30方LNG低温储罐评审方案

CFL-30/0.8型LNG储罐设计评审方案

1        主要技术标准

(1)      GB18442-2001             低温绝热压力容器

(2)      HG20585                  钢制低温压力容器技术规定

(3)      JB6898-1997               低温液体储运设备使用安全规则

(4)      JB/T9072                            固定式真空粉末绝热低温液化储槽

(5)      TSGR004-2009                  固定式压力容器安全技术监察规程

(6)      GB24511-2009                    承压设备用不锈钢钢板及钢带

(7)      GB/T14976                         流体输送用不锈钢无缝钢管

(8)      GB150-1998                        钢制压力容器

(9)      GB18443-2010                    真空绝热深冷设备性能试验方法

(10)   GB20583-1998                    钢制化工容器结构设计规定

(11)   JB4711-2003                       压力容器涂敷与运输包装

(12)   JB4730-2005                       承压设备无损检测

2        基本参数

3        主要性能指标

4        基本构造

4.1                 内容器

材质一般为奥氏体不锈钢，设计用于盛装深冷LNG，一般包括：

筒体、封头——旋转形承压主壳体；

 工艺人孔——LNG储罐允许不设置检查孔及人孔——允许不设置是因为：

a、LNG储罐结构设计要抓绝热这个主要矛盾、检查孔及人孔必然加大漏热；

b、LNG液体对金属无腐蚀或仅轻微腐蚀、无需进罐检查和清理内壁，确可以不设置检查孔及人孔；

c、LNG内容器100%RT检测、经耐压试验和最严格的氦致密检测、奥氏体不锈钢（包括焊接接头及焊缝）在低温下强度不降反升、韧性也下降不多，有条件不设置检查孔及人孔；

d、“允许”不等于禁止，不等于不要慎重考察，对于腐蚀性介质（如CO2配低合金钢内容器的深冷容器），还是应考虑设置检查孔或人孔。

     工艺吊耳——内外壳体装配需要；内容器是否需要设置吊耳？

     抗外压加强环——内容器因氦致密检测需要工艺性抽真空操作，当图样规定真空夹层要进行气压或气密试验时内容器也受外压；

     抗支承反力的局部加强环或板——壳体受支承作用之局部应力较大，一般需设置强环或板；

     上进液喷淋头、下进液分布或搅拌器（是否都需要、有无必要）、溢流管嘴、差压液位计引管特殊管嘴、出液防涡器等管系内件——设上进液喷淋头是为了冷液均匀进入、设下进液分布或搅拌器是为了防LNG分层，设溢流管嘴是为了直观控制充满率，设防涡器是为了防涡旋型蒸发和保护机械型抽液设备使用安全；

     引管穿壁接头（凸缘）——为改善结构的焊接性能而设，避免薄壁管与较厚壳壁直接相焊；

4.2  外容器

材质一般为碳素钢或低合金钢，用于密封维持绝热层的真空状态，一般包括：

筒体、封头——旋转形承外压主壳体；

抗外压加强环——外壳在真空工况下工作；

抗支承反力的局部加强环或板——壳体受支承作用之局部应力较大，一般需设置强环或板；；

引管穿壁接头——为改善结构的焊接性能而设，避免薄壁管与较厚壳壁直接相焊；；

防爆装置座；

吊耳；

支座；

4.3  真空绝热夹层

绝热材料——纯真空型、粉末真空型、纤维真空型、反辐射真空型；

绝热材料的护持材料——防沉降、防松、防脱；

引管——功能管线需穿越真空绝热夹层；

吸附材料及其吸附装置——为延长真空寿命而设吸附材料，为吸附材料发挥效能而设吸附装置；(有无必要、是否必须)

内容器与外壳相互连接、支撑的构件——内容器不可能悬浮于外壳中，必有连接、支撑的构件；

抽真空流道管——为加大抽吸速度而设。

4.4  管路系统

安全泄放与放空管；

差压液位计引管；

满液指示管(溢流管、最高液位指示管)；

上、下进液管；

增压器进液、出气管——深冷液体卸液特殊需要，取自容器本身液体汽化反馈给气相空间，产生气压挤压出液。即使用机械抽吸出液也需一定气压维持吸入口的防气蚀压头；

抽真空引管；

4.5  阀门、附件、仪表

控制各管路开、闭的控制阀门；

紧急切断阀——防手动阀失灵和火灾情况无法操作手动阀；

真空封结阀——抽空结束后维持夹层真空；

真空检测阀——抽空结束后夹层真空就开始下降，投用后需掌握在用期间实际真空度；

仪表控制阀；

安全泄放装置切换或三通阀——如下述需双设安全泄放装置；

内容器安全阀；——设置在管路上？

内容器防爆片装置；——有无必要？如何设置？

外壳防爆装置——万一内容器中液体漏入夹层时，外壳需防超压爆裂；

压力表；

液位计；

真空检测规管；

阻火器——排放(包括主动排放和超压泄放)易燃介质时，应通过阻火器排放，以防回火；

静电接地端子。

5        内容器设计要点

5.1  主要设计参数：

5.2  载荷：

设计时应考虑以下载荷：

1)   设计压力：0.8MPa

2)   液注静压力：储液量达到额定充装率时，介质产生的液注静压力：0.05MPa。

3)   操作工况下，内容器支承处的反力：这种反力包括容器自重、最大介质重量以及必要时的地震载荷共同决定。

4)   温差载荷：

内容器从环境温度冷却到操作温度过程中，内容器在支承点处承受的温差载荷。

由于内容器、管道及外壳之间不同的热膨胀引起的管道反作用力。并分别考虑下列工况：

进液冷却过程：内容器热状态，管道系统冷状态，外壳热状态；

充装及卸料过程：内容器、管道系统均是冷状态，外壳热状态；

储存过程：内容器冷状态，管道系统热状态，外壳热状态。

容器制造过程中夹层抽真空时，由于内、外壳体不同温度载荷，应考虑下列连接处的载荷：

内容器在支撑点处的温差载荷；

内、外容器之间的管道以及与内容器连接处的载荷。

5)    耐压试验时的压力载荷及在内容器支承处产生的反力。

6)   空罐承受的载荷：

空罐运输时内容器、夹层支承及连接处承受的惯性载荷：

吊装时的载荷按照具体起吊工况确定，如对内容器及夹层支承连接处、吊耳连接部位产生的载荷等。

立式容器应在制造、运输、吊装等卧置状态时，内容器及夹层支承承受的载荷。

7)   内容器承受夹层空间施加的外压载荷，其值取外壳防爆装置的排放压力，且不小于0.1MPa。

8)   操作时, 压力急剧波动引起的冲击载荷。

9)   液体进入内容器时，由液体冲击引起的作用力。

5.3  内容器承载结构特点：

针对内容器承受的载荷特点，相应地应有其承载结构特点。主要应考虑到如下各方面：

5.3.1    尽量避免结构突变，这是所有低温容器结构设计的通理；

5.3.2    管壁与壳壁厚度一般相差较大，两者直接插焊不易保证焊接质量，管道穿壁宜加过渡接头；

5.3.3    穿壁过渡接头与壳体焊缝、内伸边角倒钝，这是所有低温容器结构设计的通理；

5.3.4    一般不用外加强圈抵抗外压，一是外加强圈焊接量大、不利于控制焊接变形，再者外加强圈占用夹层空间、加大该空间内结构件装配难度，三则使冷热界面靠近、不利于绝热；

5.3.5    为简化结构、减少漏点、减少导热通道，如无腐蚀性检查必要，一般不设检查孔。

5.4   夹层真空建立前后耐压试验：

耐压试验目的是针对容器的设计运行载荷——以一定的超载系数考验容器结构的抗压强度、抗变形能力、接头密封性能。由于夹层真空建立前后内容器的设计运行载荷不同——即对象载荷不同，故而：夹层真空建立前后内容器的耐压试验值应有区别：

内容器与外壳组装前，内容器的耐压试验压力至少按下列计算

确定:

a)  液压试验:P_T=η_yP

b)  气压试验:P_T=η_gP

式中：

η_y-液压试验超载系数，我国规范规定η_y=1.25

η_g-气压试验超载系数，我国规范规定η_g=1.15（99版《容规》）；η_g=1.10（2008版《固规》）；

P_T——试验压力，单位为兆帕（MPa）；当立式容器卧置液压试验时，试验压力应记入立式时液柱静压力。

P——设计压力，单位为兆帕（MPa）。

内容器与外壳组装完成，且形成真空夹层后，内容器应考虑受到大气压力的作用，则内容器的耐压试验压力取上式中耐压试验压力值应为P_T=η(P+0.1)MPa。

终上所述：是否考虑大气压力、组装前后的试验压力是否一致是应该明确的问题。

6        外容器设计要点

首先，应回答的问题是外容器是否按照压力容器执行。

事实情况是外容器不归容规管辖，但归GB150管辖，通常的做法是按照150制造，但是不按照容规监检。

6.1  承外压结构特点：

为减重一般设置密集低矮型内加强圈，外压筒体计算长度一般取决于加强圈的惯性矩、而非筒体许用长度；

6.2  管道穿壁的特殊考虑：

管道引自低温端的内容器，而外壳材料一般为碳钢或低合金钢，外壳难以耐受管壁低温，一般应设不锈钢过渡连接，使低温管壁与外壳之间有足够热阻。以防碳钢或低合金钢外壳材料遭受深冷载荷，且应充分考虑温度补偿。

6.3  抽真空流道的特殊考虑：

内容器外壁与外容器内壁构成密闭腔，真空绝热需要对此腔抽真空。抽真空是关键制作工艺之一。此腔中填满绝热材料，绝热材料的存在会加大抽真空难度，这就需要合理设置抽真空流道。为此一般采取将真空吸口延伸至绝热材料内部（甚至设置多个延伸吸口）的措施以降低流阻。

6.4  外壳防爆装置要点概述：

6.4.1    开启压力

开启压力应能够防止内容器失稳，且不超过0.5bar；

6.4.2     泄放面积

6.4.3     常态可靠密封

  外壳防爆装置与真空腔连通，密封可靠关系到能否有效维持绝热所需真空度。

6.4.4     机械性安全

  主要应考虑主动预防泄放起跳件或爆破件飞溅伤人。

7        支撑设计要点

7.1  解决连接件强度要求与热阻要求矛盾

真空绝热LNG储罐有载液内容器和与内容器外壁构成绝热真空腔（真空夹层）的外容器，内外容器之间需要支撑、连接。设计的支撑、连接件必须满足承载强度、刚度要求。满足承载强度、刚度要求需要结构件有足够的壁厚和尽可能短的长度。但内外容器之间温差大(一般内容器设计温度为－196℃，外容器设计温度为60℃)，较大的壁厚和较短的长度导致结构件热阻小，从导致容器的隔热性能差。妥善处理该矛盾是真空绝热深冷压力容器结构设计的重要内容之一。

目前常见的立式储罐支撑系统主要采用以下方式：

1)   用柔性构件吊、拉内容器，使其悬置于外壳中心。比如吊带、压带、拉带组成支撑、连接系统。

   其优点是：柔性吊、拉构件只承拉力，故受力状态简单明确、易于计算掌握；柔性吊、拉构件可以充分利用夹层空间，加大构件长度，从而加长热桥，且不比担心失稳。

其缺点是：柔性吊、拉构件全截面承拉应力，安全系数不能低，且构件材料一般为不锈钢，设备自重大、成本高；

因柔性吊、拉构件充分利用夹层空间，致使内、外容器套合时施工难度大、不易控制位置尺寸；

2)   下支柱加横拉结构

下支柱承受工作状态载荷，横拉结构承受卧置运输时的空罐运输载荷。目前该结构应用最广。

其优点是：承受工作状态载荷之下支柱长度易于掌控、需要时辅加热阻构件也易于设置，设计自由度较大；横拉结构只承受卧置运输时的空罐运输载荷，承截面不大，热阻较大；结构简单、热桥少、内、外容器套合时施工容易。

其缺点是：下支柱承压，需考虑轴向压应力和压杆失稳的联合承载能力，致使热桥加长时截面积也随之加大，抵消了通过加长热桥来加大热阻的效果，往往需要设置辅加热阻构件。

本方案综合采用以上两种方式。

7.2  结构强度计算应特别注意的内容

7.2.1    应特别注意热应力的存在；

7.2.2     内、外容器间总存在支承结构，不可忽视由此产生的壳体局部应力核算；

7.2.3     内、外容器间支承构件的可靠性与内容器强度、刚度同样重要，安全系数宜同等采用；

7.2.4     细长形抗压、弯构件的失稳核算；

8        仪表及管路系统的特殊性

8.1  液位测量的特殊困难及目前普遍做法

   因为绝热真空夹层的存在，且内容器储存的液体温度低，使得液位测量器件的选用大受限制。目前行业普遍做法是选用差压式液位计。差压式液位计需要气液相各引一根连管。

8.2  差压式液位计上、下连管的特殊性

差压式液位计需要上、下连管引取气、液相压力，感应元件感知气、液相压力之差，显示仪表将其转换成液位高度信号。原理与普通容器所用差压式液位计相同。但在深冷级低温下使用的不同之处是：

8.2.1    深冷液体液面不平静(尤其是装卸过程)，要注意尽量提高上连管末口，使其远离液体液面从而避免可能的液体冲击，确保取到稳定的气相压力。

8.2.2    由于所测液体温度为深冷级低温，下连管即液相引出连管中如有液体通过，则不但“穿透”，而且出外壳后的管段中的液体受空气加热立即汽化，于是某一管段中汽液共存、界面不清，液位计量将无准信可言。故液相引出连管需要设计气封液结构，并且此处的气封液结构要尽量靠近内容器器壁设置(即液相最低点)，避免“穿透”和界面不清的现象。

8.3  满足预冷操作要求的喷淋管结构

  LNG储罐新投入使用或停用复温后重新投入使用时，其整个容器与环境温度平衡、即处于所谓热态。

  如果在热态下向罐内以集注方式注入（如下进液口注入）深冷液体，那么注入口附近构件的冷却速度与远离注入口构件的冷却速度相差大，容器将遭受较大的热应力冲击。故在热态下向罐内注入深冷液体时应设法使各部位冷却速度相近。简单易行的办法就是设置喷淋充液管路(或装置)，使液体从顶部喷淋注入，使得充液时内容器能被均匀冷却。

喷淋头上喷淋孔的通过总面积应不小于喷淋管截面积。

   喷淋头上喷淋孔的布置与出口角应使得充液时内容器能被均匀冷却。

8.4  准确控制充装率的满液指示管设计

深冷容器应严格控制充满率，以避免容器遭受液体膨胀压力。

一般规定：盛装深冷介质的容器，在初始充装状态下，充装非易爆介质的液相容积应不大于内容器几何容积的95%，充装易爆介质的液相容积应不大于内容器几何容积的90%。

完全依赖液位计来指示储罐内中液面是否到达规定最高液位，尚难充分信任。因此，一般要加设满液指示管，此管进口设在最高液位处，充液时打开阀门，当液面到达规定最高液位时，此管出口处溢出液体，可以直观、可靠地得知容器中液面是否到达规定最高液位。

8.5  其他注意事项

8.5.1    包括阀门、零件和支撑件的管道系统设计时应综合考虑下列载荷：

不低于系统安全泄放装置的开启压力；

温度变化产生的载荷；

安全泄放装置泄放过程中产生的载荷(泄放反力)。

8.5.2    应清楚标明各个接口和附件的用途，防止被意外开启。

8.5.3    管路系统的设计、制造和安装应避免热胀冷缩、机械颤动或振动等所引起的损坏，必要时应考虑补偿结构和固定结构。

8.5.4    在允许使用铜管的地方，应采用铜锌焊接或具有相同强度的金属接头，铜锌焊料的熔点不应低于525℃，且在任何情况下，都不应降低铜管的强度；

8.5.5    所有管路应在承受4倍内容器工作压力时不会破裂。

8.5.6    两端均可关闭且有可能存留液体的管路，应设置超压泄放装置，其设定压力不宜超过1.5倍管路系统设计压力，且满足管路系统压力等级要求。

8.5.7    管路系统阀门宜标明介质流向，并且截止阀应标明开启和关闭方向。

8.5.8    设置抽真空与真空度检测装置

真空阀门和真空接头的漏气速率应小于5×10^-7（Pa·m³/s）。真空阀门和真空接头应采用保护装置，出厂检验后应铅封。贮存易燃介质的容器，应采用不会产生火花的真空规管，并设置保护罩。

8.5.9    自增压汽化器的设计

自增压汽化器的压力等级应与内容器的设计压力相匹配，所选用的材料应与装运介质相容，且考虑使用工况中材料的热胀冷缩影响。自增压汽化器的汽化量应能满足设计排液速率和升压速率的要求。

9        涉及安全的结构、计算核查及关键制造工艺保证要点

9.1  计算核查要点

9.1.1    受压元件计算

9.1.1.1  核查输入载荷条件：

包括温度、温差、内压，外压，局部拉、压、弯、扭、剪等各种可能的载荷。

9.1.1.2  核查计算依据、如用软件计算应核查软件时效性；

9.1.1.3  计算项目不可漏项，至少包括如下项目：

  所有受压元件都应计算；

  计算内容齐全(各种可能的载荷下的强度、刚度、稳定性)；

9.1.2    支承元件计算

9.1.2.1  核查输入载荷条件：

  温度、温差、本体重、介质重、操作与检修附加重、地震、风载等；

9.1.2.2  核查计算依据、如用软件计算应核查软件时效性；

9.1.2.3  计算项目不可漏项，至少包括如下项目：

     所有支承元件都应计算；

     计算内容齐全(各种可能的载荷下的强度、刚度、稳定性)；

支承元件计算容易疏忽的是杆状元件的稳定性计算。

9.1.3    安全泄放装置的计算与设置

9.1.3.1  计算项目不可漏项，至少包括如下项目：

泄放装量起排压力、全开压力、回座压力；

内容器安全泄放装量；

外壳安全泄放装量；

  泄放通道最小口径处面积。

9.2  涉及安全的结构要点

9.2.1    安全泄放装置设置要点

  安全阀应铅垂安装；

  泄放通道进口安排在气相空间(注意最大允许充装率)；

  泄放出口不能对向外壳和可能的操作方位；

  外壳安全泄放装置起跳件要有防飞跳伤人的防护措施。

9.2.2    管路系统

管件应承4倍内容器工作压力时不会破裂，防“水锤”效应；

管路系统安排考虑温差效应（热胀冷缩）；

防运输振动、冲击措施；

易燃、有毒介质(LNG)加装紧急切断装置，防手动阀失灵及火灾下无法操作手动阀；

管件与容器壳体不可用螺纹连接。

防管路安全泄放装置排放反力的措施。

9.2.3    排放阻火与静电防护

易燃介质容器有集中、通过阻火器排放的安排；

易燃介质容器应设静电导通与接地装置。

9.2.4    焊接接头

内容器焊接接头—是保证强度要求的焊接接头须为焊透结构，外观检查、NDT检测符合规范合格。

外壳焊接接头—是保证真空密封的焊接接头，外壳主要载荷是外压，焊接接头质量对抗外压刚度无甚影响，国外标准一般不要求NDT检测，只要求氦检漏，国内标准一般也只要求局部NDT检测。外壳焊接接头的关键质量要求是密封。

9.2.5    开孔插入结构

 内伸端避免尖角；

 补强方法规范、补强计算合格。

9.2.6    局部应力叠加防范

 内容器焊接接头尽量错开(≥max｛2δ,100㎜｝)；

开孔尽量错开(尽量避免需联合补强的近距安排)；

形状突变位尽量错开(距离尽量大于局部应力衰减范围)；

焊接接头、开孔、形状突变位相互尽量错开(距离尽量大于局部应力衰减范围)。

9.2.7    避免容器遭受液体膨胀的满液指示管

深冷容器应严格控制充满率，以避免容器遭受液体膨胀压力。

9.2.8    防“穿透”安排

“穿透”不但严重影响容器绝热性能，“穿透”造成的局部低温还可能给碳钢外壳带来安全隐患：碳钢外壳经不起“穿透”造成的局部低温可能脆裂。

9.3  关键工艺保证要点

9.3.1    压力试验

试验压力取值正确性，注意区分真空建立前后；

试验方法正确性；

试验条件正确性：

 奥氏体钢特别注意试验水质，防氯、硫离子污染；

 碳钢与低合金钢特别注意试验温度，放脆性转变；

 设备、仪表、工装符合规范。

图样对外壳有压力试验要求时，内筒应先充压至A-Mpa，然后用无油干燥气体或干氮气充入夹层至图样规定的B-Mpa，A的确定原则是：应确保B-A≤0.1Mpa。泄压时必须先泄夹层，再泄内筒。

9.3.2    工艺过程的清洁与干燥

9.3.2.1  试验、交货封口用气体的清洁与干燥要求

 压力试验用空气或干燥氮气要求无油干燥，一般要求含油量≤7mg/m3,露点≤-40℃。

 压力试验用氮气（参GSE689）：

     纯度：99.998%；

     含湿：≤1.5ppm-v/v；

     含氧：≤3ppm-v/v；

     一般设计图样会提出具体要求。

9.3.2.2  氦检漏用氦气品质要求（参GSE689）：

      纯度：99.995%；

      含湿：≤1.5 ppm-v/v；

      含氧：≤1.0 ppm-v/v；

      一般检测工艺会提出具体要求。

9.3.2.3  与液体、与真空接触的零部件的清洁与干燥

  与液体接触的零部件表面如不干燥，在低温操作下可能导致冰堵，不清洁则将污染储存液体。

  与真空接触的零部件如不清洁与干燥，将导致真空难以建立和维持。油和水是真空的致命杀手。

  绝热材料(珠光砂)的品质按GB18442规定：

粒度：0.1～1.2mm；

堆积密度：30～60kg/m³；

干燥后的含水率：低于0.3%(重量比)；

导热系数：≤0.03W/(m.k)。

总之，除油脱脂、清洁与干燥是深冷容器的重要工艺内容！