大型LNG混凝土全容罐罐底絕熱用承壓泡沫玻璃磚

蘇展 揚帆 郭琦 許佳偉

（中海石油氣電集團有限責任公司，北京 10028）

關鍵字：LNG；全容罐；絕熱材料；承壓；泡沫玻璃磚

1 前言

液化天然氣（LNG）是一種-160℃的低溫常壓液體，LNG儲罐是LNG接收站中的存儲單元，承擔LNG貨物儲轉(zhuǎn)的關鍵功能，LNG儲罐包括單容罐、雙容罐、全容罐、薄膜罐等類型，其中LNG混凝土全容罐因其安全性和經(jīng)濟性成為世界上絕大多數(shù)LNG接收站配套存儲單元的主流類型[1]。大型LNG全容儲罐的凈容積在16×104m3以上，超大型LNG儲罐可達到30×104m3[2]。由于LNG儲罐沒有主動制冷功能，主要靠絕熱系統(tǒng)維持深冷狀態(tài)，其中作為罐底主要絕熱材料的泡沫玻璃磚，需要承載整個LNG全容罐的九鎳鋼內(nèi)罐及裝填LNG荷載，關乎LNG儲罐的絕熱性能和結(jié)構性能，是影響LNG儲罐工程質(zhì)量的關鍵材料之一。

2 LNG全容罐罐底絕熱系統(tǒng)設計

LNG混凝土全容罐由直接接觸盛裝低溫LNG的九鎳鋼內(nèi)罐主容器和具有氣-液密性的混凝土外罐次容器組成。主容器和次容器之間為儲罐絕熱系統(tǒng)，對內(nèi)外罐起絕熱保護作用。LNG全容罐絕熱系統(tǒng)的主要絕熱材料包括罐底泡沫玻璃磚、內(nèi)罐壁側(cè)彈性玻璃棉氈、內(nèi)外罐壁環(huán)形空間膨脹珍珠巖粉末、吊頂玻璃棉等，見圖1。

圖1 LNG混凝土全容罐絕熱系統(tǒng)示意圖

罐底絕熱系統(tǒng)位于九鎳鋼內(nèi)罐底板以下、碳鋼外罐底板以上部位，見圖2，自下而上分別由混凝土找平層、泡沫玻璃磚、瀝青氈夾層、混凝土承壓環(huán)梁、填縫玻璃棉、干砂找平層和九鎳鋼二次底板等組成，其中起主要絕熱作用的材料是泡沫玻璃磚。

圖2 LNG混凝土全容罐罐底絕熱系統(tǒng)示意圖[3]

罐底絕熱用泡沫玻璃磚除了滿足-168℃的耐低溫設計溫度，還需要承載上部主容器的荷載，因此要求具有一定的承壓能力。泡沫玻璃磚是脆性材料，應根據(jù)許用應力理論進行罐底絕熱系統(tǒng)力學承壓能力校核，并考慮正常操作、水壓試驗、操作基準地震（OBE）、安全停運地震（SSE）等四種工況下對許用抗壓強度的要求。LNG儲罐罐底泡沫玻璃磚一般分為邊緣區(qū)域和中心區(qū)域兩部分，邊緣區(qū)域的泡沫玻璃磚需額外承受內(nèi)罐壁板和承壓環(huán)梁的荷載，因此需要選用更高抗壓強度的規(guī)格。

泡沫玻璃磚的絕熱性能與其獨特的內(nèi)部封閉微小氣孔結(jié)構有關，每個氣孔的直徑約1mm~2mm，絕熱用泡沫玻璃磚的體積閉孔率一般超過80%。高強度泡沫玻璃磚為了提高承載能力，需要加強材料內(nèi)部的支撐結(jié)構，閉孔率相對減小，質(zhì)地相對偏硬，密度相對偏大，絕熱性能相對減弱。因此，LNG儲罐罐底絕熱系統(tǒng)設計時，需要綜合密度、抗壓強度和導熱系數(shù)的相互關系進行泡沫玻璃磚選型，常見的LNG全容罐罐底泡沫玻璃磚規(guī)格見表1。

表1 LNG混凝土全容罐罐底承壓泡沫玻璃磚常見規(guī)格和參數(shù)指標

3 承壓泡沫玻璃磚生產(chǎn)工藝

泡沫玻璃磚由玻璃顆粒添加發(fā)泡劑和添加劑后高溫熔化、發(fā)泡、退火而成。生產(chǎn)原料可以是成本較低的廢棄碎玻璃，也可以是利用石英砂、長石、白云石、純堿等按一定配比高溫熔制、均勻無氣泡的純玻璃[4]。LNG儲罐承壓用泡沫玻璃磚的生產(chǎn)一般執(zhí)行ASTM C552標準，采用自制高溫玻璃液水淬形成的直徑約5mm的玻璃顆粒為原料，烘干到含水率低于0.01%后，加入以炭黑為原料的發(fā)泡劑利用球磨機進行混合，再裝入模盒中填料并振實，送入高溫發(fā)泡窯完成預熱、燒結(jié)、發(fā)泡、冷卻，脫模后進入退火窯退火降溫和消除應力，退火后的泡沫玻璃毛坯按照制作要求切割成不同尺寸的泡沫玻璃磚，見圖3。目前的泡沫玻璃生產(chǎn)線包括烘干機、球磨機、配料輸送系統(tǒng)、模盒循環(huán)系統(tǒng)、發(fā)泡窯、退火窯、自動切割機、除塵系統(tǒng)等，已經(jīng)發(fā)展到第5代泡沫玻璃磚生產(chǎn)線[5]，可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、流水線切割和塑封包裝。

圖3 泡沫玻璃磚生產(chǎn)工藝流程示意圖

4 承壓泡沫玻璃磚出廠檢驗要求

LNG儲罐項目對泡沫玻璃磚供貨需求量大，需要采用有效的抽樣檢驗方案，確保出廠檢驗的質(zhì)量控制水平。

LNG儲罐用承壓泡沫玻璃磚的一般性能指標包括抗折強度、體積吸水率、透濕系數(shù)、燃燒性能等，以上參數(shù)比較穩(wěn)定，一般不作為每批次出廠產(chǎn)品的出廠檢驗項目，但廠家進行正常生產(chǎn)時，應每年至少一次進行型式檢驗，并向買方提供檢驗報告[6]。

泡沫玻璃磚的關鍵性能指標包括導熱系數(shù)和抗壓強度，應針對每個驗收批次制定專門的出廠檢驗試驗計劃?？紤]泡沫玻璃磚的發(fā)泡制作工藝下同一規(guī)格的泡沫玻璃磚的導熱系數(shù)和抗壓強度值在一定的控制范圍內(nèi)服從正態(tài)分布，根據(jù)ASTM C552對泡沫玻璃磚出廠檢驗的要求[7]，應分別對導熱系數(shù)和抗壓強度指標按照ISO3951的規(guī)定采用以接收質(zhì)量限（AQL，Acceptance Quality Limit，指抽樣檢驗時可接受的最低平均不合格品率）為索引的s法的驗收抽樣方案。S法是使用標準差的計量驗收抽樣方法，根據(jù)驗收批次產(chǎn)品的數(shù)量，按照指定的檢驗水平等級和可接收的AQL值通過ISO3951[8]確定抽樣樣品量大小和接收常數(shù)k，并以樣品的平均值、允許極限值和標準差三個值計算計量檢驗的評判指標-質(zhì)量統(tǒng)計量Q,對比Q和k的大小以判斷該檢驗批產(chǎn)品的質(zhì)量是否合格[9]。對于導熱系數(shù)，ASTM C552規(guī)定了取樣數(shù)量符合ISO3951S-3檢驗等級的要求，接收質(zhì)量限AQL取10%。對于抗壓強度,ASTM C552并沒有規(guī)定具體的抽樣檢驗等級和AQL，但考慮到泡沫玻璃磚的承壓屬性，一般抽樣檢驗等級取S-4級，增大樣本量，AQL取1%，可接受的不合格率更為苛刻。根據(jù)上述方法，通過檢索ISO3951查詢的導熱系數(shù)和抗壓強度出廠檢驗要求見表2。

表2 泡沫玻璃磚出廠檢驗導熱系數(shù)和抗壓強度樣本大小及合格判定要求

導熱系數(shù)和抗壓強度質(zhì)量統(tǒng)計量Q的計算公式如下：

式中Qt-驗收批次抽樣的導熱系數(shù)質(zhì)量統(tǒng)計量；

Qc-驗收批次抽樣的抗壓強度質(zhì)量統(tǒng)計量；

-驗收批次抽樣的導熱系數(shù)平均值；

-驗收批次抽樣的抗壓強度平均值；

U-導熱系數(shù)單次允許最大值（表1）；

L-抗壓強度單次允許最小值（表1）；

S-驗收批次抽樣的標準差。

質(zhì)量統(tǒng)計量Q反映的是抽樣統(tǒng)計平均值與單次允許最大值或最小值的絕對值偏差與抽樣統(tǒng)計標準差的商，是一個經(jīng)無量綱化處理后能表征生產(chǎn)質(zhì)量偏差的數(shù)值，Q大于0表示統(tǒng)計平均值滿足最低極限值要求，Q大于表2中所對應的接收常數(shù)k值，表明抽樣統(tǒng)計結(jié)果的允許偏差滿足接收要求。因此，罐底承壓泡沫玻璃磚出廠驗收導熱系數(shù)和抗壓強度檢測合格判定應同時滿足三個條件：①平均值滿足設計要求；②單次極限值滿足設計要求；③計量抽樣的質(zhì)量統(tǒng)計量Q大于對應的接收常數(shù)k值。

以東部沿海某LNG接收站3個LNG儲罐工程為例，根據(jù)施工工序，LNG儲罐罐底絕熱系統(tǒng)施工首先進行邊緣區(qū)域Grade16規(guī)格承壓泡沫玻璃磚的安裝，采購量共520m3，合計17800塊磚。買方代表赴生產(chǎn)廠家見證出廠檢驗，除常規(guī)的外觀、尺寸和密度檢測外，重點進行導熱系數(shù)和抗壓強度計量抽樣檢驗。按照此次采購訂單發(fā)貨的出廠泡沫玻璃磚數(shù)量，結(jié)合表2索引要求，導熱系數(shù)檢測取樣13塊，抗壓強度檢測取樣25塊，檢測結(jié)果如表3所示。對照表1和表2指標進行判別，導熱系數(shù)和抗壓強度的抽樣檢測平均值和單次最值滿足表1要求，質(zhì)量統(tǒng)計量Q>接收常數(shù)k，檢測結(jié)果合格，通過出廠驗收。

5 結(jié)語

LNG混凝土全容罐由主容器和次容器組成，中間為儲罐絕熱系統(tǒng)，對內(nèi)外罐起絕熱保護作用。罐底絕熱系統(tǒng)的主要絕熱材料是泡沫玻璃磚，除了滿足耐低溫設計溫度，還需要承載上部主容器的荷載，因此要求具有承壓能力，特別是邊緣區(qū)域的泡沫玻璃磚需要選用更高抗壓強度的規(guī)格。泡沫玻璃材料由玻璃顆粒添加發(fā)泡劑和添加劑后高溫熔化、發(fā)泡、退火而成，具有封閉氣孔結(jié)構，其關鍵性能指標包括導熱系數(shù)和抗壓強度，應按照ISO3951的規(guī)定進行出廠計量抽樣檢驗，確保出廠檢驗的質(zhì)量控制水平，導熱系數(shù)和抗壓強度合格判定應同時滿足三個條件：平均值滿足設計要求、單次極限值滿足設計要求、計量抽樣的質(zhì)量統(tǒng)計量Q大于對應的接收常數(shù)k值。

表3 Grade16承壓泡沫玻璃磚出廠抽樣檢驗結(jié)果