【摘要】100立方LNG低温储罐是液化石油天然气储运过程中的重要设施,其建造技术复杂,施工要求严格,在我国工程实例较少。文章介绍了100立方LNG低温储罐的技术特点、罐体结构以及设计过程中应遵循的规范,阐述了100立方LNG低温储罐在基础、罐壁、罐顶、保温层施工中的技术要求和检验中应注意的事项,对LNG低温储罐的设计施工提出了建议。

液化天然气接收终端是LNG重要的工程设施,它承担着接收—储存—蒸发—输送天然气的功能。一般由专用码头、LNG卸船装置、输送管道、储罐、气化装备等组成,其设计、建造复杂,技术要求严格,一个液化天然气接收终端一般造价在几十亿人民币。以中国海洋石油总公司建设的福建莆田260万t LNG储罐为例,在总投资62亿元中,2座16万m3的低温储罐占整个接收站投资的1/3。为了解掌握这项技术,本文简要介绍LNG低温储罐的设计与建造技术,提出我国开展LNG低温储罐的设计与建造的几点建议。

1  100立方LNG低温储罐的特殊要求(1)耐低温。常压下液化天然气的沸点为-160℃。LNG选择低温常压储存方式,将天然气的温度降到沸点以下,使储液罐的操作压力稍高于常压,与高压常温储存方式相比,可以大大降低罐壁厚度,提高安全性能。因此,LNG要求储液罐体具有良好的耐低温性能和优异的保冷性能。(2)安全要求高。由于罐内储存的是低温液体,储罐一旦出现意外,冷藏的液体会大量挥发,气化量大约是原来冷藏状态下的300倍,在大气中形成会自动引爆的气团。因此,API、BS等规范都要求储罐采用双层壁结构,运用封拦理念,在第一层罐体泄漏时,第二层罐体可对泄漏液体与蒸发气实现完全封拦,确保储存安全。(3)材料特殊。内罐壁要求耐低温,一般选用A537CL2、A516Gr.60等材料,外罐壁为预应力钢筋混凝土,一般设计抗拉强度≥20kPa。(4)保温措施严格。由于罐内外温差最高可达200℃,要使罐内温度保持在-160℃,罐体就要具有良好的保冷性能,在内罐和外罐之间填充高性能的保冷材料。罐底保冷材料还要有足够的承压性能。(5)抗震性能好。一般建筑物的抗震要求是在规定地震荷载下裂而不倒。为确保储罐在意外荷载作用下的安全,储罐必须具有良好的抗震性能。对LNG储罐则要求在规定地震荷载下不倒也不裂。因次,选择的建造场地一般要避开地震断裂带,在施工前要对储罐做抗震试验,分析动态条件下储罐的结构性能,确保在给定地震烈度下罐体不损坏。(6)施工要求严格。储罐焊缝必须进行100%磁粉检测(MT)及100%真空气密检测(VBT)。要严格选择保冷材料,施工中应遵循规定的程序。为防止混凝土出现裂纹,均采用后张拉预应力施工,对罐壁垂直度控制十分严格。混凝土外罐顶应具备较高的抗压、抗拉能力,能抵御一般坠落物的击打;由于罐底混凝土较厚,浇注时要控制水化温度,防止因温度应力产生的开裂。

2 100立方LNG低温储罐的设计2.1设计规范目前我国与之相关的设计规范有GB50028-1993《城镇燃气设计规范》;GB50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》等,但尚无LNG专用设计规范。国外LNG的专用规范有:API620规范,美国NFPA-59A《液化天然气生产、储存和装卸》,英国BS7777标准。上述规范对低温储罐的设计做出了规定,对特定部位材质选用和焊接规定了具体的要求。根据位置与作用定义出主要构件和次要构件。英国标准BS7777针对低温储罐做了更详尽的叙述,提出了低温储罐的三种设计模式:单层封拦设计、双重封拦设计和完全封拦设计。目前工程上常采用双重封拦设计。双重封拦设计是指内罐及外罐均具有承装冷液的功能,在正常情况下冷液体储存在内罐,当内罐发生泄漏时,外罐能起到拦截、储存冷液的作用,但不能抑制因泄漏而产生的气体蒸发。2.2低温储罐的主要构造图1为LNG低温储罐的构造示意,以预应力混凝土+金属罐双重封拦设计为例,罐壁包括低温钢内壁、聚氨酯保冷层和贴有较薄低温钢板的预应力混凝土外壁。2.2.1内罐壁内罐壁是低温储罐的主要构件,由耐低温、具有较好机械性能的钢板焊接而成,一般选用A5372级、A516Gr.60、Gr18Ni9、ASME的304等特种钢材。如某罐内罐底板和环板选用厚16mm、材质为A537CL2的钢板,其余板则可选用厚6.35mm、材质为A537CL1的钢板。2.2.2保冷层(1)罐壁保冷。外罐衬板内侧喷涂聚氨酯泡沫,一般要求聚氨酯泡沫导热系数≤0.03W/(m·K),密度40～60kg/m3,厚度150mm左右。(2)罐顶保冷。内罐顶采用悬吊式岩棉保冷层,如某罐罐顶设置了4层玻璃纤维保冷层,每层厚100mm,玻璃纤维棉的密度为16kg/m3、导热系数为0.04W/(m·K)。(3)罐底保冷。罐底保冷比较复杂,除了钢板下喷涂聚氨酯泡沫外,还要设计防水结构。图2是某罐罐底的保冷结构,包括65mm厚的垫层,60mm厚的密实混凝土,2mm厚的防水油毡,2层各100mm厚的发泡玻璃,最后用70mm厚混凝土覆盖,以保护外罐混凝土不受过低温度的影响。2.2.3混凝土外罐混凝土外罐壁、外罐顶由预应力钢筋混凝土及耐低温钢衬板构成。混凝土强度应≥25MPa。外罐顶和罐壁要能承受气体意外泄漏产生的内压力,因此,钢筋混凝土要具备足够的抗拉强度。对于大型储罐,为使预应力混凝土罐壁均衡受力,可采用等强不等厚或等厚不等强的设计方法。

3LNG低温储罐的施工3.1基础施工(1)软弱地基的加固。为保证LNG储罐建成后不发生任何形式的不均匀沉降,必须对建造场地进行详细勘察,对软弱地基进行加固。如某直径60m的低温储罐,需处理的基础直径约80m,要求对直径100m的区域进行地质勘察。采用的灌注桩基础可满足长期荷载190kPa、短期荷载240kPa的承载力要求。(2)基础施工。为使基础具备良好的整体性,钢筋混凝土底板要有足够厚度。如某低温储罐基础在桩上设计的钢筋混凝土底板厚度为1.6m,混凝土强度为25MPa。为防止大体积混凝土因水化反应的热应力产生裂缝,施工中采用分层连续浇注和由外向内顺序浇注的方法。3.2罐壁预应力施工罐壁采用预应力滑模施工工艺,滑模爬升过程中需预埋垂直预应力套管及水平预应力套管,垂直图1LNG低温储罐的构造示意图2LNG低温储罐保冷结构预应力混凝土外壁聚氨酯保冷材料低温钢内壁珍珠岩混凝土发泡玻璃低温钢罐底防潮材料混凝土钢制外罐底9镍钢内罐底9镍钢储液内罐承压钢制外罐悬顶保冷层外罐顶预应力系统为碳钢套筒,水平预应力系统为镀锌半硬式涡卷型套管,各套管衔接以热收缩套粘合。罐壁浇注完工后进行钢索穿索作业,一般用油压机具施加预应力,吹顶前应至少施加完成70%设计预应力强度。3.3罐顶施工罐顶由预应力钢筋混凝土及罐顶衬板构成。外罐顶和罐壁要能承受气体意外泄漏造成的内压力,罐顶还应具备外部意外物体冲击的能力。因此,钢筋混凝土要同时具备足够的抗压、抗拉强度,如有的罐顶厚度达0.6m。为使混凝土罐与外衬罐连接牢固,绑扎钢筋时要预留焊钉,如某罐焊钉数量达3万多个。在进行罐顶混凝土浇注时,为避免一次浇注超出罐顶负荷,可分二次进行浇注。图3为某罐罐顶施工。3.4外罐内衬板(罐)施工外罐内衬板(罐)承担着盛装泄漏冷液和密封的作用,外罐钢板材质要选择耐低温的A516Gr.60等合金板材,由于外罐内衬板(罐)为非承重构件,一般采用较薄的板材。(1)外罐底板组焊。外罐底板铺设应由储罐中心向外围铺设,以点焊固定待焊底板,先焊钢板短边,再焊钢板长边。所有焊缝必须进行100%磁粉检测(MT)及100%真空气密检测(VBT)。(2)外罐环板组焊。用临时固定夹具固定环板,确保焊接时其曲率与混凝土罐一致。(3)外罐顶与通气管。因外罐顶不会接触到低温液体,按API620归类属于次要构件,可选用碳钢材料。通气管嘴均可穿越罐顶,以悬吊方式固定在罐顶,不需另设其他伸缩接头,这样内罐蒸气可以自由地流通到内外罐间的环带区域,储罐在使用状态下,环带区域将充满气体,且具有与内罐相同的压力。3.5内罐施工依据存液状态下的受力特点,内罐可用不同材质、不同厚度的钢板组焊而成。如某罐从下向上选择的钢板厚度为34.6～9.6mm,除了最上部材质为A516Gr.60外,其他各层均为A537CL.2。X射线检测(RT)抽检率水平焊缝为20%,垂直焊缝为100%。3.6保冷施工(1)罐顶保冷。内罐罐顶采用悬吊岩棉保冷层,该保冷层将罐内空间与罐顶隔开,减少两者间的对流,使蒸发气体交换量降至最低。由于在罐顶上空相对稳定的气体层形成保冷屏障,增强了保冷效果,所以一般选择玻璃纤维棉作为保冷材料。如某罐设置了4层厚100mm、密度为16kg/m3的玻璃纤维棉悬吊于罐顶上。(2)罐壁保冷。罐壁保冷是在外罐衬板内侧喷涂聚氨酯泡沫。采用半自动聚氨酯泡沫喷涂机进行喷涂,施工中要使泡沫保持较高密度和均匀性,以保证保冷层的平整。现场发泡施工中须对每批次的聚氨酯泡沫取样,进行材质检测,包括导热性能、密度及抗压性能。(3)罐底保冷。因罐底需承受储存液体的压力,所以除了考虑传热系数外,还需考虑材质的抗压强度。聚氨酯泡沫的抗压强度≥0.2MPa,并选择抗压强度更高的发泡玻璃(0.7MPa),以增加保冷效果。如某罐由上向下依次有10层:PE布、图3罐顶施工聚氨酯泡沫、PE布、混凝土、油毡、发泡玻璃、油毡、发泡玻璃、PE布、混凝土。

4检验低温储罐施工要执行严格的检验制度,主要包括焊缝的检验、内罐水压试验和外罐气密试验。4.1焊缝检验所有焊缝进行100%磁粉检测(MT)、100%真空气密检测(VBT)及100%射线检测(RT)。4.2内罐水压试验在确认罐体所有焊缝均已完成焊接并经过检验符合标准后,开始进行水压试验。(1)由罐顶管嘴注水,至试压水位高度,水位上升速度不得超过1m/h。(2)在储罐基础上方预应力混凝土壁上,每90°设置沉降观测标记,监测试压前、注水过程、试压完成后储罐沉降数据。(3)观察储罐外表及焊缝有无泄漏或其他异常情况,如有泄漏发生,须待水位降至泄漏点下方1m高位置,再对泄漏点进行修补检查。4.3外罐气密试验为确保外罐整体的气密性符合设计标准,水压测试完成后应再进行一次气压测试,其测试步骤如下:(1)按储罐气密试验的有关规定安装好压力测量仪表。(2)向罐内充气,至测试压力的50%(测试压力=25kPa),持压至少1h。(3)逐渐加压至75%测试压力,然后再慢慢增高测试压力至100%,持压至少1h,以肥皂水目视检查罐顶管嘴焊缝、人孔及管嘴法兰螺栓联接面,确认储罐没有气泡等异常泄漏情况。5结束语从1959年美国“甲烷先锋号”液化天然气船诞生以来,LNG技术得到了迅速发展。截至2005年,全世界正在运行的LNG接收站有43座,运营的LNG专用运输船177艘(最大14.5万m3,最小1100m3);正在建造的有112艘。LNG年贸易总量超过1亿m3,其中日本是世界上最大的LNG进口国,有24个接收终端站,2005年LNG年贸易量达到5982万m3。随着中国对能源的需求,LNG建设也在实施当中。其中由中国海洋石油总公司建造的广东大鹏湾液化天然气接收站于2006年6月投入生产。同时计划中的终端分别将在福建、广东、上海、浙江、河北等沿海城市建设。国外一些新技术在迅速发展,如低温储罐的自动焊接技术、吹顶提升拱顶技术、半自动超声波9%镍钢探伤技术等。由于LNG技术复杂,我国在该领域经验少,初期工程设计和关键设备需要引进。从长远看,建议开展以下研究:(1)尽快编制、颁布我国的LNG储罐规范,以指导LNG储罐的设计、施工建造和工程验收。(2)开展低温储罐保冷材料和保冷施工技术研究。目前保冷材料、低温储罐施工技术在不断发展,如开发新型低导热、高强度的保冷材料;研究低温储罐自动焊接技术;开展抗裂预应力混凝土施工技术研究,使低温储罐建设更安全、更节省。(3)目前LNG汽化器主要依靠进口,因此,应开展LNG专业汽化器的研究。这种汽化器要求材质耐低温、具有良好的热交换性能和耐海水腐蚀等特点。LNG低温储罐的设计及建造技术@袁中立$中国石油集团工程技术研究院!天津300451 @闫伦江$中国石油集团工程设计有限责任公司!北京100085LNG低温储罐是液化石油天然气储运过程中的重要设施,其建造技术复杂,施工要求严格,在我国工程实例较少。文章介绍了LNG低温储罐的技术特点、罐体结构以及设计过程中应遵循的规范,阐述了LNG低温储罐在基础、罐壁、罐顶、保温层施工中的技术要求和检验中应注意的事项,对LNG低温储罐的设计施工提出了建议。