LNG雙金屬全容儲(chǔ)罐關(guān)鍵技術(shù)

王榮華，王芳云，張丹清

辰一（上海）石油天然氣工程技術(shù)有限公司，上海 200122

根據(jù)國(guó)家“產(chǎn)供儲(chǔ)銷(xiāo)”體系建設(shè)要求，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)天然氣年度消耗量屢創(chuàng)新高。2018年，國(guó)內(nèi)天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)2 803×108m3，2019年表觀消費(fèi)量預(yù)計(jì)將達(dá)到3 100×108m3。在諸多利好政策的刺激和帶動(dòng)下，LNG低溫儲(chǔ)存技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。其中，雙金屬全容儲(chǔ)罐以其儲(chǔ)存壓力小、儲(chǔ)存容積大、占地面積小、本質(zhì)安全性高等優(yōu)點(diǎn)在中小型接收站、調(diào)峰儲(chǔ)配站以及液化工廠中有著其他儲(chǔ)存設(shè)備無(wú)法替代的作用。

雙金屬全容儲(chǔ)罐作為國(guó)內(nèi)最近幾年研發(fā)出來(lái)的一種新產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)形式不盡相同。相比較于其他結(jié)構(gòu)形式的金屬全容罐，雙層壁結(jié)構(gòu)具有標(biāo)準(zhǔn)符合度高、成本相對(duì)低、建造周期短等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為建設(shè)方的首選金屬全容罐罐型。

1 雙金屬全容儲(chǔ)罐

在國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中[1-4]，對(duì)金屬全容罐的結(jié)構(gòu)及部件選材有明確規(guī)定。圖1為雙金屬全容儲(chǔ)罐的典型結(jié)構(gòu)示意。該儲(chǔ)罐系統(tǒng)包括一個(gè)能儲(chǔ)存低溫液體的金屬主容器和一個(gè)具有液體和蒸發(fā)氣密封功能的金屬次容器。當(dāng)?shù)蜏匾后w從主容器泄漏時(shí)，次容器應(yīng)既能容納低溫液體，又能控制蒸發(fā)氣的排放。

圖1 雙金屬全容罐結(jié)構(gòu)示意

限于行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平，雙金屬全容儲(chǔ)罐在應(yīng)用于LNG領(lǐng)域之前，在液化溫度較高的介質(zhì)中已有大規(guī)模應(yīng)用，如LPG、液氨等介質(zhì)，這為后續(xù)金屬全容罐在LNG領(lǐng)域的應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。截止到2019年10月，國(guó)內(nèi)雙金屬全容儲(chǔ)罐的應(yīng)用業(yè)績(jī)已達(dá)十余臺(tái)，儲(chǔ)罐容積從5 000 m3到30 000 m3不等。目前，這些儲(chǔ)罐運(yùn)行狀況良好，性能可靠。

2 關(guān)鍵技術(shù)

雙金屬全容儲(chǔ)罐作為一種全新產(chǎn)品，考慮到其儲(chǔ)存的介質(zhì)大多為易燃、易爆、有毒介質(zhì)，其安全性顯得尤為重要。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展和優(yōu)化，雙金屬全容儲(chǔ)罐已逐步形成了屬于自身的一系列關(guān)鍵技術(shù)，如材料選擇、地震設(shè)計(jì)、熱角保護(hù)設(shè)計(jì)、絕熱設(shè)計(jì)、主容器錨帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)設(shè)計(jì)以及其建造技術(shù)等。

2.1 主體材料選擇

鑒于雙金屬全容儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的特殊性，材料選擇是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。正常操作工況下，主容器用于盛裝低溫LNG介質(zhì)。當(dāng)主容器出現(xiàn)泄漏時(shí)，次容器應(yīng)能盛裝低溫液體。這就要求與低溫液體接觸的材料均能承受-163℃左右的低溫。

目前，用于雙金屬全容儲(chǔ)罐的耐低溫材料主要有奧氏體不銹鋼S30408和9%Ni鋼。在選擇何種材料時(shí)，需根據(jù)儲(chǔ)罐容積綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、材料的強(qiáng)度以及熱膨脹系數(shù)[5]。對(duì)于容積在30 000 m3以下的儲(chǔ)罐，可選用不銹鋼S30408作為耐低溫部件的材料；而對(duì)于容積在30 000 m3以上的儲(chǔ)罐，由于直徑較大，如果耐低溫部件仍采用不銹鋼S30408，冷態(tài)時(shí)產(chǎn)生的低溫收縮變形非常大，難以滿足設(shè)計(jì)要求，需采用熱膨脹系數(shù)較小的9%Ni鋼材料。表1為推薦的雙金屬全容儲(chǔ)罐主體材料選擇表。其中，與低溫氣體接觸的懸頂材料可選用不銹鋼S30408或鋁合金5083-O。與環(huán)境接觸的拱頂框架、拱頂板及承壓環(huán)可選用滿足環(huán)境溫度要求的碳鋼材料。

2.2 地震設(shè)計(jì)

地震設(shè)計(jì)不僅是雙金屬全容儲(chǔ)罐的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，更是整個(gè)建筑行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。由于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地震設(shè)計(jì)的要求不盡相同，考慮到各設(shè)備廠家技術(shù)水平的差異性以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解深度的差異性，對(duì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的工況的理解也不盡相同。

基于標(biāo)準(zhǔn)要求，雙金屬全容儲(chǔ)罐地震設(shè)計(jì)需考慮以下工況：操作基準(zhǔn)地震（OBE或OLE）、安全停運(yùn)地震（SSE或CLE）、強(qiáng)震后余震級(jí)地震（ALE）。

對(duì)于操作基準(zhǔn)地震及安全停運(yùn)地震工況，需重點(diǎn)評(píng)估儲(chǔ)罐的錨固設(shè)計(jì)、晃液波高、抗滑移能力、管道柔性、筒體軸向壓縮、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、基礎(chǔ)載荷以及底部絕熱層強(qiáng)度等。

表1 雙金屬全容儲(chǔ)罐的主體材料選擇

對(duì)于強(qiáng)震后余震級(jí)地震工況，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求需假設(shè)主容器已不存在，而且所有液體完全由次容器容納，此工況需重點(diǎn)評(píng)估次容器各部件及其錨固的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、基礎(chǔ)載荷等。

2.3 熱角保護(hù)設(shè)計(jì)

熱角保護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮的工況包括：操作、泄漏和完全泄漏下的ALE地震（強(qiáng)震后余震級(jí)地震）。借鑒預(yù)應(yīng)力混凝土全容儲(chǔ)罐熱角保護(hù)結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)解決方案采用金屬熱角保護(hù)和二次金屬底，前提是需要系統(tǒng)解決其強(qiáng)度、柔性、液密性、壓力平衡、隔冷等諸多問(wèn)題。

熱角保護(hù)系統(tǒng)位于主容器與次容器底部的夾層空間，由筒體、底板以及熱角保護(hù)筒體與次容器筒體環(huán)形夾層空間內(nèi)的絕熱層組成，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。熱角保護(hù)筒體上部設(shè)有柔性補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，熱角保護(hù)筒體與次容器筒體形成的環(huán)形空間內(nèi)有絕熱層，其厚度一般為300 mm，用于防止在主容器發(fā)生泄漏時(shí)導(dǎo)致大角焊縫處產(chǎn)生巨大的溫差應(yīng)力。熱角保護(hù)底板用于盛裝泄漏工況下流入底部的低溫液體，并通過(guò)熱角保護(hù)底板與次容器底板夾層的泡沫玻璃磚隔絕冷量的傳遞，以保證次容器下部處于正常的工作溫度區(qū)間。

2.4 絕熱設(shè)計(jì)

圖2 熱角保護(hù)結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)罐的絕熱性能直接影響到儲(chǔ)罐的運(yùn)行費(fèi)用和安全可靠性。雙金屬全容儲(chǔ)罐的罐體絕熱系統(tǒng)包括底部絕熱層、筒體夾層、懸頂絕熱層三個(gè)部分，如圖3所示。

圖3 絕熱系統(tǒng)

2.4.1 底部絕熱層

底部絕熱層用于隔絕底部導(dǎo)入的熱量，并承受主容器和介質(zhì)的重量，主要由泡沫玻璃磚、瀝青氈、混凝土圈梁、混凝土找平層等組成。對(duì)于主容器筒體正下方承壓大的環(huán)形區(qū)域，采用配不銹鋼鋼筋混凝土圈梁來(lái)分配負(fù)荷。

儲(chǔ)罐底部絕熱層自上而下依次為：主容器底板→混凝土找平層→泡沫玻璃磚及混凝土圈梁→混凝土找平層→熱角保護(hù)層底板→混凝土找平層→泡沫玻璃磚→混凝土找平層→次容器底板。為保證玻璃磚的整體性及平整度，混凝土找平層與泡沫玻璃磚之間、泡沫玻璃磚層與層之間需鋪設(shè)瀝青氈。

2.4.2 筒體夾層絕熱

筒體夾層絕熱由纏繞在主容器筒體上的彈性氈和膨脹珍珠巖兩部分組成。彈性氈既有絕熱作用，又可用于緩沖膨脹珍珠巖施加的側(cè)壓力，從而保證外壓下的穩(wěn)定性。為保證膨脹珍珠巖的絕熱性能，采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡、機(jī)械裝填方式，裝填過(guò)程中嚴(yán)格控制振實(shí)密度、含水率等指標(biāo)。

2.4.3 懸頂絕熱層

為防止主容器頂部冷量對(duì)次容器拱頂產(chǎn)生冷輻射，保證主容器頂部具有良好的絕熱性能，減少因頂部漏熱對(duì)儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率的影響，在懸頂板上鋪設(shè)若干層玻璃纖維棉，鋪設(shè)完成后的總厚度≥800 mm。

2.5 主容器錨帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主容器錨固裝置（見(jiàn)圖4）需要依次穿過(guò)次容器底板、熱角保護(hù)層底板，并最終與主容器筒體相連。該結(jié)構(gòu)由上、下兩部分組成，下部預(yù)埋在基礎(chǔ)承臺(tái)內(nèi)部，上部與主容器筒體通過(guò)柔性結(jié)構(gòu)連接在一起。主容器錨固頂部通過(guò)焊接在錨帶上端的卡板與焊接在筒體墊板上的橫板形成全平面接觸，以確?？煽窟B接。由于主容器錨帶要分別穿過(guò)次容器底板邊緣板和熱角保護(hù)層底板邊緣板，需在錨帶中部設(shè)置套筒，并設(shè)置波紋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，以降低錨帶與底板連接處的應(yīng)力，并提高錨帶的可靠性。

圖4 主容器錨帶結(jié)構(gòu)

2.6 氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐在投用前，需對(duì)罐內(nèi)進(jìn)行氮?dú)獯祾?，以置換出水汽和其他雜質(zhì)氣體。吹掃系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮能否形成完整回路，還需重點(diǎn)考慮主容器底部、底部絕熱層、筒體夾層、熱角保護(hù)層等部位，以確保儲(chǔ)罐各位置的吹掃置換效果，并維持保溫材料的干燥。吹掃系統(tǒng)的示意如圖5所示，其工作原理如下：其一，主容器底部設(shè)置氮?dú)獯祾攮h(huán)作為吹掃進(jìn)氣管，在次容器頂部設(shè)置一路氮?dú)獯祾吖茏鳛橹魅萜骱蛻翼攰A層的排氣管，同時(shí)在筒體夾層下部設(shè)置一路氮?dú)獯祾攮h(huán)管作為筒體夾層排氣管，分別形成主容器內(nèi)部與環(huán)形夾層空間的吹掃回路；其二，在底部絕熱層與熱角保護(hù)底部絕熱層分別設(shè)置一路氮?dú)獯祾哌M(jìn)氣管和兩路氮?dú)獯祾吲艢夤?，進(jìn)氣管與排氣管形成吹掃回路。

合理的吹掃系統(tǒng)，除了能夠保證吹掃徹底，還能保證最少的吹掃時(shí)間以及吹掃的經(jīng)濟(jì)性，從而減少工期、降低成本。

圖5 氮?dú)獯祾吖艿朗疽?/p>

2.7 建造技術(shù)

由于雙金屬全容儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的特殊性，其建造工藝與常規(guī)的雙金屬單容儲(chǔ)罐有所不同，目前常用的建造工藝為“廠內(nèi)深度預(yù)制與現(xiàn)場(chǎng)組焊”相結(jié)合的方法。圖6為雙金屬全容儲(chǔ)罐的通用建造流程，該流程采用的是目前國(guó)內(nèi)常用的倒裝提升法，適用于50 000 m3以下容積儲(chǔ)罐。對(duì)于容積超過(guò)50 000 m3的儲(chǔ)罐，建議采用正裝法。

圖6 雙金屬全容儲(chǔ)罐的通用建造流程

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著LNG領(lǐng)域相關(guān)規(guī)范[6]和政策的相繼出臺(tái)，雙金屬全容儲(chǔ)罐在中小型接收站、調(diào)峰儲(chǔ)配站及液化工廠等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其關(guān)鍵技術(shù)的研究也相繼得到了突破。提高對(duì)LNG雙金屬全容儲(chǔ)罐關(guān)鍵技術(shù)的了解和認(rèn)識(shí)，加快我國(guó)低溫儲(chǔ)存設(shè)備自主設(shè)計(jì)和建造的步伐，將對(duì)振興國(guó)產(chǎn)制造業(yè)有著重大意義。