大型LNG低溫儲罐膨脹珍珠巖填充技術(shù)

上海液化天然氣有限責任公司 金 罕 劉曉建

珍珠巖是火山噴發(fā)出的酸性熔巖遇到湖泊、海洋等后被急劇冷卻，從而形成的一種玻璃質(zhì)的火山巖。地質(zhì)上對珍珠巖的劃分有三種，儲罐用的保冷珍珠巖只是其中的一種。珍珠巖在加熱到一定溫度時，膨脹變?yōu)橐环N很輕的內(nèi)部蜂窩狀白色顆粒，具有無毒、無味、不燃、不腐爛等特點。珍珠巖 pH值為中性(6.5～7.5)，不溶于強酸堿，微溶于氫氟酸。由于它特殊的微孔結(jié)構(gòu)，使其具有很強的吸附作用和隔熱作用，故常用作為保溫隔熱、過濾、吸附過濾材料。膨脹珍珠巖材料是 LNG全容儲罐保冷結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，由于其材料和施工工藝的特性，膨脹珍珠巖填充施工成了儲罐建設(shè)中現(xiàn)場管理的重要一環(huán)，也是儲罐安裝施工進度控制的重要節(jié)點。本文將結(jié)合上海 LNG儲罐擴建工程中的珍珠巖填充施工，對珍珠巖原料的特性、膨脹機理、性質(zhì)參數(shù)、填充及振實工藝要求進行分析和探討。

1 儲罐結(jié)構(gòu)及保冷原理

目前的LNG全容儲罐一般由內(nèi)罐、外罐組成，通常情況下操作壓力為5～25 kPa。內(nèi)罐操作溫度為－162 ℃，內(nèi)罐材質(zhì)為9%Ni低溫鋼；外罐由鋼筋混凝土承臺、預應力混凝土墻體、鋼筋混凝土罐頂組成，鋼筋混凝土承臺與預應力混凝土墻體、預應力混凝土墻體與鋼筋混凝土罐頂連接處均采用混凝土剛性連接。內(nèi)、外罐之間夾層(環(huán)形空間)由彈性氈和膨脹珍珠巖組成保冷層，彈性氈緊貼內(nèi)罐壁板，具有一定的彈性，用來緩沖內(nèi)罐膨脹、收縮對膨脹珍珠巖的沉降影響，膨脹珍珠巖粉末填充至鋼筋混凝土穹頂下方，以保證膨脹珍珠巖沉降造成環(huán)形空間保冷缺失后得以補充。LNG全容儲罐罐壁保溫結(jié)構(gòu)見圖1。按照設(shè)計要求，每座儲罐BOG日蒸發(fā)率不大于0.05%。

圖1 LNG 全容儲罐罐壁保溫結(jié)構(gòu)

眾所周知，溫度是通過傳導、對流和輻射三種方式進行傳遞的。當膨脹珍珠巖被填充入儲罐的隔熱層時，內(nèi)罐與外保護層中間充滿了微孔結(jié)構(gòu)的材料。由于空氣的黏性作用，對流熱傳遞可以忽略不計；又由于膨脹珍珠巖屬分散介質(zhì)，通過散射與吸收作用使輻射對熱傳遞的貢獻很小，因而，此時的熱量傳遞主要是以熱傳導方式進行的。在 273 K(0℃)時，珍珠巖的導熱系數(shù)在 0.028～0.048 W/(m·K)之間。因此，膨脹珍珠巖作為一種非常優(yōu)秀的保冷絕熱材料而被LNG儲罐建設(shè)廣泛使用。

2 珍珠巖礦石膨脹機理及性質(zhì)參數(shù)

珍珠巖之所以區(qū)別于其他巖石能夠在一定的溫度條件下膨脹，其不外乎以下兩點根本原因：其一是珍珠巖的主要化學成分中存在軟化點較低的玻璃質(zhì)物質(zhì)，如SiO2、Al2O3、Na2O等，這種物質(zhì)表現(xiàn)出來的結(jié)果是當珍珠巖被加熱至一定溫度時，其玻璃質(zhì)開始軟化，珍珠巖顆粒從固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為黏流態(tài)；其二是珍珠巖內(nèi)部含有的可揮發(fā)性物質(zhì)和結(jié)合水在受到高溫焙燒后，逐漸氣化后溢出。所以，玻璃質(zhì)是引起珍珠巖膨脹的先決條件，結(jié)合水是引起珍珠巖膨脹的內(nèi)在動力，焙燒溫度和時間是引起珍珠巖膨脹的必要外部條件。

結(jié)合珍珠巖膨脹的機理，不難看出在大型LNG儲罐安裝工程絕熱應用中，粒度級配、化學成分、結(jié)合水及膨脹性必須滿足設(shè)計的要求。上海 LNG儲罐擴建工程抽檢比例和性能要求見表1。

表1 上海LNG儲罐擴建工程原材料抽檢比例和性能要求

3 膨脹后珍珠巖性質(zhì)參數(shù)及控制

膨脹后珍珠巖的松散密度、振實密度、含水率、粒度級配、導熱系數(shù)是直接影響其隔熱性能的重要因素。

3.1 松散密度

膨脹珍珠巖的導熱系數(shù)一般隨著孔隙率增大而減小，膨脹珍珠巖的松散密度則反映了珍珠巖孔隙率大小。沒有膨脹好的珍珠巖松散密度大，孔隙率過低，因而導熱系數(shù)大，影響保溫效果。而膨脹珍珠巖松散密度過低，起初孔隙率過高將導致膨脹珍珠巖強度減弱，容易破碎，破碎后的微粉進入微孔，反而致使孔隙率降低，密度反而加大，珍珠巖的導熱系數(shù)也隨之增大。經(jīng)大量實踐證明，保冷絕熱用膨脹珍珠巖的松散密度控制在38～55 kg/m3之間最為適宜。

3.2 振實密度

膨脹珍珠巖填充后，初期由于珍珠巖顆粒的相對位置尚處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以在振動后粒子會逐漸相互移動而趨于穩(wěn)定。這個穩(wěn)定狀態(tài)的密度最終決定了膨脹珍珠巖的保冷隔熱的性能，工程上一般稱該密度為振實密度。實驗表明，保冷用膨脹珍珠巖的振實密度為48～65 kg/m3時其導熱系數(shù)最低，保冷絕熱效果最佳。

3.3 含水率

膨脹珍珠巖是吸濕性極強的物質(zhì)，干燥的非憎水膨脹珍珠巖的吸水率可達 250～750%。干燥的珍珠巖一旦與空氣接觸，能夠迅速吸收空氣中的水分子。水的導熱系數(shù)是空氣的 25倍，而且水在低溫狀態(tài)下會結(jié)冰，而冰的導熱系數(shù)為空氣的100倍，這樣吸濕后的膨脹珍珠巖的絕熱性能就會受到極大的破壞。因此，膨脹珍珠巖在生產(chǎn)、存儲、運輸和施工過程中需要嚴格防水、防潮。一般情況下，保冷絕熱用膨脹珍珠巖的含水率應嚴格控制在0.5%(質(zhì)量比)以下，以最大限度防止水分對膨脹珍珠巖絕熱性能的破壞。

3.4 粒度級配

合理的材料級配可以通過顆粒之間的理想堆積占據(jù)最多的空間，以大顆粒形成構(gòu)架，稍小的顆粒去填充大顆粒之間的空隙，而再小的顆粒進一步填充稍小顆粒之間的縫隙以達到相互配合，從而使保冷隔熱區(qū)的自由空氣減少，最大限度地降低由于對流和輻射造成的冷損失。大量的試驗數(shù)據(jù)表明，1.18 mm以上顆?？刂圃?0%以下時，絕熱性最佳。

3.5 導熱系數(shù)

導熱系數(shù)取決于前幾項的綜合反映，也是保冷隔熱的最終要求。不同使用溫度環(huán)境對保冷絕熱材料導熱系數(shù)的要求也不一樣。通常深冷行業(yè)普遍要求在273 K時的導熱系數(shù)為0.028～0.048 W/(m·K)，LNG儲罐要求不高于0.044 W/(m·K)。

4 膨脹珍珠巖填充施工控制

4.1 施工前儲罐準備工作及注意事項

膨脹珍珠巖填充前，相關(guān)設(shè)計及施工文件應審批完畢。內(nèi)罐管道和吊頂通道間的保冷工作應完成；吊頂通風孔使用玻璃布包裹，以防止珍珠巖粉末飄入內(nèi)罐；拱頂縱梁之間擋板與拱頂板之間的空隙密封嚴緊，以防止填充珍珠巖時粉末反吹到吊頂上。如發(fā)現(xiàn)有密封不嚴的情況，施工方需安排人員及時修復。

儲罐底部必須清理完成并保持干燥，確保環(huán)形空間內(nèi)濕度符合設(shè)計及施工要求，相對濕度不超過90%。

4.2 膨脹裝置及工藝流程

珍珠巖現(xiàn)場膨脹填充裝置主要包括珍珠巖礦砂原料倉(投入裝置)、膨脹爐(膨脹設(shè)備)、膨脹珍珠巖冷卻降溫管路、除塵及產(chǎn)品輸送系統(tǒng)。該裝置簡圖如圖2所示。

圖2 珍珠巖現(xiàn)場膨脹填充裝置

膨脹設(shè)備所用的膨脹爐一般分為臥式膨脹爐和立式膨脹爐。目前大型儲罐膨脹珍珠巖施工多用立式爐。需要注意的是，膨脹爐到除塵系統(tǒng)的距離是固定的，但珍珠巖輸送軟管的敷設(shè)，必須遵循輸送距離盡量小、管道曲線盡量平滑的原則，以減少可能出現(xiàn)的珍珠巖破碎，保證珍珠巖填充質(zhì)量。管道由膨脹爐出料口沿儲罐外壁疏散梯鋼結(jié)構(gòu)固定、敷設(shè)至儲罐頂部充裝孔。

4.3 振實控制

為減少儲罐使用過程中膨脹珍珠巖的自然沉降，需要在填充過程中使用內(nèi)部(罐體絕熱夾層內(nèi))振動器進行強制性振動使膨脹珍珠巖有一個合理的裝填密度。振實裝置一般由通過罐頂?shù)能壍阑?、電動吊鏈連接的一個或多個托盤與振動電機、振動棒組合而成，如圖3所示。使用時將其浸入需振實的膨脹珍珠巖中。為防止在下沉和使用過程中對內(nèi)罐外壁的彈性氈造成損壞，該裝置必須設(shè)置限位器。

圖3 振實設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

珍珠巖的填充和振實過程有兩種方式：一是填充作業(yè)與振實作業(yè)交替進行，另一種是填充作業(yè)與振實作業(yè)同時進行。

珍珠巖的填充和振實交替作業(yè)的優(yōu)點是振實前后的填充高度容易測量，比較好控制，振實作業(yè)的環(huán)境面相對較好，是目前施工常采用的方式。缺點是增加了停機的次數(shù)，不僅影響膨脹珍珠巖質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且浪費時間。

填充作業(yè)與振實作業(yè)同時作業(yè)的優(yōu)點是減少停機次數(shù)，膨脹珍珠巖的質(zhì)量更趨于穩(wěn)定，在總工期上節(jié)約了振實時間，但必須增加3～4個工人，且對振實工人的操作要求較高。隨著LNG儲罐越來越大型化，操作空間越來越充裕，填充和振實同時作業(yè)將是大型儲罐填充作業(yè)的一種發(fā)展趨勢。

在上海LNG儲罐擴建工程中，使用了3臺填充設(shè)備進行填充，4號罐采用填充作業(yè)與振實作業(yè)交替進行作業(yè)，通過實地檢查和安全論證，5號罐則采用填充作業(yè)與振實作業(yè)同時進行，節(jié)約了寶貴的4 d工期。

但不論采用哪種施工方式，在過程中都要做好以下幾點：

(1) 填充前在填充口明顯處標注填充順序號。

(2) 填充施工過程中，定時檢測填充高度。

(3) 珍珠巖振實人員經(jīng)過培訓并由專人負責，同時做好檢測數(shù)據(jù)記錄。

(4) 第一次(層)填充和振實：由于夾層內(nèi)5 m以下的高度(熱保護角范圍)不能夠振動，故此次施工中每個口直接填充到大約8 m高時，進行第一次振實。以后每3～4 m振實一次，持續(xù)時間≥3 min。為避免將珍珠巖倒碎，振實時間不宜過長。

(5) 振實設(shè)備每次被放入和提起都要對珍珠巖的高度進行測量。在實際進行操作之前，應預先設(shè)置參照點以供參考。

5 施工過程質(zhì)量控制

珍珠巖施工質(zhì)量控制主要做好3個部分的控制：原材料質(zhì)量控制、膨脹后珍珠巖質(zhì)量控制及振實密度控制。

以上海LNG儲罐擴建項目為例，膨脹后珍珠巖成品一般要求見表2。

表2 上海LNG儲罐擴建工程膨脹珍珠巖抽檢比例和性能要求

需注意的是，表2現(xiàn)場各實驗及檢測(除導熱系數(shù)實驗外)需業(yè)主方、總包方及監(jiān)理方每日隨機抽檢在場監(jiān)督實驗及檢測過程，送第三方實驗室檢測導熱系數(shù)的膨脹珍珠巖取樣過程及樣品密封過程需總包及監(jiān)理共同在場監(jiān)督確認。另外，現(xiàn)場實驗室測出的振實密度僅為參考值，最終填充的振實密度為填充珍珠巖質(zhì)量與填充空間的比所得。一般來說，填充質(zhì)量由現(xiàn)場記錄，填充空間體積由設(shè)計單位提供。但由于儲罐本體保冷結(jié)構(gòu)的內(nèi)層彈性氈壓縮量會隨著壓力的變化而變化，所以如何更加準確地計算填充空間也是一個值得研究的課題。

6 結(jié)語

珍珠巖填充施工是LNG儲罐建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，可以保證投產(chǎn)后BOG蒸發(fā)率在設(shè)計規(guī)定范圍內(nèi)，是儲罐經(jīng)濟、安全運行的重要保障。采用合適的膨脹設(shè)備、振實方式，配合現(xiàn)場定期進行珍珠巖導熱率、含水率、密度等相關(guān)質(zhì)量參數(shù)的檢測，可有效確保投產(chǎn)后LNG儲罐整體BOG蒸發(fā)率測試合格，避免儲罐珍珠巖保冷作用減小或失效。目前珍珠巖填充施工已形成一套較為成熟的工藝，但在膨脹爐爐型選擇、振實密度計算及后續(xù)沉降觀測上仍需要開展進一步的研究工作。