CN112984218B - 一种泵井结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泵井结构，包括：泵井本体结构，主要由包括泵井管道和泵井底阀组成；泵井连接结构，包括：紧固连接环，同轴套设在泵井管道外部；连接卡扣，若干个连接卡扣沿周向均匀设置在紧固连接环和泵井管道之间的间隙中；泵井支撑结构，包括：泵井底部径向支撑，至少两个泵井底部径向支撑沿周向设置在泵井管道的外侧，其被配置成限制泵井管道的径向位移；前向泵井底部环向支撑和后向泵井底部环向支撑，分别设置在泵井管道的前后两侧，二者被配制成限制泵井管道的环向位移。本发明具有支撑、抗屈曲、抗振的作用，保证了泵井管道在特殊工况能够保证其强度、安全性和稳定性。

Description

一种泵井结构

技术领域

本发明涉及LNG储罐技术领域，特别是关于一种基于减振抗屈曲的泵井结构。

背景技术

LNG储罐中需要用到进行液体外输的潜液泵，一般潜液泵的作用在于将液体从储罐中输送并气化外输或直接进行液态装船车。近些年来，随着船舶加注市场的兴起，LNG储罐中新设置了一种新的潜液泵型即装船泵，装船泵的作用主要是将LNG储罐中液体输出进行小船返输加注。由于返输装船的流量比液态装车的流量大很多，且船舶停靠有一定的时间限制要求，故装船泵的流量比传统潜液泵的流量大很多。而储罐内部将泵送液体输送至储罐外部的管道称为泵井。

目前，用于LNG储罐的泵井通常采用的是24”的传统泵井结构，其中容纳的是作为低压输出用途的小流量潜液泵。而针对装船输出用途的大流量装船泵，采用的是40”的泵井结构。由于泵井管道的许用外压力需满足液位压力与储罐内压之和，增大的泵井尺寸会直接导致液位压力增大间接带来泵井管道承压能力的不足。又由于大流量装船泵运行过程中流量较大，产生的扰动较大，造成装船泵井运行过程中的振动载荷较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的是提供一种基于减振抗屈曲的泵井结构，该泵井结构同时具有支撑、抗屈曲、抗振的作用，保证了泵井管道在特殊工况能够保证其强度、安全性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种泵井结构，包括：泵井本体结构，主要由包括泵井管道和泵井底阀组成；泵井连接结构，包括：紧固连接环，同轴套设在所述泵井管道外部，且与所述泵井管道之间存在间隙；连接卡扣，若干个所述连接卡扣沿周向均匀设置在所述紧固连接环和泵井管道之间的间隙中，且所述连接卡扣的至少一部分与所述泵井管道紧固连接，所述连接卡扣的至少另一部分可拆卸地钩挂在所述紧固连接环上；泵井支撑结构，包括：泵井底部径向支撑，至少两个泵井底部径向支撑沿周向设置在泵井管道的外侧，且每一所述泵井底部径向支撑的上端分别与紧固连接环的外壁紧固连接，每一所述泵井底部径向支撑的下端向储罐底部延伸并形成支撑端，所述泵井底部径向支撑被配置成限制泵井管道的径向位移；前向泵井底部环向支撑和后向泵井底部环向支撑，分别设置在所述泵井管道的前后两侧，且所述前向泵井底部环向支撑和后向泵井底部环向支撑的上端分别与所述紧固连接环的外壁紧固连接，所述前向泵井底部环向支撑和后向泵井底部环向支撑的下端向储罐底部延伸并形成支撑端，所述前向泵井底部环向支撑和后向泵井底部环向支撑被配制成限制所述泵井管道的环向位移。

所述的泵井结构，优选地，还包括泵井抗屈曲结构，所述泵井抗屈曲结构包括：泵井加强圈，沿所述泵井管道轴向设置至少3道，每道所述泵井加强圈包含至少3道环向均匀布置的肋板支撑；泵井杆撑，沿所述泵井管道轴向设置至少3道，每道所述泵井杆撑包含至少2道与所述泵井管道径向成一定夹角的支撑杆，所述支撑杆的两端分别通过铰接座与所述泵井加强圈和储罐内壁铰接。

所述的泵井结构，优选地，还包括泵井抗振结构，所述泵井抗振结构采用泵井隔振器，若干个所述泵井隔振器沿周向均匀设置在所述紧固连接环和泵井管道之间的间隙中。

所述的泵井结构，优选地，每一所述泵井隔振器包括隔振器本体、隔振器矫正螺栓和隔振器连接板，所述隔振器本体的内侧与所述泵井管道的外壁相接触，所述隔振器本体的外侧通过所述隔振器矫正螺栓固定在所述隔振器连接板上，所述隔振器连接板与所述紧固连接环的内壁紧固连接。

所述的泵井结构，优选地，通过以下步骤选配相应的所述泵井隔振器：

1)将所述泵井隔振器等效为一端固定、另一端自由的等截面悬臂梁，用弹性理论推导所述泵井隔振器自由端承受垂向荷载发生横向变形时，所述泵井隔振器所需承受的静载荷；

2)确定装船泵的最低扰动频率；

3)确定所需的隔离百分比，一般在80％以上，依据隔离百分比和最低扰动频率选取所需所述泵井隔振器的固有频率；

4)根据牛顿欧拉法建立负载作用下所述泵井隔振器的数学模型，并通过模态分析理论得到所述泵井隔振器的频响矩阵，由所述泵井隔振器的频响矩阵计算出所述泵井隔振器的刚度，并依据下式由所述泵井隔振器的固有频率计算出所述泵井隔振器的静态挠度：

式中，δ_ST为静态挠度；f_n为固有频率；

5)根据机械系统稳定平衡原理，通过分析所述泵井隔振器受到扰动后的能量变化，得到所述泵井隔振器处于稳定的质心区域，确定所需的所述泵井隔振器的位置；

6)根据选择的所述泵井隔振器查询对应的荷载/挠度曲线，并验证所述泵井隔振器在负载作用下模型的正确性及不同负载位置对，最终的挠度能够满足所述泵井本体结构所需的要求。

所述的泵井结构，优选地，所述前向泵井底部环向支撑的长度长于后向泵井底部环向支撑的长度。

所述的泵井结构，优选地，所述泵井支撑结构还包括分别一体连接在所述泵井底部径向支撑、前向泵井底部环向支撑和后向泵井底部环向支撑下端的底部支撑垫板，且所述底部支撑垫板采用与储罐底部相同的材料。

所述的泵井结构，优选地，在所述紧固连接环的外周焊接有起稳定作用的环向连接翼板，所述环向连接翼板通过螺栓与所述泵井管道顶接，使得所述泵井底部径向支撑、前向泵井底部环向支撑和后向泵井底部环向支撑发挥限位作用。

所述的泵井结构，优选地，在所述紧固连接环上加工有环向均布的凹槽结构，所述连接卡扣和紧固连接环上的凹槽结构进行锁紧，以限制所述紧固连接环的竖向位移。

所述的泵井结构，优选地，所述紧固连接环和环向连接翼板为环向分段结构，分段进行预制后在安装时进行整体拼接，在所述环向连接翼板每一段均设置凹槽结构避免与所述紧固连接环的焊缝形成十字交叉。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用了薄壁外压加强圈结构，泵井结构通过轴向设置的3道加强圈均匀的抵抗外压，并通过加强圈上设置3道肋板对加强圈本身进行支撑，防止了装船泵井在底阀封闭、泵井内液体放空排净(装船泵检修工况)，而罐内又恰好充满LNG时的状态，泵井可能发生失稳变形的情况，保证了泵井在极端工况不出现屈曲现象。

2、本发明有效的限制了大尺寸装船泵井各个方向的运动，通过轴向设置的3道支撑杆件(每个支撑杆件包含与径向成一定夹角的2道支撑杆)限制泵井整体结构环向和径向的位移，但在竖直方向可以自由伸缩；同时，通过底部环向支撑和底部径向支撑，限制泵井整体结构环向和径向的位移，并通过前向底部环向支撑，抵抗来自流体输送的反向冲击。

3、本发明设置了三道抗屈曲加强圈和多组环向缓冲隔振器，并增加了多向平衡底部支撑，形成了一个有效的减振体系结构，确保泵井在储罐中能够保证结构的强度、安全性和稳定性，防止了装船泵井由于装船泵大流量输出LNG液体造成的低温冲击和循环扰动，可以有效减小环向和径向振动载荷。在实际运行过程中，由于装船泵的流量大，对于泵井的冲击更大，形成更大的振动载荷，通过隔振器泵井与支撑隔离开，减小了传给支撑上的不平衡惯性力，保证了泵井结构的本质安全。

综上所述，本发明适用于大流量的装船泵，通过泵井底部的支撑和泵井侧面的撑杆，装船泵井与储罐管壁和罐底之间形成了有效的支撑连接。泵井管道加强圈和加强肋板的结构显著提升了泵井结构的抗屈曲能力，泵井底部的支撑结构和隔振器的设置成功降低了大流量装船泵引起的振动和扰动。本发明使用效果优异，具有很高的使用及推广价值。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的泵井结构的三维结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的泵井结构的正视图；

图3为本发明一实施例提供的泵井结构的俯视图；

图4为本发明一实施例提供的泵井抗屈曲结构的俯视图；

图5为本发明一实施例提供的泵井隔振器的结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的紧固连接环的结构示意图。

图中各标记如下：

1-1为泵井管道；2-1为紧固连接环；2-2为连接卡扣；2-3为环向连接翼板；3-1为泵井底部环向支撑；3-2为前向泵井底部径向支撑；3-3为后向泵井底部径向支撑；3-4为底部支撑垫板；

4为泵井杆撑；4-1为支撑杆；4-2为铰接座；

5为泵井隔振器；5-1为隔振器；5-2为隔振器矫正螺栓；5-3为隔振器连接板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图4所示，本实施例提供的泵井结构，包括泵井本体结构、泵井连接结构和泵井支撑结构。

其中，泵井本体结构包括泵井管道1-1和泵井底阀1-2。

泵井连接结构包括：紧固连接环2-1，同轴套设在泵井管道1-1外部，且与泵井管道1-1之间存在间隙；连接卡扣2-2，若干个连接卡扣2-2沿周向均匀设置在紧固连接环2-1和泵井管道1-1之间的间隙中，且连接卡扣2-2的至少一部分与泵井管道1-1紧固连接，连接卡扣2-2的至少另一部分可拆卸地钩挂在紧固连接环2-1上。

泵井支撑结构包括：泵井底部径向支撑3-1，两个泵井底部径向支撑3-1设置在泵井管道1-1的左右两侧，且两个泵井底部径向支撑3-1的上端分别与紧固连接环2-1的外壁紧固连接，两个泵井底部径向支撑3-1的下端向储罐底部延伸并形成支撑端，主要用于限制泵井管道1-1的径向位移；前向泵井底部环向支撑3-2和后向泵井底部环向支撑3-3，分别设置在泵井管道1-1的前后两侧，且前向泵井底部环向支撑3-2和后向泵井底部环向支撑3-3的上端分别与紧固连接环2-1的外壁紧固连接，前向泵井底部环向支撑3-2和后向泵井底部环向支撑3-3的下端向储罐底部延伸并形成支撑端，主要用于限制泵井管道1-1的环向位移。

上述实施例中，优选地，本发明提供的泵井结构还包括泵井抗屈曲结构，该泵井抗屈曲结构包括：泵井加强圈(图中未示出)，沿泵井管道1-1轴向设置至少3道，每道泵井加强圈包含至少3道环向均匀布置的肋板支撑；泵井杆撑4，沿泵井管道1-1轴向设置至少3道，每道泵井杆撑4包含至少2道与泵井管道1-1径向成一定夹角的支撑杆4-1，支撑杆4-1的两端分别通过铰接座4-2与泵井加强圈和储罐内壁铰接。由此，泵井加强圈起到抗屈曲作用，在泵井管道1-1外部承受液压而管道内部仅有空气的情况下防止泵井本体结构的失稳变形。同时，泵井杆撑4起限位作用，主要限制泵井本体结构的环向和径向的位移，但在竖直方向不限制位移，泵井管道1-1预冷收缩后仍能够自由伸缩。

上述实施例中，优选地，如图5所示，本发明提供的泵井结构还包括泵井抗振结构，该泵井抗振结构采用泵井隔振器5，若干个泵井隔振器5沿周向均匀设置在紧固连接环2-1和泵井管道1-1之间的间隙中，每一泵井隔振器5包括隔振器本体5-1、隔振器矫正螺栓5-2和隔振器连接板5-3，隔振器本体5-1的内侧与泵井管道1-1的外壁相接触，隔振器本体5-1的外侧通过隔振器矫正螺栓5-2固定在隔振器连接板5-3上，隔振器连接板5-3与紧固连接环2-1的内壁紧固连接。

上述实施例中，优选地，通过以下步骤选配相应的泵井隔振器5：

1)通过将泵井隔振器5等效为一端固定、另一端自由的等截面悬臂梁，用弹性理论推导泵井隔振器5自由端承受垂向荷载发生横向变形时，泵井隔振器5所需承受的静载荷；

2)确定装船泵的最低扰动频率；

3)确定所需的隔离百分比，一般在80％以上，依据隔离百分比和最低扰动频率选取所需泵井隔振器5的固有频率；

4)根据牛顿欧拉法建立负载作用下泵井隔振器5的数学模型，并通过模态分析理论得到泵井隔振器5的频响矩阵，由泵井隔振器5的频响矩阵计算出泵井隔振器5的刚度，并依据下式由泵井隔振器5的固有频率计算出泵井隔振器5的静态挠度：

式中，δ_ST为静态挠度；f_n为固有频率；

5)根据机械系统稳定平衡原理，通过分析泵井隔振器5受到扰动后的能量变化，得到泵井隔振器5处于稳定的质心区域，确定所需的泵井隔振器5的位置；

6)根据选择的泵井隔振器5查询对应的荷载/挠度曲线，并验证泵井隔振器5在负载作用下模型的正确性及不同负载位置对，最终的挠度能够满足泵井本体结构所需的要求。

上述实施例中，优选地，前向泵井底部环向支撑3-2的长度长于后向泵井底部环向支撑3-3的长度，这是由于前部为流体输送的反方向，前向泵井底部环向支撑3-2的长度较长更有利于抵抗来自流体输送的反向冲击。

上述实施例中，优选地，泵井支撑结构还包括分别一体连接在泵井底部径向支撑3-1、前向泵井底部环向支撑3-2和后向泵井底部环向支撑3-3下端的底部支撑垫板3-4，且底部支撑垫板3-4采用与储罐底部相同的材料。这是由于泵井支撑结构的材料和储罐底部材料不一，因此采用泵井支撑垫板3-4可以进行材料转换衔接。

上述实施例中，优选地，如图6所示，在紧固连接环2-1的外周焊接有起稳定作用的环向连接翼板2-3，环向连接翼板2-3通过螺栓与泵井管道1-1顶接，使得泵井底部径向支撑3-1、前向泵井底部环向支撑3-2和后向泵井底部环向支撑3-3发挥限位作用；同时，在紧固连接环2-1上加工有环向均布的凹槽结构，连接卡扣2-2和紧固连接环2-1上的凹槽结构进行锁紧，以限制紧固连接环2-1的竖向位移。

上述实施例中，优选地，紧固连接环2-1和环向连接翼板2-3为环向分段结构，分段进行预制后在安装时进行整体拼接，在环向连接翼板2-3每一段均设置凹槽结构避免与紧固连接环2-1的焊缝形成十字交叉。

上述实施例中，优选地，本发明提供的泵井结构适用于大型化储罐，包括但不仅限于LNG储罐、低温液体储罐。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种泵井结构，其特征在于，包括：

泵井本体结构，主要由包括泵井管道(1-1)和泵井底阀(1-2)组成；

泵井连接结构，包括：

紧固连接环(2-1)，同轴套设在所述泵井管道(1-1)外部，且与所述泵井管道(1-1)之间存在间隙；

连接卡扣(2-2)，若干个所述连接卡扣(2-2)沿周向均匀设置在所述紧固连接环(2-1)和泵井管道(1-1)之间的间隙中，且所述连接卡扣(2-2)的至少一部分与所述泵井管道(1-1)紧固连接，所述连接卡扣(2-2)的至少另一部分可拆卸地钩挂在所述紧固连接环(2-1)上；

泵井支撑结构，包括：

泵井底部径向支撑(3-1)，至少两个泵井底部径向支撑(3-1)沿周向设置在泵井管道(1-1)的外侧，且每一所述泵井底部径向支撑(3-1)的上端分别与紧固连接环(2-1)的外壁紧固连接，每一所述泵井底部径向支撑(3-1)的下端向储罐底部延伸并形成支撑端，所述泵井底部径向支撑(3-1)被配置成限制泵井管道(1-1)的径向位移；

前向泵井底部环向支撑(3-2)和后向泵井底部环向支撑(3-3)，分别设置在所述泵井管道(1-1)的前后两侧，且所述前向泵井底部环向支撑(3-2)和后向泵井底部环向支撑(3-3)的上端分别与所述紧固连接环(2-1)的外壁紧固连接，所述前向泵井底部环向支撑(3-2)和后向泵井底部环向支撑(3-3)的下端向储罐底部延伸并形成支撑端，所述前向泵井底部环向支撑(3-2)和后向泵井底部环向支撑(3-3)被配制成限制所述泵井管道(1-1)的环向位移；

还包括泵井抗振结构，所述泵井抗振结构采用泵井隔振器(5)，若干个所述泵井隔振器(5)沿周向均匀设置在所述紧固连接环(2-1)和泵井管道(1-1)之间的间隙中，并通过以下步骤选配相应的所述泵井隔振器(5)：

1)将所述泵井隔振器(5)等效为一端固定、另一端自由的等截面悬臂梁，用弹性理论推导所述泵井隔振器(5)自由端承受垂向荷载发生横向变形时，所述泵井隔振器(5)所需承受的静载荷；

2)确定装船泵的最低扰动频率；

3)确定所需的隔离百分比，隔离百分比在80％以上，依据隔离百分比和最低扰动频率选取所需所述泵井隔振器(5)的固有频率；

4)根据牛顿欧拉法建立负载作用下所述泵井隔振器(5)的数学模型，并通过模态分析理论得到所述泵井隔振器(5)的频响矩阵，由所述泵井隔振器(5)的频响矩阵计算出所述泵井隔振器(5)的刚度，并依据下式由所述泵井隔振器(5)的固有频率计算出所述泵井隔振器(5)的静态挠度：

式中，δ_ST为静态挠度；f_n为固有频率；

5)根据机械系统稳定平衡原理，通过分析所述泵井隔振器(5)受到扰动后的能量变化，得到所述泵井隔振器(5)处于稳定的质心区域，确定所需的所述泵井隔振器(5)的位置；

6)根据选择的所述泵井隔振器(5)查询对应的荷载/挠度曲线，并验证所述泵井隔振器(5)在负载作用下模型的正确性及不同负载位置对，最终的挠度能够满足所述泵井本体结构所需的要求。

2.根据权利要求1所述的泵井结构，其特征在于，还包括泵井抗屈曲结构，所述泵井抗屈曲结构包括：

泵井加强圈，沿所述泵井管道(1-1)轴向设置至少3道，每道所述泵井加强圈包含至少3道环向均匀布置的肋板支撑；

泵井杆撑(4)，沿所述泵井管道(1-1)轴向设置至少3道，每道所述泵井杆撑(4)包含至少2道与所述泵井管道(1-1)径向成一定夹角的支撑杆(4-1)，所述支撑杆(4-1)的两端分别通过铰接座(4-2)与所述泵井加强圈和储罐内壁铰接。

3.根据权利要求1所述的泵井结构，其特征在于，每一所述泵井隔振器(5)包括隔振器本体(5-1)、隔振器矫正螺栓(5-2)和隔振器连接板(5-3)，所述隔振器本体(5-1)的内侧与所述泵井管道(1-1)的外壁相接触，所述隔振器本体(5-1)的外侧通过所述隔振器矫正螺栓(5-2)固定在所述隔振器连接板(5-3)上，所述隔振器连接板(5-3)与所述紧固连接环(2-1)的内壁紧固连接。

4.根据权利要求1所述的泵井结构，其特征在于，所述前向泵井底部环向支撑(3-2)的长度长于后向泵井底部环向支撑(3-3)的长度。

5.根据权利要求1所述的泵井结构，其特征在于，所述泵井支撑结构还包括分别一体连接在所述泵井底部径向支撑(3-1)、前向泵井底部环向支撑(3-2)和后向泵井底部环向支撑(3-3)下端的底部支撑垫板(3-4)，且所述底部支撑垫板(3-4)采用与储罐底部相同的材料。

6.根据权利要求1所述的泵井结构，其特征在于，在所述紧固连接环(2-1)的外周焊接有起稳定作用的环向连接翼板(2-3)，所述环向连接翼板(2-3)通过螺栓与所述泵井管道(1-1)顶接，使得所述泵井底部径向支撑(3-1)、前向泵井底部环向支撑(3-2)和后向泵井底部环向支撑(3-3)发挥限位作用。

7.根据权利要求1所述的泵井结构，其特征在于，在所述紧固连接环(2-1)上加工有环向均布的凹槽结构，所述连接卡扣(2-2)和紧固连接环(2-1)上的凹槽结构进行锁紧，以限制所述紧固连接环(2-1)的竖向位移。

8.根据权利要求6所述的泵井结构，其特征在于，所述紧固连接环(2-1)和环向连接翼板(2-3)为环向分段结构，分段进行预制后在安装时进行整体拼接，在所述环向连接翼板(2-3)每一段均设置凹槽结构避免与所述紧固连接环(2-1)的焊缝形成十字交叉。

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