大型C2 、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐換存可行性分析*

揚(yáng) 帆 張 超 范嘉堃 張博超 李安琪

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100028)

隨著中國(guó)“十四五”期間對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)、液化天然氣(LNG)接收站等儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，LNG接收站儲(chǔ)氣設(shè)施的建設(shè)步伐逐步加快。然而受沿海港口通航能力限制和碼頭規(guī)劃影響，LNG接收站項(xiàng)目選址難度增大[1]，將C2(乙烷、乙烯) 、C3(丙烷)烴類(lèi)項(xiàng)目碼頭改造成為L(zhǎng)NG碼頭成為一種可行的選擇[2]，目前廣東等地區(qū)已開(kāi)始了類(lèi)似項(xiàng)目的規(guī)劃改造[3]。本文開(kāi)展對(duì)大型C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐在材料、設(shè)計(jì)、施工等方面的對(duì)比分析，旨在為大型C2、C3低溫儲(chǔ)罐換存為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐提供建設(shè)技術(shù)參考。

1 C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

大型LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站項(xiàng)目的核心裝備。在2012年前，國(guó)內(nèi)LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造均采用國(guó)外技術(shù)；隨著大型LNG儲(chǔ)罐技術(shù)的發(fā)展，在2012年后，國(guó)內(nèi)LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目開(kāi)始采用自主技術(shù)[4]，例如2021年開(kāi)工的中國(guó)海油江蘇LNG一期擴(kuò)建項(xiàng)目，建設(shè)了6座27萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐，其單罐容積的增大提高了土地利用率并形成規(guī)模效應(yīng)[5]。2010年后，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)C2、C3等原料的需求不斷增長(zhǎng)[6]，C2、C3烴類(lèi)項(xiàng)目建設(shè)加快，其低溫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)建造均采用的是國(guó)外技術(shù)。2012年后，大型C2、C3低溫儲(chǔ)罐項(xiàng)目開(kāi)始采用國(guó)內(nèi)技術(shù)建造，截至2022年初，采用國(guó)內(nèi)技術(shù)建造的C2烴類(lèi)低溫儲(chǔ)罐的最大單罐罐容已達(dá)16萬(wàn)m3，C3烴類(lèi)儲(chǔ)罐國(guó)內(nèi)目前已建的最大單罐罐容已達(dá)12萬(wàn)m3，均刷新了世界最大單罐罐容。

1) 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)采用方面，大型LNG、C2、C3烴類(lèi)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造美國(guó)采用美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 620[7]；其他地區(qū)早期采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 7777[8]，2006年BS 7777廢除后，開(kāi)始采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN14620[9]。

2) 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)采用方面，2011年以前大型LNG、C2、C3烴類(lèi)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，2011年之后設(shè)計(jì)建造開(kāi)始采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)主流的烴類(lèi)低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 26978—2011[10](由EN14620采標(biāo))，輔助參考標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 0608—2014(由API 620采標(biāo))，2021年修訂后的GB/T 26978—2021適用范圍由LNG拓寬到適用所有低溫冷凍烴。根據(jù)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，C2低溫儲(chǔ)罐理論上應(yīng)采用06Ni9DR(9%Ni鋼)或08Ni3DR(低鎳鋼)，由于08Ni3DR產(chǎn)量較小，因此目前國(guó)內(nèi)C2低溫罐項(xiàng)目?jī)?nèi)罐材料大多數(shù)采用06Ni9DR[11]。C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與材料選擇見(jiàn)表1[12]。

表1 C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與材料選擇Table 1 Design standard and material selection of C2，C3 cryogenic storage tanks and LNG storage tanks

2 C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造差異分析

2.1 工藝設(shè)計(jì)

1) 壓力與溫度。C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力基本一致，其設(shè)計(jì)負(fù)壓下限、正壓上限、正常操作壓力通常為表壓力-1.0、29.0、15.0～24.0 kPa[13]；3類(lèi)低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度差別較大，LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度通常為-165 ℃，而C2、C3低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度通常為-50～-106 ℃。C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐工藝參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐工藝參數(shù)Table 2 Process design parameters of C2, C3 cryogenic storage tanks and LNG storage tanks

2) 罐外管道冷態(tài)及冷循環(huán)保持。C2、C3低溫介質(zhì)輸送溫度高于LNG，因而C2、C3低溫儲(chǔ)罐配套低溫管道冷循環(huán)所用流量要低于LNG儲(chǔ)罐配套管道。

3) 進(jìn)出料低溫管道操作壓力。雖然3類(lèi)低溫儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存壓力通常不超過(guò)50 kPa，但C2、C3低溫儲(chǔ)罐的站場(chǎng)來(lái)船壓力可高達(dá)0.7 MPa，而常規(guī)LNG站場(chǎng)來(lái)船壓力僅為0.4 MPa。因而C2、C3低溫儲(chǔ)罐配套管道輸送系統(tǒng)、泵設(shè)備及閥門(mén)設(shè)計(jì)壓力略高于LNG儲(chǔ)罐相應(yīng)設(shè)施。

4) 蒸發(fā)氣體處理。由于外界熱輸入、進(jìn)料及罐內(nèi)泵外輸?shù)纫蛩兀珻2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部均會(huì)有少量低溫液體蒸發(fā)，由于C2、C3與LNG的密度、溫度不同，因而在蒸發(fā)氣處理時(shí)，蒸發(fā)氣壓縮機(jī)能力配置、材質(zhì)有一定差別[12]。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1儲(chǔ)罐類(lèi)型和尺寸

C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐的罐型包括單容罐、雙容罐、全容罐、薄膜罐4類(lèi)，其中全容罐又包括雙金屬全容罐、混凝土全容罐。全容罐、薄膜罐由于能夠減少儲(chǔ)罐占地、提高儲(chǔ)罐的安全性，因而成為目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為普遍的罐型[13]。

1) 儲(chǔ)罐類(lèi)型差異。目前國(guó)內(nèi)已建和在建的大型LNG儲(chǔ)罐，除了近期北京燃?xì)饧瘓F(tuán)等個(gè)別項(xiàng)目選擇了薄膜罐外，其他多數(shù)為混凝土全容罐罐型；近年來(lái)國(guó)內(nèi)建設(shè)的C2、C3低溫儲(chǔ)罐少部分為雙金屬全容罐，而大部分儲(chǔ)罐(尤其是10萬(wàn)m3以上容積儲(chǔ)罐)，多采用安全性較高的混凝土全容罐。

2) 儲(chǔ)罐尺寸差異。由于C2、C3密度大于LNG，同樣條件下，C2、C3低溫儲(chǔ)罐需要更大的內(nèi)罐壁厚、外罐配筋量、儲(chǔ)罐本體結(jié)構(gòu)承載力等以增加其地震荷載。因此在相同儲(chǔ)罐容積和站址條件下，可考慮適當(dāng)加大C2、C3低溫儲(chǔ)罐直徑，降低儲(chǔ)罐高度，從而提高儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)抗震性能。

2.2.2儲(chǔ)罐樁基設(shè)計(jì)

由于C2、C3密度大于LNG，因此儲(chǔ)罐在正常運(yùn)行和地震工況下的豎向和水平荷載均更大。在相同的罐容條件下，需增加C2、C3儲(chǔ)罐樁基數(shù)量以提高樁基承載力。以?xún)?chǔ)罐抗震設(shè)防烈度7度為例，其樁基水平承載力特征值和群樁綜合效應(yīng)系數(shù)為[14]

(1)

ηh=ηiηr+ηl

(2)

式(1)、(2)中：Rha為樁基水平承載力特征值，kN；α為樁水平變形系數(shù)，無(wú)量綱；EI為樁身抗彎剛度，N/m；vx為樁頂水平位移系數(shù)，無(wú)量綱；x0a為樁頂水平位移，mm；ηh為群樁綜合效應(yīng)系數(shù)，無(wú)量綱；ηi為樁的相互影響效應(yīng)系數(shù)，無(wú)量綱；ηr為樁頂約束效應(yīng)系數(shù)，無(wú)量綱；ηl為承臺(tái)側(cè)向土抗力效應(yīng)系數(shù)，無(wú)量綱。

2.2.3內(nèi)罐設(shè)計(jì)

C2、C3低溫儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的低溫介質(zhì)密度大于LNG儲(chǔ)罐，因此在相同的罐容條件下，其內(nèi)罐壁板厚度更大。根據(jù)GB/T 26978，儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板厚度計(jì)算為[10]

(3)

式(3)中：e為儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板厚度，mm；D為內(nèi)罐直徑，m；S為壁板許用設(shè)計(jì)應(yīng)力，N/mm2；W為介質(zhì)密度，kg/m3；P為設(shè)計(jì)壓力，Pa；c為腐蝕余量，mm；H為內(nèi)罐最大設(shè)計(jì)液位高度，m。

2.2.4外罐設(shè)計(jì)

C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐外罐設(shè)計(jì)的主要差異在于密度引起的液體質(zhì)量荷載不同，在結(jié)構(gòu)受力較大的部位，C2、C3儲(chǔ)罐配筋及預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)結(jié)果將略大于LNG儲(chǔ)罐；而整體上鋼筋及預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)布置方案相同，外罐設(shè)計(jì)方法和計(jì)算內(nèi)容差異不明顯。以混凝土全容罐為例，C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐通常根據(jù)其儲(chǔ)罐荷載及組合工況，對(duì)混凝土全容罐本體結(jié)構(gòu)開(kāi)展三維有限元分析，提取外罐最不利工況下外罐的軸力、剪力和彎矩，再根據(jù) GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算每個(gè)單元的主筋配筋面積、剪力筋的面距比、混凝土裂縫寬度[15]。

2.2.5保冷設(shè)計(jì)

C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐保冷設(shè)計(jì)方法和流程相同。由于C2、C3烴類(lèi)介質(zhì)低溫儲(chǔ)存的溫度高于LNG，因此在同樣的保冷性能要求下，C2、C3低溫儲(chǔ)罐所用的保冷材料量較LNG儲(chǔ)罐要少。以混凝土全容罐為例，儲(chǔ)罐底部的絕熱材料一般為具有承壓強(qiáng)度的泡沫玻璃磚[16]；內(nèi)外罐之間的絕熱保冷層由內(nèi)側(cè)彈性氈和外側(cè)的膨脹珍珠巖組成。

2.2.6管道設(shè)計(jì)

1) 在儲(chǔ)罐外部管道設(shè)計(jì)方面，由于C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度的不同，其配套低溫管道應(yīng)力收縮補(bǔ)償也不同，LNG儲(chǔ)罐低溫收縮量最大，C2次之，C3最??；管道保冷厚度和應(yīng)力補(bǔ)償膨脹彎設(shè)置數(shù)量也依次減少。

2) 在儲(chǔ)罐罐內(nèi)的管道設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮穿過(guò)混凝土穹頂、鋁吊頂2個(gè)重要位置處的低溫不同步收縮對(duì)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。在混凝土穹頂位置，一般采用雙層不銹鋼套管結(jié)構(gòu)[17]，以避免低溫收縮對(duì)混凝土穹頂?shù)钠茐?；在鋁吊頂位置，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)部承裝低溫介質(zhì)后，鋁吊頂將朝儲(chǔ)罐中心位置徑向收縮，進(jìn)而對(duì)豎向穿過(guò)吊頂?shù)墓艿涝斐蓴D壓破壞。因此管道常溫安裝時(shí)，鋁吊頂與管道須呈“偏心”結(jié)構(gòu)，這樣儲(chǔ)罐在承裝低溫介質(zhì)后，鋁吊頂將在豎向與管道成為“同心”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 鋁吊頂與罐內(nèi)管道連接位置冷收縮偏移量示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cold shrinkage offset of the connection position between the aluminum ceiling and the pipeline in the tank

管道與吊頂安裝時(shí)的預(yù)留偏移量為

Loffset=ΔTαR/2

(4)

式(4)中：Loffset為管嘴與吊頂套筒之間的冷縮偏移量，mm；α為鋁合金的熱膨脹系數(shù)，取值1.85×10-5℃-1；ΔT為操作溫度與環(huán)境溫度之間的溫差，℃；R為該管嘴中心距離儲(chǔ)罐中心的距離，mm。

2.3 施工與開(kāi)車(chē)調(diào)試

2.3.1儲(chǔ)罐施工

1) 在施工順序方面，C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐由于結(jié)構(gòu)形式相同，因此整體施工順序基本一致：先進(jìn)行樁基施工，然后進(jìn)行外罐施工，在儲(chǔ)罐拱頂氣壓升頂后再進(jìn)行罐底保冷施工和內(nèi)罐安裝，最后在內(nèi)罐水壓試驗(yàn)后進(jìn)行儲(chǔ)罐罐壁、罐頂保冷施工。

2) 在焊接工藝方面，C2低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐材料為06Ni9DR鋼板，其焊接技術(shù)難度較大；而C3低溫儲(chǔ)罐內(nèi)罐為普通碳鋼Q355NF，其焊接技術(shù)難度相對(duì)較小。

3) 在保冷安裝工期方面，C2、C3低溫儲(chǔ)罐的保冷材料比LNG儲(chǔ)罐更薄，因而其保冷安裝工期一般少于LNG儲(chǔ)罐。

2.3.2預(yù)試車(chē)與開(kāi)車(chē)調(diào)試

C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐預(yù)試車(chē)、開(kāi)車(chē)調(diào)試流程類(lèi)似。在儲(chǔ)罐進(jìn)液前，需要采用高純度N2對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行干燥、惰化；開(kāi)車(chē)調(diào)試過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制預(yù)冷速率，以防止預(yù)冷過(guò)程出現(xiàn)溫降過(guò)快或不均勻帶來(lái)局部低溫應(yīng)力過(guò)大進(jìn)而破壞內(nèi)罐結(jié)構(gòu)。

根據(jù)低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造規(guī)范GB/T 26978—2021[10]對(duì)C2、C3低溫儲(chǔ)罐與LNG儲(chǔ)罐的預(yù)試車(chē)、開(kāi)車(chē)調(diào)試要求，預(yù)試車(chē)階段N2置換后儲(chǔ)罐中心區(qū)域最大露點(diǎn)溫度低于-20 ℃；開(kāi)車(chē)調(diào)試階段內(nèi)罐冷卻速度在3 ℃/h左右，相鄰罐壁與底部任意2個(gè)熱電偶溫差不超過(guò)30 ℃。

由于C2、C3低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度高于LNG儲(chǔ)罐，因此在預(yù)冷介質(zhì)用量會(huì)存在差別，但均可采用噴淋式預(yù)冷方案，預(yù)冷過(guò)程中可改變預(yù)冷調(diào)節(jié)閥尺寸以提高預(yù)冷溫降的控制精度，或采用間歇噴灑的方式降低各點(diǎn)溫降差距。

3 結(jié)論與建議

1) 大型LNG、C2、C3烴類(lèi)儲(chǔ)罐在主要設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)流程、外罐與保冷材料等方面是相同的，但由于其內(nèi)罐材料、介質(zhì)密度、溫度等方面存在差異，因此在工藝、結(jié)構(gòu)、施工與開(kāi)車(chē)調(diào)試等方面的設(shè)計(jì)有所不同。

2) C2低溫儲(chǔ)罐可換存為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐，換存時(shí)需根據(jù)密度換算并調(diào)整液位、機(jī)泵參數(shù)，改造儲(chǔ)罐外部管道(膨脹彎、保冷厚度等)的技術(shù)參數(shù)，同時(shí)在設(shè)計(jì)初期考慮足夠的吊頂管道冷收縮偏移量；而C3低溫儲(chǔ)罐由于內(nèi)罐材料設(shè)計(jì)溫度較高，不適合換存為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐。