2和LO2，LH2和LO2的溫度分別為20K和90K；而LNG的溫度最低為111K。

因此就低溫性能而言，本方案采用適用于LH2和LO2的高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管是完全可靠的。

5.3 關(guān)于高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管絕熱的說(shuō)明

5.3.1 高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管的結(jié)構(gòu)說(shuō)明

高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2所示。

內(nèi)管是由不銹鋼波紋管制作的設(shè)計(jì)壓力：PS=1.6MPa、DN=250mm軟管組成，用于LNG介質(zhì)流通；內(nèi)管兩端連接有? 273×9.27mm不銹鋼管與外接管道相連接。

內(nèi)管的外表面包扎有多層絕熱材料。

外管仍由不銹鋼波紋管制作；外管的外表面還包扎有不銹鋼絲網(wǎng)體用于保護(hù)波紋管。

內(nèi)外不銹鋼波紋管之間的夾層空間抽成高真空，以獲得最佳保冷效果。

5.3.2 高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管的絕熱設(shè)計(jì)說(shuō)明

高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管的主體部份已具有完善的保冷效果，安裝時(shí)只需對(duì)兩端接頭外包扎硬質(zhì)聚氨酯保冷材料，其包扎長(zhǎng)度單側(cè)應(yīng)不少于250mm。

注意：本方案禁止對(duì)補(bǔ)償管的主體部份包扎硬質(zhì)聚氨酯保冷材料，以避免防礙補(bǔ)償管的位移補(bǔ)償作用。

6 關(guān)于內(nèi)罐排液管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)說(shuō)明

內(nèi)罐排液管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)算按GB150-1998標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

計(jì)算結(jié)果表明：不需另行補(bǔ)強(qiáng)。

特別說(shuō)明：

6.1 查閱關(guān)于《強(qiáng)度計(jì)算書(shū)》可知：

在未計(jì)入補(bǔ)強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng)面積，僅計(jì)入罐殼和接管多余面積條件下，補(bǔ)強(qiáng)面積即已有11.4%的裕量；此方法屬于壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)法中最優(yōu)先推薦采用的厚壁管補(bǔ)強(qiáng)法；按理可以不必再另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。

6.2 考慮到LNG貯罐的特殊性，實(shí)際的設(shè)計(jì)圖樣還是增設(shè)了如圖3-b所示的補(bǔ)強(qiáng)圈為：ф550/ф277-δ10-0Cr18Ni9板（補(bǔ)強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng)面積=1365mm2）。

6.3 是否還需要進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)？

在遵守相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定的前提下，沒(méi)有必要的進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)；采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)是一種局部補(bǔ)強(qiáng)法，如果僅限于局部過(guò)分補(bǔ)強(qiáng)，相反會(huì)造成變形失調(diào)導(dǎo)致應(yīng)力集中，結(jié)果適得其反。

7 關(guān)于內(nèi)罐錨帶及底板冷縮問(wèn)題的說(shuō)明

7.1 關(guān)于內(nèi)罐錨帶及底板結(jié)構(gòu)的說(shuō)明

500 0m3固定頂LNG貯罐設(shè)計(jì)遵守API 620標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，內(nèi)罐與基礎(chǔ)之間采用錨帶結(jié)構(gòu)固定。

7.2 關(guān)于內(nèi)罐錨帶作用說(shuō)明

內(nèi)罐承壓時(shí)，罐壁板向外擴(kuò)張，罐底板邊緣板會(huì)發(fā)生趨向于向上翹曲作用（也稱：浮力作用）。此時(shí)錨帶產(chǎn)生向下的垃力作用，控制罐底板邊緣板的變形。

當(dāng)內(nèi)罐與基礎(chǔ)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，錨帶起著抗位移的約束作用。

錨帶結(jié)構(gòu)屬于柔性構(gòu)件，錨帶與內(nèi)罐整體焊接在一齊起錨固作用；當(dāng)內(nèi)罐冷縮時(shí)底板隨罐體一起作同步冷縮位移；錨帶上端將在水平方向罐中心微小偏轉(zhuǎn)位移；錨帶的這種微小偏轉(zhuǎn)位移不會(huì)對(duì)內(nèi)罐體造成額外附加載荷。

7.3 關(guān)于內(nèi)罐錨帶安裝的說(shuō)明

內(nèi)罐錨帶的下端預(yù)埋入LNG貯罐的整體鋼筋混凝土基礎(chǔ)中，上端待內(nèi)罐盛水作基礎(chǔ)沉降試驗(yàn)合格后放水之前，拉緊后采用焊接方法固定；當(dāng)內(nèi)罐冷縮時(shí)，內(nèi)罐錨帶也會(huì)冷縮，進(jìn)一步將內(nèi)罐向下拉緊。

7.4 關(guān)于內(nèi)罐底板冷縮問(wèn)題的說(shuō)明

當(dāng)內(nèi)罐冷縮時(shí)，由于罐底板邊緣板并無(wú)約束，內(nèi)罐底板隨罐體一起作同步向心冷縮位移。因此內(nèi)罐底板不存在附加溫差應(yīng)力。

例外：當(dāng)內(nèi)罐首次投用未能正確操作發(fā)生大溫差進(jìn)液造成內(nèi)罐底板非均勻冷縮時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)附加溫差應(yīng)力工況。

為了防止這種情況發(fā)生，本次設(shè)計(jì)分別設(shè)置了上部噴淋管和底部噴淋管用于首次進(jìn)液時(shí)均勻冷卻內(nèi)罐體，確保內(nèi)罐安全。

除此之外，還對(duì)內(nèi)罐首次投用制定了相應(yīng)的安全調(diào)試規(guī)定（詳見(jiàn)供應(yīng)商相關(guān)文件所示）。

8 貯罐側(cè)面排液管的組合結(jié)構(gòu)安全分析

本節(jié)所討論范圍僅限于圖1-b所示各件的組合結(jié)構(gòu)。

8.1 貯罐側(cè)面排液管組合結(jié)構(gòu)的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

貯罐側(cè)面排液管組合結(jié)構(gòu)的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)包括：

8.1.1 貯罐本體的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

貯罐本體的設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)遵守SY/T 0608-2006《大型焊接低壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造》標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。SY/T 0608等效采用API 620-2002版及2004版補(bǔ)遺（英文版）。

“零溫差應(yīng)力設(shè)計(jì)”方法確保了貯罐內(nèi)外罐本體免受排液管冷縮位移造成的附加溫差應(yīng)力破壞，起到了最大限度保護(hù)貯罐本體的作用。

本項(xiàng)目LNG貯罐本體的設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)（如無(wú)損檢查、壓力試驗(yàn)、冷試等環(huán)節(jié)）符合當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平，因此LNG貯罐本體的安全設(shè)計(jì)應(yīng)屬于本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。

8.1.2 排液管本體的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

排液管本體采用ф273x9.27-0Cr18Ni9不銹鋼無(wú)縫鋼管，其壁厚δ=9.27mm，[σt]=137MPa。此管道：

8.1.2.1 使用壓力：PW=0.1MPa（液柱靜壓力+氣相壓力）；

8.1.2.2 公稱壓力：[PS]=1.6MPa；

8.1.2.3 氣壓試驗(yàn)壓力：Pg=1.84MPa；

8.1.2.4 按GB150-1998標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得[PW]≥8.0MPa；

8.1.2.5 對(duì)接焊縫將做100%射線無(wú)損檢查，角接焊縫將做100%滲透無(wú)損檢查；

8.1.2.6 “零溫差應(yīng)力設(shè)計(jì)”方法確保了貯罐內(nèi)罐本體免受排液管冷縮位移造成的附加溫差應(yīng)力破壞，起到了最大限度保護(hù)貯罐本體的作用。

由此可見(jiàn)排液管本體在設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)完全滿足本質(zhì)安全要求。

8.1.3 排液管本體上附件的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

連接在側(cè)面排液管本體上的根部閥、緊急截?cái)嚅y屬于關(guān)鍵操作附件，本次采用進(jìn)口產(chǎn)品，應(yīng)屬于質(zhì)量上的高端配置。

連接在側(cè)面排液管本體上的高真空多層絕熱柔性補(bǔ)償管的主體材料均為能滿足-196℃使用要求的0Cr18Ni9不銹鋼；該補(bǔ)償管的公稱壓力為[PS]=1.6MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用壓力PW=0.1MPa之要求。

側(cè)面排液管穿過(guò)外罐處采用了真空絕熱保冷管，避免該處外罐遭受低溫?fù)p壞，保護(hù)外罐安全。

排液管穿過(guò)外罐處還采用了外補(bǔ)償管，避免該處外罐承受管道附加溫差應(yīng)力損壞，保護(hù)外罐安全。

8.2 LNG貯罐的調(diào)試、操作、維修安全設(shè)計(jì)

LNG貯罐的安全設(shè)計(jì)除了硬件的安全設(shè)計(jì)外，還應(yīng)延伸至調(diào)試、操作、維修安全設(shè)計(jì)全過(guò)程。

8.2.1 LNG貯罐的調(diào)試安全設(shè)計(jì)

LNG貯罐的調(diào)試安全設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)應(yīng)是：

8.2.1.1 防止LNG貯罐超壓

應(yīng)確保LNG貯罐的壓力處在正常工作狀態(tài)。

8.2.1.2 防止LNG貯罐過(guò)量非均勻冷縮

8.2.2 LNG貯罐的操作、維修安全設(shè)計(jì)LNG貯罐的操作應(yīng)當(dāng)遵守：

8.2.2.1 正常工作狀態(tài)下，根部閥應(yīng)保持常開(kāi)狀態(tài)，緊急截?cái)嚅y作為常用開(kāi)關(guān)操作閥門。

8.2.2.2 維修作業(yè)之前，根部閥應(yīng)予以完全關(guān)閉，緊急截?cái)嚅y保持開(kāi)啟狀態(tài)下，

解除管道內(nèi)壓力并排除盡介質(zhì)，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行氮?dú)獯党脫Q合格后方可進(jìn)行緊急截?cái)嚅y門的維修作業(yè)。

8.2.2.3 具體的操作、維修安全注意事項(xiàng)應(yīng)列入《操作手冊(cè)》中予以詳細(xì)規(guī)定。