大型低溫LNG儲罐設(shè)計與建造技術(shù)的新進(jìn)展

王冰陳學(xué)東王國平

1.合肥通用機(jī)械研究院 2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心 3.合肥工業(yè)大學(xué)

大型低溫LNG儲罐設(shè)計與建造技術(shù)的新進(jìn)展

王冰1,2陳學(xué)東1,2王國平3

1.合肥通用機(jī)械研究院 2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心 3.合肥工業(yè)大學(xué)

王冰等.大型低溫LNG儲罐設(shè)計與建造技術(shù)的新進(jìn)展.天然氣工業(yè),2010,30(5):108-112.

天然氣低溫常壓(或低壓)儲存方式因其具有儲存效率高、占地少、儲存規(guī)模易于大型化等優(yōu)點(diǎn)在液化天然氣(LNG)接收終端站、天然氣液化廠和城市燃?xì)庹{(diào)峰系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為此,對國內(nèi)外大型低溫LNG儲罐建造狀況進(jìn)行了調(diào)研,分析了大型低溫LNG儲罐建造技術(shù)的發(fā)展趨勢,同時介紹了我國在大型低溫LNG儲罐材料研發(fā)、絕熱分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工工藝等方面的技術(shù)進(jìn)展。結(jié)論指出:國產(chǎn)06Ni9鋼研制及其配套應(yīng)用技術(shù)研究已取得突破,并在大型LNG項目建設(shè)中投入使用,是我國大型低溫LNG儲罐國產(chǎn)化工作邁出的標(biāo)志性一步。

LNG 大型儲罐 設(shè)計 建造 進(jìn)展 國產(chǎn)化

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.05.028

天然氣低溫常壓(或低壓)儲存方式因其儲存效率高、占地節(jié)約、儲存規(guī)模易于大型化等優(yōu)點(diǎn)在液化天然氣(LNG)接收終端站、天然氣液化廠和城市燃?xì)庹{(diào)峰系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 國內(nèi)外概況

LNG技術(shù)發(fā)展史可以追溯到20世紀(jì)初期。1914年,美國公布首項LNG專利,并建成小型天然氣液化工廠。1939年,Hope天然氣公司在西弗吉利亞建立了一個處理量為1 000 m3/d的天然氣液化工廠,用以研究LNG遠(yuǎn)地運(yùn)輸技術(shù)。1940年,俄亥俄天然氣公司在克利夫蘭建立了處理量為1.13×105m3/d天然氣工廠,制成3臺直徑為17.37 m的LNG球形儲罐。1954年出現(xiàn)了第一臺用于液氧的不銹鋼雙壁絕熱平底低溫儲槽。1958年美國芝加哥橋梁鋼鐵公司在路易安那建造了第一座工業(yè)規(guī)模的LNG儲罐,容積為5 550 m3。從20世紀(jì)50～80年代,雙壁絕熱平底LNG儲罐容積不斷擴(kuò)大:60年代為(1～3)×104m3,70年代為(5～10)×104m3,80年代已超過20×104m3[122]。

日本是世界上建造大型LNG儲罐最多的國家。據(jù)2008年的統(tǒng)計數(shù)據(jù),日本擁有27座大型LNG接收終端站,LNG進(jìn)口量占全球的40%,居世界首位[3]。每個LNG接收終端站都建有數(shù)量不等的LNG儲罐,其中雙壁絕熱平底LNG地面儲罐最大容積已達(dá)20×104m3[4]。另據(jù)報道,日本正計劃在橫濱LNG廠建造25×104m3雙壁絕熱平底LNG地面儲罐。

我國最早建造大型液化氣體儲罐始于20世紀(jì)90年代中期,廣東深圳 2臺 8×104m3液化石油氣(LPG)低溫儲罐和揚(yáng)子石化1×104m3低溫乙烯儲罐即為其中的代表[526]。20世紀(jì)90年代末,上海建造了我國第一臺2×104m3低溫LNG儲罐[7]。2002～2005年合肥通用機(jī)械研究院等單位承擔(dān)原國家經(jīng)貿(mào)委國家“十五”重大技術(shù)裝備研制項目專題“2×104m3液化天然氣儲罐研制”等課題,著重對9%Ni鋼焊接、無損檢測和低溫絕熱材料及結(jié)構(gòu)、LNG儲存安全等進(jìn)行了研究。

進(jìn)入21世紀(jì)以來,中國海洋石油總公司(下稱中海油)、中國石油天然氣集團(tuán)公司(下稱中石油)、中國石油化工集團(tuán)公司(下稱中石化)三大集團(tuán)分別在廣東、福建、浙江、上海、遼寧、江蘇、山東等沿海省份建立或籌劃建立大型LNG接收終端站,其中廣東、福建項目已建成投產(chǎn),江蘇、遼寧項目正在建設(shè)中,山東項目尚在前期規(guī)劃中。上述大型LNG接收終端站中大型低溫LNG儲罐建造情況見表1。

除上述LNG接收終端站外,在天然氣液化領(lǐng)域,新疆廣匯集團(tuán)、中原油田、陜北氣田等小型天然氣液化廠建設(shè)也陸續(xù)展開,其中新疆廣匯集團(tuán)建造了1臺3×104m3的低溫LNG儲罐;在城市燃?xì)庹{(diào)峰領(lǐng)域,上海于2008年又建造了2臺5×104m3的低溫LNG儲罐。

表1 我國LNG接收終端站大型低溫LNG儲罐建造情況統(tǒng)計表

此外,20世紀(jì)初以來,國內(nèi)已建造多臺(1～2)×104m3的低溫乙烯儲罐。目前上海綠堿化工股份有限公司正計劃建造3×104m3的低溫乙烯儲罐。

2 LNG儲罐設(shè)計建造規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

2.1 國外情況

在大型低溫LNG儲罐設(shè)計與建造方面,美國、英國(歐盟)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都分別制定了專門的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。2.1.1 美國

《APISTD 620大型焊接低壓儲罐設(shè)計與建造》;《NFPA 59A液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》;《APISTD 650鋼質(zhì)焊接石油儲罐》。

2.1.2 英國

《BS 777721低溫用平底、立式、圓柱形儲罐—罐儲的設(shè)計、制造、安裝和操作的一般規(guī)定指南》;《BS 777722低溫設(shè)備用平底、立式、圓柱形儲罐—儲存最低溫度達(dá)-165℃液化氣體的單層、雙層和全密封金屬罐的設(shè)計和制造規(guī)范》;《BS 777723低溫用平底、立式、圓柱形儲—預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土罐基礎(chǔ)的設(shè)計和制造及罐內(nèi)襯和罐涂層的設(shè)計和安裝推薦方法》;《BS 777724低溫用平底、立式、圓柱形儲罐—儲存液態(tài)氧、液態(tài)氮和液態(tài)氬的單層密封罐的設(shè)計和制造規(guī)范》。

2.1.3 歐盟

20世紀(jì)初歐盟等效采用BS 7777標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布了歐盟的大型低溫LNG儲罐標(biāo)準(zhǔn):《BS EN 1462021操作溫度在0℃到-165℃之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲罐的設(shè)計與建造—總則》;《BS EN 14620-2操作溫度在0℃到-165℃之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲罐的設(shè)計與建造—金屬構(gòu)件》;《BS EN 1462023操作溫度在0℃到-165℃之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲罐的設(shè)計與建造—混凝土構(gòu)件》;《BS EN 1462024操作溫度在0℃到-165℃之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲罐的設(shè)計與建造—隔熱構(gòu)件》;《BS EN 1462025操作溫度在0℃到-165℃之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲罐的設(shè)計與建造—試驗(yàn)、干燥、除掃和冷卻》。

2.1.4 日本

日本燃?xì)鈪f(xié)會(JGA)制定了如下專門LNG儲罐及設(shè)備設(shè)計與建造規(guī)范:《JGA指2107202液化天然氣(LNG)地下儲罐指南》;《JGA指2108202液化天然氣(LNG)地上儲罐指南》;《JGA指2102203液化天然氣(LNG)接收站設(shè)備指南》;《JGA指2105203液化天然氣(LNG)小型接收站設(shè)備指南》。

2.2 國內(nèi)情況

我國至今尚未頒布專門的大型低溫LNG儲罐設(shè)計與建造規(guī)范。近年來,全國天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會正積極組織力量研究和制訂我國液化天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系,并著手按等效采用英國BS 7777的方式制訂我國的大型低溫LNG儲罐設(shè)計、建造規(guī)范(GB/T),現(xiàn)已公布了征求意見稿。此外,國內(nèi)在LNG儲存、運(yùn)輸與小型低溫絕熱液化氣體儲罐、現(xiàn)場儲罐施工方面頒布了如下幾個相關(guān)標(biāo)準(zhǔn):《GB/T 20368液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)(等效采用美國 NFPA 59A)》;《SY/T 0608大型焊接低壓儲罐的設(shè)計與建設(shè)(等效采用美國APISTD 620)》;《SY/T 6711液化天然氣接收站安全技術(shù)規(guī)程》;《GB 18442低溫絕熱壓力容器》;《JB/T 9072固定式真空粉末絕熱低溫液體貯槽》;《JB/T 5905真空多層絕熱低溫液體容器》;《SH/T 3537立體式圓筒形低溫儲罐施工技術(shù)規(guī)程》。

3 內(nèi)罐用低溫材料

目前,低溫LNG儲罐主要采用雙壁絕熱立式圓筒平底結(jié)構(gòu),按其容積通常如表2所示劃分類別。

表2 低溫LNG儲罐按容積劃分的類別

大型低溫LNG儲罐內(nèi)罐用低溫材料選用是其設(shè)計與建造的技術(shù)關(guān)鍵之一[1]。現(xiàn)在低溫LNG儲罐內(nèi)罐材料最常用的是9%Ni鋼和不銹鋼,前者因其強(qiáng)度高、低溫韌性好廣泛應(yīng)用于大型低溫LNG儲罐,后者主要用于5 000 m3以下的中、小型低溫LNG儲罐。

長期以來,9%Ni鋼及其焊接材料一直依賴進(jìn)口,這也是困擾我國大型LNG工程建設(shè)的一個難題。2005～2007年,太原鋼鐵集團(tuán)公司承擔(dān)科技部863項目“液化天然氣儲罐用超低溫9%Ni鋼開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)”研究工作,研制成功國產(chǎn)9%Ni鋼06Ni9,隨后合肥通用機(jī)械研究院等單位對06Ni9鋼的綜合材料性能與焊接性能進(jìn)行了廣泛而深入的技術(shù)研究[8211]。結(jié)果表明,國產(chǎn)9%Ni鋼06Ni9包括-196℃沖擊功在內(nèi)的綜合性能指標(biāo)超過了美國標(biāo)準(zhǔn) ASTM A 553/A 553M(Ⅰ型)和歐盟標(biāo)準(zhǔn) EN 10028的要求,與日本、歐洲按上述美歐標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的9%Ni鋼水平相當(dāng)或略高。2007年該鋼通過了全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會組織的專家評審,同意用于低溫儲罐和低溫壓力容器。中石油在建的江蘇南通、遼寧大連兩個LNG項目中的16×104m3LNG儲罐,內(nèi)罐低溫材料已選用國產(chǎn)06Ni9鋼,這是我國大型低溫LNG儲罐國產(chǎn)化的一個重要里程碑。

4 低溫絕熱材料及結(jié)構(gòu)

圖1 雙壁絕熱LNG儲罐保溫結(jié)構(gòu)示意圖

大型低溫LNG儲罐絕熱保溫結(jié)構(gòu)分罐頂保溫、側(cè)壁保溫和罐底保溫3部分(圖1)。用于低溫儲罐的保溫絕熱材料應(yīng)滿足導(dǎo)熱系數(shù)小、密度低、吸濕率與吸水率小、抗凍性強(qiáng)、耐火性好、有一定強(qiáng)度,且環(huán)保、耐用和便于施工等要求。大型低溫LNG儲罐絕熱材料大致分為氣孔型、纖維型和氣泡型3類(表3)[12]。

20世紀(jì)90年代末,中國絕熱隔音材料協(xié)會組織專家綜合研究了國內(nèi)各類絕熱材料性能及其施工要求,編制完成《絕熱材料與絕熱工程實(shí)用手冊》[13],21世紀(jì)初,上海交通大學(xué)等多家從事低溫研究的單位編輯出版了《國產(chǎn)材料低溫性能數(shù)據(jù)匯編》一書,將國內(nèi)數(shù)十年從事低溫物性研究工作的具體成果反映出來[14]。國產(chǎn)低溫絕熱材料在大型低溫LNG儲罐建造中應(yīng)用已取得成熟經(jīng)驗(yàn)。近年來,國內(nèi)又成功開發(fā)多種新型高效的深冷絕熱材料,進(jìn)一步確立了大型低溫LNG儲罐低溫絕熱材料的國產(chǎn)化地位[12]。

表3 常用絕熱材料分類表

罐頂現(xiàn)多采用外罐拱頂加內(nèi)罐鋁吊頂結(jié)構(gòu)(圖2),其絕熱結(jié)構(gòu)與施工相對簡單。儲罐側(cè)壁保冷結(jié)構(gòu)如圖3所示。20世紀(jì)80年代以前,大多為單一的松散珍珠巖,其缺點(diǎn)是設(shè)備降溫后,內(nèi)壁收縮使得罐側(cè)壁的上部及頂?shù)倪吘墔^(qū)域缺少珍珠巖,所需二次填充量很大,填充時間也較長,致使內(nèi)外罐間進(jìn)入大量的空氣,并使得許多水分在兩罐之間的空氣內(nèi)冷凝下來,加劇了設(shè)備的腐蝕。另外,珍珠巖受潮,導(dǎo)熱系數(shù)將變大,使操作期間冷藏液的蒸發(fā)量增加,加大了制冷機(jī)的負(fù)荷,增加了操作成本。20世紀(jì)80年代后期建設(shè)的雙層低溫罐多數(shù)都在內(nèi)罐的外壁增加一層彈性保溫氈,這層氈在松散珍珠巖側(cè)壓力的作用下被壓縮,當(dāng)內(nèi)罐降溫時,彈性氈回彈,以此來補(bǔ)償罐的收縮量,大大減少了二次填充量,即避免了二次填充。填充物——彈性氈是由玻璃棉制成的,其回彈量等于罐的收縮量,可以很容易計算出來。對于罐底絕熱保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計,不但要保證儲罐的冷損失率降至最小,而且保溫材料還要具有足夠的抗壓強(qiáng)度來支撐儲罐和介質(zhì)重量。根據(jù)罐底受力情況和最大限度降低冷損失率,建議將底部絕熱保溫結(jié)構(gòu)分成周邊圈梁和中心圓形隔熱區(qū)兩部分,參見圖3[15]。

圖2 雙壁金屬儲罐罐頂保溫結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 雙壁金屬儲罐側(cè)壁保溫和罐底保溫結(jié)構(gòu)示意圖

多年來,國內(nèi)研究者[16219]對大型低溫液化氣體儲罐絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱分析與計算工程方法進(jìn)行了大量研究,為大型低溫LNG儲罐絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

5 LNG儲罐制造與施工工藝技術(shù)

5.1 06Ni9鋼應(yīng)用研究

為了推進(jìn)國產(chǎn)9%Ni鋼06Ni9在大型低溫LNG儲罐上的應(yīng)用,合肥通用機(jī)械研究院等單位對06Ni9鋼從成形加工、焊接、無損檢測和熱處理等方面進(jìn)行了研究,本文著重介紹焊接試驗(yàn)研究方面的工作[11]。

5.1.1 試驗(yàn)方法

采用GLEEBLE 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)分別模擬單道焊和多道焊的焊接熱循環(huán),研究不同熱循環(huán)條件下的06Ni9鋼焊接熱影響區(qū)(HAZ)性能和組織狀況,并進(jìn)行了實(shí)物焊接試板試驗(yàn)。

5.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

1)首先對試驗(yàn)用材料進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果表明國產(chǎn)06Ni9鋼各項指標(biāo)均明顯高于歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 10028要求。

2)對單道焊和多道焊模熱循環(huán)試樣分別進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)、顯微組織分析和沖擊斷口分析等試驗(yàn)研究。沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別見表4、5。

表4 單道焊熱模擬試樣的低溫沖擊功試驗(yàn)結(jié)果表

表5 多道焊熱模擬試樣的低溫沖擊功試驗(yàn)結(jié)果表

結(jié)果表明,經(jīng)模擬焊接熱循環(huán)后其低溫沖擊功與母材相比均明顯降低,且隨著熱輸入的增加即t8/5時間的增加,熱模擬試樣的低溫韌性呈明顯下降趨勢。兩道焊第二道熱循環(huán)的峰值溫度為900℃時,低溫沖擊功最高;第二道峰值溫度為620℃時,低溫沖擊功最低;多次熱循環(huán)沖擊韌性比相應(yīng)的一次、二次熱循環(huán)沖擊韌性顯著提高。

3)對20 mm厚的06Ni9鋼焊接試板的焊接接頭進(jìn)行了低溫沖擊試驗(yàn),結(jié)果表明焊接試板焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)-196℃沖擊功比相應(yīng)的相同溫度熱過程的熱模擬試樣高。5.1.3 試驗(yàn)研究結(jié)論

1)國產(chǎn)06Ni9鋼單道焊(峰值溫度1 350 ℃),隨著熱輸入增加即t8/5時間的增加,沖擊韌性呈下降趨勢。

2)兩道焊(第一道峰值溫度為1 350℃)當(dāng)?shù)诙婪逯禍囟葹?00℃時沖擊韌性最高,第二道峰值溫度為600℃時沖擊韌性最差。

3)多道焊相應(yīng)峰值溫度模擬試樣的低溫韌性顯著提高。故9Ni鋼的焊接宜采用小熱輸入、多層多道焊接。

4)上述焊接試驗(yàn)結(jié)果表明,國產(chǎn)06Ni9鋼采用適當(dāng)?shù)臒彷斎?、溫度和多層多道焊接工?能獲得良好的低溫韌性,可滿足LNG低溫儲罐對低溫性能的要求。

5.2 施工工藝技術(shù)

國內(nèi)已經(jīng)和正在建造的低溫LNG儲罐,不管其工藝及設(shè)備技術(shù)來自何方,但儲罐建造施工無一例外地都由國內(nèi)施工隊伍完成。因此,國內(nèi)較早承擔(dān)大型低溫LNG儲罐建造施工的企業(yè),已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),并在基礎(chǔ)及罐壁混凝土施工、內(nèi)外罐組裝焊接施工和絕熱結(jié)構(gòu)施工等方面對國外技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。

5.2.1 混凝土施工

邸國清結(jié)合福建LNG項目16×104m3LNG混凝土外罐現(xiàn)場施工案例[20],分別從混凝土承臺、墻體、罐穹頂以及預(yù)應(yīng)力施工等方面進(jìn)行了分析與總結(jié),提出了大型低溫LNG儲罐混凝土外罐施工中的控制要點(diǎn)。束廉階等結(jié)合上海LNG事故備用站2臺5×104m3LNG儲罐的預(yù)應(yīng)力設(shè)計及施工實(shí)踐[21],對預(yù)留孔道施工、預(yù)應(yīng)力筋穿束、張拉順序、張拉方式、孔道灌漿等各環(huán)節(jié)都進(jìn)行了分析與探討,為今后同類儲罐施工留下了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

5.2.2 內(nèi)外罐組裝焊接施工

對雙金屬罐內(nèi)外罐的組裝焊接施工,國內(nèi)的工程設(shè)計和施工企業(yè)參考過去大型石油儲罐的施工經(jīng)驗(yàn),結(jié)合雙層罐結(jié)構(gòu)與施工要求的特點(diǎn),提出了一系列具體實(shí)用的施工工藝方法,如內(nèi)罐底板的環(huán)板與中心底板的排板優(yōu)化[22]、雙金屬罐正裝法與倒裝法的經(jīng)濟(jì)性及工期與質(zhì)量保證情況對比[23]和罐頂氣吹頂升工藝措施[24]等。這些工作促進(jìn)了我國大型低溫LNG儲罐雙金屬罐內(nèi)外罐的組裝焊接施工工藝技術(shù)的進(jìn)步。

5.2.3 絕熱結(jié)構(gòu)施工

上海市安裝工程有限公司等單位結(jié)合多年大型低溫LNG施工實(shí)踐,對膨脹珍珠巖充填技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),從材料要求、工藝流程、施工準(zhǔn)備、施工專用設(shè)備和施工作業(yè)等方面提出了具體措施和應(yīng)注意的問題,并通過施工實(shí)踐驗(yàn)證,取得了良好的效果[25]。

6 結(jié)論

1)國產(chǎn)06Ni9鋼研制及其配套應(yīng)用技術(shù)研究已取得突破,并在LNG項目建設(shè)中投入使用,使我國大型低溫LNG儲罐國產(chǎn)化進(jìn)程邁出了標(biāo)志性的一步。

2)我國工程設(shè)計與施工企業(yè)的大型低溫LNG儲罐設(shè)計建造實(shí)踐和有關(guān)高校、科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)在LNG相關(guān)的設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)、絕熱材料及結(jié)構(gòu)、施工工藝技術(shù)等方面所取得的積極進(jìn)展,為我國大型低溫LNG儲罐國產(chǎn)化打下了一定的基礎(chǔ)。

3)根據(jù)目前國內(nèi)大型低溫LNG儲罐設(shè)計、建造技術(shù)現(xiàn)狀,我國3×104m3以下的LNG儲罐實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計、建造的條件已基本成熟。

4)我國在大型低溫LNG儲罐標(biāo)準(zhǔn)化以及設(shè)計與建造專利技術(shù)方面與美國、歐盟、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍存在較大差距。這也是目前制約3×104m3以上LNG儲罐實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計、建造的一個重要因素。

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(修改回稿日期 2010204206 編輯 何 明)

王冰,1964年生,教授級高級工程師,博士;主要從事壓力容器與管道重大技術(shù)裝備研發(fā)和在用設(shè)備失效分析與安全評估工作。地址:(230031)安徽省合肥市長江西路888號。電話:(0551)5335406,13905514767。E-mail:wangbing@hgm ri.com