介绍提高150立方LNG储罐综合性能的基本思路,以及符合澳大利亚风作用和地震作用规范的载荷计算方法,为150立方LNG低温储罐的压力安全系统、抽真空系统和抗震抗风提供设计基础,也为建造设备基础提供了重要的风载和地震载荷的计算数据。

随着澳大利亚天然气储量的大幅提升,该国对液化天然气装备的需求也不断增强,其中包括对装备性能的提高。为扩大出口奠定基础和做好准备,既要切实了解澳大利亚当地的规范要求,也要掌握澳大利亚规范关于风载荷和地震载荷计算的核心技术,这对进行出口到澳大利亚的贮罐设计、制造和检验的工程技术人员是极大的挑战,因此加强对澳大利亚设计规范的研究以及掌握能够提升其综合性能的设计和检验方面的多项新技术对推动该项目的进展具有十分重要的意义,对液化天然气等低温液体储罐的研究和工程应用具有很高的参考价值。

1 LNG储罐遵循的重要技术标准SME VIII-1压力容器建造规则;AS 1170.0-2011结构设计作用第0部分:通则;AS 1170.2-2011结构设计作用第2部分:风作用;AS 1170.4-2007结构设计作用第4部分:地震作用;ASME B31.3-2008化工厂和石油提炼用的管道;1201-LNG规范。2储罐结构LNG內储罐为卧式双层壁式结构,由罐、外罐、内外支撑件、绝热层、压力安全系统、抽真空装置、管路系统等组成。设备安装在钢筋混泥土基础平台上。3抽真空结构的革新所有真空型的绝热结构都要藉助于真空。由于绝热空间材料的放气率和抽气阻力都比较大,而且密封材料与绝热材料的烘烤温度又不能过高、放气慢,因此抽气困难[1]。要使绝热空间能根据设计要求的抽空时间内达到所需的真空度,除了与抽真空泵及抽空工艺有关外,还与夹层抽空管的流道面积有关。为确保得到较高的真空度,并提高抽空速率,在设备的两端均设置了一个抽真空装置,一个抽空装置由3个抽空管组成,被置于夹层的下半部空间并从低端引出,另一个抽空装置也由3个抽空管组成,但被置于夹层的上半部空间并从高端引出,两组抽空管沿罐体长度交叉重叠。通过加大抽空管的通道面积,并采用加热、氮气置换等多种辅助方法的抽真空结构,使容积达150m3的夹层绝热空间的真空获得时间缩短到常规结构时的三分之一。4起吊装卸技术的突破支撑采用鞍座,并使焊接点避开鞍座区域。鞍座垫板设有排液孔,设备设有防雷、防静电设施。储罐设置有两套起吊装卸装置,分别供有起吊设施和无起吊设施的场合使用。鞍座腹板两侧的圆柱孔则可穿入卸扣,带有保护套的钢丝绳一段扣住卸扣,另一端扣住平衡梁,利用行车、吊车可实现制造、运输过程中对设备的搬运。鞍座两侧筋板安装有可分离的支架,如图1所示,可供无起吊设施的场合使用,操作时,采用千斤顶将储罐提升到一定的高度后,平板车驶入容器下方,将容器座落在车上,反之,也可以将容器从平板车上卸下[2]。可分离的支架与鞍座之间由6颗M36高强度螺栓连接,4个支架共24颗螺栓。千斤顶托起设备时,设备的自重通过螺栓传递到支架,再由支架传递给千斤顶,因此需保证螺栓和支架的强度。为此,专门对支架的弯曲应力、支架根部的焊缝强度、螺栓的剪切应力和弯曲应力及其拉伸强度和挤压强度作了精确的校核计算。图1支架与鞍座连接示意5阀门和管路的合理布置所有阀门柄、控制器都被安装在适合操作和维修的高度。为防止雨、露水或者杂质进入安全阀,气体集中排放管出口端被设计成水平向下倾斜2°左右布置。安装长轴阀门时,使其与水平面保持75°角以避免阀门密封管冻结。

6压力安全管道的性能改善储罐装有两组共4个能够防止设备超压运行的全启式安全阀,安全阀前设有一个上下各有两个出口的三通阀,可以防止因误操作而产生的风险。四个安全阀的设定压力相同,保证任何时间至少有一组安全阀与内容器保持连通,另一组则处于备用状态。安全阀出口采用活套接头连接,并通过法兰连接到集中排放管。通过拧松活套螺母和分离法兰,能够很容易地实现安全阀的拆卸、校验工作。7测满装置的设置设有防超装的高溢流口和低溢流口,溢流管外部管线阀门前端的管道腔内设置有一块中心带一2mm小孔的隔板,充满时,介质从2 mm小孔中呈细线状流出,能有效地防止低温液体喷射或飞溅而造成人员伤害。8管路气压试验和气密性试验该容器的外部管路需符合ASME B31.3中第345章节的试验要求,外部管道的气压试验压力应为设计压力的1.1倍[3],此试验压力值超过安全阀的设定压力。为了检测外部管线所有焊接接头和阀门的强度及其密封性,外部管路应与内容器一起在管道试验压力下进行试验。由于容器与安全阀之间未设置截止阀,对于通向安全阀的气相管道无法进行该试验压力值下的气压试验。同时为了缩短整个试验周期,加快试验步伐,对内容器尝试采用液压-气压试验,以节省排放液氮和进气的时间。试验时,拆下四个安全阀,将三通阀一侧的上下两个连接口堵住,另一侧由三通阀切断关闭。在保留内容器内部充有25%液氮的情况下进气升压到规定的试验压力0.86 MPa保压2h,再升到1.056 MPa保压0.5 h,完成气密性试验和气压试验,而三通阀与安全阀之间的连接管道则单独作气压试验和气密性试验。试验完成后,依次装配好两侧的安全阀。

9载荷计算AS 1170.4陈述了确定地震作用的过程以及结构设计中使用的结构和元件的详细设计条件,也包括家用建筑的抗震要求。重要度为1的建筑不需要考虑地震作用[4]。地震荷载计算需要下列参数:Kp——概率系数;Z——地震危险系数,跟贮槽安装所在地有关,相当于中国的设计地震分组;Ch(TI)——结构基本振型自振周期T1下的光谱形状系数;T1——结构的基本振型自振周期;Sp——结构性能系数,Sp=1;μ——结构延展性系数,μ=2;Wt——被当作是结构所有高度处集中质量的总的参与地震的重量Ⅰ——重要度系数,Ⅰ=1;土壤类型——Ae、Be、Ce、De、Ee,相当于中国的场地土类别;Ae级——硬岩石;Be级——岩石;De级——深软土;Ee级——非常软的土。根据设计工作寿命和重要度确定地震的年超过概率[5],再根据年超过概率确定概率系数的值。基本地震剪切力V=[KpZCh(T1)Sp/μ]Wt风压计算需要下列参数[6]:设计工作寿命;区域风速VR;风区域:A1~A7、W、B、C、D;地形类别:1、2、3、4,相当于中国的地面粗糙度类别A、B、C、D;背风系数:除新西兰以外,Mlee=1.0;丘形系数Mh;风向系数Md;屏蔽系数Ms;地形系数Mt=Max;空气密度:ρair=1.2 kg/m3。根据储罐的形状和区域可以确定动态形状系数Cfig和风压面积Az,根据一阶模型的基本频率确定动态响应系数Cdyn,当基本频率大于1 Hz时,Cdyn=1.0。水平风载荷F:F=(0.5ρair)·(Vdes,θ)2·Cfig·Cdyn·Az10结束语进行储罐开发时,应在注重其安全性的前提下,还需考虑到现场实际的起吊装卸能力、实施各项试验的可行性、零件拆卸的方便性以及缩短制作周期的产品结构和工艺性能。

本文介绍的计算方法、试验方法、结构的改进完善的新举措,可以推广应用到其他低温储罐的工程设计中。提升液化天然气储罐性能的关键技术