液化天然气储罐安全技术分析

摘要:我国液化天然气的应用技术还处于发展阶段,其安全储存尤为重要。根据其特性,从涉及储罐安全的技术环节分析了储罐安全的技术要求和措施,如围堰、设计压力、主体材料等。
关键词:低温储罐;液化天然气;安全技术;建造

液化天然气(简称LNG)以运输灵活、储存效率高的显著特点,被广泛用做城市输配气系统扩容、调峰等方面的主要气源。LNG是以甲烷为主要组分的烃类混合物，在大气压力下的沸点约为-160℃,其沸腾温度随蒸气压力的变化梯度约为1.25×10-4℃/Pa。LNG的密度取决于其组分,通常为430～470kg/m3,其密度是液体温度的函数,每度的变化梯度约为1.35kg/m3[1]。
根据LNG特性,储罐不仅具有良好的绝热保冷性能,而且更需要从设计、制造及运行管理等方面对LNG储罐的安全性提出一定要求。

1平面布置及基础
1.1储罐布置
LNG储罐以外的热源会对LNG储罐产生热作用。因此LNG储罐的布置须符合LNG安全防火的要求。一般根据储罐的体积合理确定安全间距。美国防火协会标准NFPA59A中规定了储罐围堰墙与站区建筑的最小水平净距、LNG储罐之间的最小净距,见表GB/T20368—2006《液化天然气然气(LNG)生产、储存和装运》中也给出了相同的
数据要求[3]。
表1储罐围堰与建筑物及储罐之间的安全间距
储罐体积
V/m3
围堰到站区建筑物的
最小水平净距/m
LNG储罐之间的
最小净距/m
V<0.500
0.5≤V<1.931
1.9≤V<7.64.61.5
7.6≤V<56.87.61.5
56.8≤V<114151.5
114≤V<265231.5
V>2650.7倍罐径,但不小
于30m
相邻罐径之和的1/4,
且最小1.5m
储罐建造的位置首先应避开易燃物释放的下风向。平面布置设计时,应根据工艺确定的流程位置来确定工艺装置及储罐的相对位置。一般场站的工艺装置系统离储罐较远,在储罐围堰以外较近距离,可以根据需要布置热源危害相对影响小的建筑,如消防水池及废水收集池等。

1.2储罐围堰
单容罐的结构特性需设置围堰,其作用是用来容纳一旦内罐发生泄漏而流出的液体,阻止泄漏范围的扩大。围堰距单容罐内罐的距离要大于或等于储罐最高液位减去围堰高度之后的尺寸加上液面上蒸汽压的当量压头的值之和[2]。即在储罐发生泄漏的时候,围堰有足够的空间容纳泄漏液体。
由于围堰的特殊作用,在设计时应注意以下几点:①围堰的强度能承受拦蓄的LNG全部静水压头。②围堰材料能承受温度骤冷所产生的影响。③围堰能承受预计到的火灾和自然力的影响。④选用热导率较小的材料来建造围堰及罐区场平。一般围
堰采用钢筋混凝土材料建造。

1.3储罐基础
大型立式平底圆筒形储罐的基础有高架式和落地式两种。高架式基础为储罐支撑于伸出地面的桩基承台上,内罐底设置隔热层,以便阻止接触冷态介质的内罐的冷能向基础传递,从而避免由于基础接受冷能后发生冷冻膨胀,对储罐底板产生破坏作用力,影响储罐的安全储存。落地式储罐基础的底部用珍珠岩混凝土与绝热层结构组合构成,基础中间预埋加热管,在管中通入热风或热水或在罐基础上预设电加热器。在储罐运行期间,保持热风热水或电加热装置持续工作,以防止土壤冻胀鼓起损坏储罐。前者的安全性要高一些,后者的加热系统的隔热环节需要进行特殊设计,以便阻断加热系统向储罐漏热,而使得内罐的冷态低温介质气化,防止出现安全事故。
目前,大型立式平底型圆筒储罐多采用高架式的混凝土桩基基础。基础承台由柱桩支撑,可保证空气流通畅通。内罐底部与外罐底部之间设置隔热层,使用玻璃砖及珠光砂混凝土等导热系数小的材料作为支撑层,隔断内罐冷能,即接触LNG的材料为-162℃,而到混凝土承台可以降到常温。中小型LNG储罐多采用柱腿支撑,支撑构件
作为此类储罐漏热的一个主要部分,在储罐设计时需要考虑支撑的隔热措施,一般用玻璃钢或其它具有较小导热系数又具有强度的材料做中间材料,切断内罐和外界的冷热传递。

2储存系统
2.1设计压力
目前用于民用燃气气化站的小型储罐和用于LNG生产装置及调峰型液化装置的子母罐,其内罐设计成压力容器,按GB150—1998《钢制压力容器》附录C设计[4],其设计压力最大为1.8MPa,通常工作压力在0.2～1.0MPa[5]。大型及特大型LNG接受终端用的立式平底圆筒形储罐,按照BSEN1462021—2006《低温工作条件下立式平底圆筒型储罐:第一部分设计、建造、安装和操作通用指南》进行设计,储罐最大设计压力不
超过0.05MPa[6]。立式圆筒型单容罐,国内目前参照API620《大型焊接低压储罐设计与建造》附录Q及上述标准建造,其工作压力0.01MPa,设计正压0.025MPa,内部负压0.0005MPa[7]。

2.2主体(内罐)材料要求
2.2.1材料基本要求
通常LNG储存在-162℃,低温下金属材料的性质较常温状态有很大变化。为保证LNG储罐的安全,选用制造低温储罐的金属材料须考虑以下因素:①常温至-196℃(设计温度)范围内的强度。②在使用温度范围内具有足够的韧性和塑性,以免发生脆性破坏。③稳定的金相结构。④具有良好的加工性和焊接性。⑤价格低廉,且容易采购。⑥适合低温要求的物理性能[8]。
目前,适宜建造LNG储罐内罐的材料主要有9Ni钢,如国产的06Ni9钢、ASTMA553TypeI以及奥氏体不锈钢0Cr18Ni9Ti等。中小型LNG储罐的内罐常用奥氏体不锈钢制造,大型及特大型LNG储罐选用9Ni钢作为内罐的首选材料。

2.2.2低温韧性要求
冲击试验是评定材料低温韧脆性的常用方法,选用9Ni钢作为LNG储罐的主材就需要对9Ni钢板及焊缝做-196℃下的冲击试验,每单个试验值不得小于35J[9]。由于钢材本身的纯净度、微合金化、铸态组织、控制扎制、两相区热处理及焊接磁偏吹都对9Ni钢的焊接及低温韧性有很大影响。对于9Ni钢及焊缝来说,35J试验的单个值相对比较苛刻。采用9Ni钢制造的大型常压LNG储罐,就需要采用适当的焊接工艺,以保证9Ni钢的焊后低温性能指标,从而保证储罐的安全。奥氏体不锈钢的抗拉强度、屈服强度、弹性极限及硬度随温度降低而增大,其冲击值随温度的降低减小较缓慢,奥氏体不锈钢的晶体结构为面心晶格结构,不存在脆性转变温度,在低温下能保证足够的
塑性及韧性。这类钢中含有镍元素,镍为强奥氏体化元素,随着镍含量的增加,钢在低温下的冲击值也增大[7],LNG用奥氏体内罐一般不要求作材料的低温冲击试验[4]。
除了以上的要求外,侧向膨胀量也是考核低温韧性的一项重要指标,一般要求每块试样的侧向膨胀量都不小于0.38mm。

2.3绝热保冷
2.3.1小型储罐的绝热要求
绝热保冷是储罐安全储存的最主要保证措施,小型LNG储罐一般采取真空或真空粉末绝热方式。绝热空间保持一定的真空度,即可消除气体的对流传热。辐射成为这种绝热结构的主要传递通道,故一般对内罐的外表面进行抛光处理,或采用低发射率的材料涂敷表面[6],降低材料表面的发射率来减少辐射传热。除此,真空度的降低会影响绝热效果,焊缝的泄漏及夹层绝热材料的放气都对真空度有很大影响。如何保持真空度也就成为确保LNG储罐安全的必要措施。对于真空绝热容器,一般通过产品的质量保证期的时间反算LNG储罐的最大允许漏率,利用氨渗透或氦质谱检漏等泄漏检测手段检测来保障LNG储罐的安全储存。
2.3.2大、中型储罐的绝热要求
对于中、大型及特大型LNG储罐,从经济技术上考虑,普遍采用普通堆积绝热,即在绝热空间中装填珠光砂。选用一定粒度的珠光砂充填到一定密度,减弱颗粒间的接触传热。为防止绝热材料吸潮而造成性能下降,使绝热材料保持其绝热效果,对绝热空间充入微正压的氮气,可防止潮湿空气渗入夹层。也可以排出夹层中空气,将夹层中的氧含量降至最低,防止LNG泄漏后与氧气混合发生危险。
2.3.3LNG储罐绝热方式确定原则[10]
确定LNG储罐的绝热结构要考虑以下几点:①在保证标准热损的要求下,尽可能减薄绝热层。②绝热材料不应使管道和设备受到腐蚀。③绝热体要有适宜的粒径和充装密度,这样才能确保绝热效果,更有效地保障LNG储罐的安全储存。
2.4接管绝热
工艺管道是储罐必不可少的一部分,连接内罐和外界介质源。介于夹层中的管道有绝热空间的保冷作用,但对于管道与外容器连接部位,就要考虑连接处的保冷及结构的合理。管道材料在LNG工作温度-162℃下会发生冷收缩,需要在管道上设置波纹膨胀节进行冷收缩补偿,受绝热空间绝热材料的影响,补偿结构要设置在外罐外侧。同时在管道
和膨胀节的间隙填充隔热材料,阻断通过此连接环节的漏热,可以解决储罐储存中接管漏热的问题。

3LNG储罐允许充装量、液位控制系统及其他
3.1最大允许充装量
通常LNG储罐设计有最高液位,要控制储罐内的液位不超过此限。因此,在充装LNG时,应考虑到液体受热后的体积膨胀而出现液位超高的情况。这就需要根据充注时液体的具体情况来确定,
如果充注的LNG相对于储存压力来说是已经膨胀了的LNG,则可以充注到最高液位,反之则应留有适当的空间允许液体膨胀[11]。一般可根据储罐泄放阀设定的工作压力和充注时气相空间的压力来确定允许的实际充装量。
3.2液位控制系统
LNG储罐液位控制系统应设置正常最高工作液位、高液位报警、高高液位报警并切断、最高允许液位4组液位控制方式。其中最高允许液位小于罐壁顶部或者低于溢流口,4组液位控制方式形成阶梯式的过量充液预防保护系统。为防止仪表的失效风险,储罐上分别设2套独立的液位测量仪表,仪表选型时要考虑密度的变化。
液位控制系统不仅能就地显示,还具有远传功能,其信号可以远传至控制室进行操作。即高液位报警和高高液位报警与切断保护设施联控,可以在LNG充装到此液位限定值后,控制信号直接驱动进液管道上的自动阀来达到关闭。
3.3温度测量
3.3.1介质温度测量
LNG的密度差异等会造成充装过程的分层和涡旋等不利现象。内罐的外罐壁不同高度设置测量介质温度的热电偶,可以将不同储存深度的LNG的温度信息反馈出来,使操作者采取合适的充装程序,同时也监测温度差异,以抑制分层的现象发生。如LNG源温度较罐内储存LNG介质温度高时,可以从下进液管进行充注,罐内介质对充入LNG源起降温作用。反之,则从上进液管充装,LNG源介质可对罐内形成的气相蒸气起冷却作用。
3.3.2绝热空间温度测量
绝热空间的四周、顶部及底部分散布置着测温装置。绝热层暖侧和冷侧及过渡空间中的测温装置可监测异常的温度变化,以便判断绝热体是否受潮或松散而存在漏热等。内罐底部设置的温度传感器,尤其对采用罐底有加热系统的立式平底型圆筒储罐来说,不仅可监测储罐底部是否存在异常反应,同时可以监测加热装是否存在漏热。底部加热器为周期性的工作模式,当温度传感器达到最低设定温度后,即内罐冷能即将传递到基础时,可以通过自动控制系统启动加热系统,直至温度传感器达到最高设定温度而保护基础结构。
3.4正压及负压的泄放和解除
3.4.1内罐正压泄放

为保证内罐的压力泄放和解除,内罐应该设置正压安全泄放阀和负压解除阀,这两种阀门应该分开设置。对于储罐,热量进入引起液体的蒸发、充注期间液体的闪蒸、大气压的下降等都能引起罐内压力的上升[12]。内蒸汽压力达到泄压阀设定的压力时,泄压阀开启,对内罐起安全保护作用。低温储罐宜采用先导式泄压阀,这种泄压阀在内部压力达到设定值之前可以紧密关闭,在超过设定压力后完全开启,此结构的阀要么完全截止,要么完全开启,可以防止阀座结冰,而且先导阀抗大气压力工作,其设定压力不随背压变化[8]。储罐泄压阀应该一备一用,即安装2块相同泄放能力的泄压阀,为了避免不必要的浪费,从经济上考虑,2个安全阀的压力值设定依次成增加趋势,但最大设定值不得超过内罐的设计压力。
3.4.2外罐负压解除
在快速进行排液或抽气时,有可能使罐内形成负压,就需要开启负压解除阀补充LNG蒸气或氮气,而不会由于负压而出现罐体变形。这就需要在外罐顶部设置负压解除阀,同样,负压解除阀需要至少设置2处。负压解除阀一般与供氮装置连通,根据罐内需要进行补充,在储罐设计时需要规定充装和排液的最大流速,以便减少泄压阀的工作。

4结语
由于LNG的性质及低温绝热储罐的特殊要求,对于设计体积大小不同的地上金属单容LNG储罐,要把储罐的安全设计放在第一位,根据不同的使用工况和要求,确定合理的绝热结构、选用合适的支撑隔热结构、选用合适的主体材料并制定主体材
料制造、安装过程中的技术要点。这样才能有针对性地完善LNG储罐的安全设计。
LNG是一种清洁、高效能源,其占有的市场份额越来越大,LNG储罐也将有更大的市场需求。储罐设计关系到设备的本质安全,所以有关设计、制造、操作和火灾预防等方面的安全问题,要严格执行有关标准、规定,还应根据每台设备的特点、设计参
数及相关要求全面综合考虑分析,进行更合理、更优的设计,确保LNG储罐的安全。