LNG工藝罐體保冷絕熱結(jié)構(gòu)及絕熱層厚度驗(yàn)算

齊國慶，辛培剛，李祥民，許東，楊海軍，戴亮，仲光華

（海洋石油工程股份有限公司， 山東 青島 266520）

液化天然氣（LNG）是將從氣田中開采出的可燃?xì)怏w（主要成分為甲烷）經(jīng)壓縮，并在混合制冷劑的作用下，除去其中CO2、硫化物、重?zé)N、水等雜質(zhì)后，最終得到-162℃液態(tài)形式的天然氣。液化體積約為相同質(zhì)量的天然氣體積的1/620，重量約為同體積水的45%左右。作為一種可持續(xù)發(fā)展的清潔能源，國內(nèi)企業(yè)開始承接越來越多的LNG模塊建造項(xiàng)目。工藝處理模塊中涉及眾多工藝管線和罐體設(shè)備，采用一種安全高效的保冷絕熱系統(tǒng)，從而保證整個(gè)工藝處理系統(tǒng)處于合理操作溫度內(nèi)，對(duì)于工藝處理和裝置安全有著重要影響。

1 保冷絕熱材料

1.1 保冷絕熱材料選用原則

選用保冷絕熱材料時(shí)，應(yīng)從易燃度、吸氣率、絕熱材料對(duì)潮氣的敏感性、溫度梯度、低溫性能等幾方面予以考慮。LNG保冷材料的性能必須滿足以下幾個(gè)方面：

（1）耐腐蝕、抗老化、化學(xué)性質(zhì)長期穩(wěn)定；（2）絕熱性能良好，具有明確的導(dǎo)熱系數(shù)圖表；（3）超低溫和常溫交變時(shí)尺寸穩(wěn)定性好；（4）超低溫和常溫條件下均能達(dá)到一定的機(jī)械強(qiáng)度；（5）具有一定的阻燃性能。

綜合來看，目前國內(nèi)外主流的LNG保冷材料有兩類：一類是以泡沫玻璃（CG）、聚異氰脲酸酯泡沫（PIR）為代表的硬質(zhì)保冷材料；另一類是以發(fā)泡彈性體（FEF）、氣凝膠為代表的柔性保冷材料。根據(jù)ASTM C552的定義，CG是以玻璃為原料并輔以發(fā)泡劑、改性添加劑和發(fā)泡促進(jìn)劑等，經(jīng)過細(xì)粉碎和均勻混合后，再經(jīng)過高溫熔化、發(fā)泡、退火等工藝制造而成。CG結(jié)構(gòu)中充滿封閉的玻璃薄膜氣孔，具有吸水率小、水蒸氣透濕系數(shù)極低、線膨脹系數(shù)小、不燃燒、安全使用溫度范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是易脆、耐磨性差、導(dǎo)熱系數(shù)稍高。泡沫玻璃主要參數(shù)見表1。

表1 泡沫玻璃參數(shù)表

8-160℃：max7×10-6m/(mK)9 彈性模量參數(shù)E值 +23℃：≥800MPa all directions ASTM C623 10 泊松比 -165℃：≤0.4 N/A 11 耐火性 Non combustible BS 476

2 LNG工藝罐體保冷絕熱結(jié)構(gòu)

LNG工藝模塊罐體設(shè)備保冷絕熱結(jié)構(gòu)如圖1所示，從里往外分為絕熱層、防潮層和外護(hù)層，根據(jù)操作溫度，絕熱系統(tǒng)采用單層或者多層泡沫玻璃，為阻止水汽進(jìn)入，在絕熱層外表面安裝防潮層，以防止絕熱層內(nèi)結(jié)冰；最外層采用不銹鋼外護(hù)板覆蓋，其優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度性能可有效保護(hù)內(nèi)層絕熱材料。

2.1 絕熱結(jié)構(gòu)支撐和絕熱層錯(cuò)縫處理

泡沫玻璃/金屬外護(hù)層均采用不銹鋼綁帶進(jìn)行固定，并且在罐體上焊接支撐環(huán)，從而支持絕熱材料自重并保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。以立式罐體為例，絕熱材料支撐環(huán)寬度應(yīng)比總絕熱厚度大10～30mm左右，下面第一個(gè)支撐環(huán)設(shè)置在封頭與筒體過渡切線上部600mm位置，第二個(gè)支撐環(huán)設(shè)置在第一個(gè)支撐環(huán)上面3m處，后續(xù)支撐環(huán)可據(jù)此距離進(jìn)行設(shè)置。保冷絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)溫度不同可采用多層絕熱形式，為了保證絕熱效果，所有多層絕熱的環(huán)向接縫應(yīng)進(jìn)行錯(cuò)縫，相鄰絕熱結(jié)構(gòu)層應(yīng)壓縫處理，該錯(cuò)縫處理方式能夠有效地減少連續(xù)接縫，提高絕熱效果和絕熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。

2.2 伸縮縫典型結(jié)構(gòu)

由于LNG罐壁與絕熱材料具有不同的線膨脹系數(shù)和收縮率，可在設(shè)備支撐環(huán)下部設(shè)置伸縮縫（最底部支撐環(huán)除外），當(dāng)使用泡沫玻璃絕熱材料時(shí)，可采用彈性玻璃纖維棉進(jìn)行填充，彈性玻璃纖維棉需要壓縮至75%，對(duì)于單層絕熱，伸縮縫位置應(yīng)安裝雙層絕熱，第二層應(yīng)與第一層絕熱厚度相同，并且伸縮縫延展至少75mm。對(duì)于多層絕熱，在伸縮縫外額外安裝一層絕熱層。該絕熱層厚度可與最外層絕熱厚度相同，伸縮縫的防護(hù)層應(yīng)為1.2mm厚的丁基橡膠板，橡膠板的長度為伸縮縫長度+100mm，橡膠板在中間設(shè)置兩處折疊（高度為6mm），搭接處用粘接劑進(jìn)行粘接，兩端采用綁帶進(jìn)行固定，橡膠板防護(hù)層應(yīng)安裝在防潮層上面，用密封膠密封，從而防止水汽進(jìn)入。伸縮縫典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 LNG典型工藝罐體保冷絕熱結(jié)構(gòu)

3 絕熱層厚度驗(yàn)算

3.1 通過表面冷損失計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)算

以某項(xiàng)目一臺(tái)40m3低壓混合制冷劑吸入罐為例，技術(shù)參數(shù)如表2。

圖2 典型伸縮縫絕熱結(jié)構(gòu)

表2

介質(zhì)密度 514kg/m3絕熱類型 Cold insulation設(shè)計(jì)絕熱厚度 160mmCG

罐體內(nèi)低壓混合制冷劑視為穩(wěn)態(tài)流的液體介質(zhì)，其散熱量損失：

其中：q —散熱量損失，即從外界進(jìn)入的熱流量，W/m；

ts—絕熱層表面溫度，℃；

ta—罐體表面溫度（近似為介質(zhì)操作溫度），℃；

R0—罐體表面半徑，mm；

R1—絕熱層的外表面半徑，mm；

δ —絕熱層的厚度，mm。

該項(xiàng)目環(huán)境最低溫度為-36℃，最高溫度為15℃，相對(duì)濕度為90%，從濕焓圖可獲得其表面允許的最低溫度ts為14.05℃。其設(shè)計(jì)操作溫度ta為-38.2℃，泡沫玻璃絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)λ1為0.058W/(m·K)，罐體外徑R0為1400mm，絕熱厚度δ=160mm，將以上結(jié)果代入式（1），得q=40.2W/m，換算成單位面積的散熱量損失為25.48/（2π0.4136）=15.5W/m2。

此項(xiàng)目設(shè)計(jì)最大散熱量損失為25W/m2，故泡沫玻璃采用160mm絕熱厚度滿足項(xiàng)目要求。

3.2 用表面溫度法計(jì)算絕熱層絕熱厚度

以某項(xiàng)目直徑1.2m球形容器為例，采用表面溫度法進(jìn)行計(jì)算：

該項(xiàng)目環(huán)境最低溫度為-16℃，最高溫度為25℃，相對(duì)濕度為90%，從濕焓圖可獲得其表面允許的最低溫度ts為12℃。其設(shè)計(jì)操作溫度t為-4.7℃，泡沫玻璃絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)λ1為0.058W/(m·K)，罐體外徑R0為1200mm，α取值為1.45W/(m·K)。

將以上結(jié)果代入式（2），得δ=72mm，考慮20%余量，圓整后可選用90mm厚泡沫玻璃。

此項(xiàng)目規(guī)格書中采用100mm厚泡沫玻璃進(jìn)行絕熱，能夠滿足絕熱要求。

其中，δ —絕熱層的厚度，m；

λ —絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

α —絕熱層外表面向大氣的換熱系數(shù)，W/(m·K)；

t —罐體表面溫度（近似為介質(zhì)操作溫度），℃；

ts—絕熱層外表面溫度，℃；

ta—環(huán)境溫度，℃；

R0—罐體表面半徑，mm；

R1—絕熱層的外表面半徑，mm。4 結(jié)論

（1）本文闡述的工藝罐體保冷絕熱結(jié)構(gòu)能夠有效地減少周圍環(huán)境中熱量傳入罐體設(shè)備內(nèi)部，保證罐體設(shè)備內(nèi)介質(zhì)處于允許的運(yùn)行溫度區(qū)間。

（2）根據(jù)式（2）計(jì)算表面冷損失；根據(jù)式（3）計(jì)算絕熱層厚度；在具體的項(xiàng)目建造過程中，由于存在施工誤差，可能造成實(shí)際絕熱層空間小于設(shè)計(jì)空間，當(dāng)修改困難時(shí)，可以根據(jù)計(jì)算所得厚度余量判斷實(shí)際絕熱層空間是否滿足絕熱要求，從而減少大量修改造成的人力物力及時(shí)間成本。