韓國LNG薄膜儲(chǔ)罐技術(shù)的發(fā)展

常旭寧，郭保玲，賴建波，王佩廣，程韋豪

北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100011

韓國于1987年起引進(jìn)LNG，首個(gè)接收站為平澤（Pyeongteak）接收站，一期即引進(jìn)了4臺(tái)采用法國GTT技術(shù)設(shè)計(jì)的地上10 000 m3薄膜罐[1]。在引進(jìn)薄膜罐技術(shù)的過程中，KOGAS（韓國燃?xì)猓┘撮_始了技術(shù)吸收與轉(zhuǎn)化，開發(fā)出屬于自己的專利薄膜罐技術(shù)，并于1997年獲得法國國際專利[2]。

本文通過對公開技術(shù)資料的搜集整理，對韓國關(guān)于LNG薄膜儲(chǔ)罐相關(guān)技術(shù)的引進(jìn)、吸收、本土轉(zhuǎn)化與開發(fā)過程進(jìn)行了梳理，以期為我國LNG薄膜儲(chǔ)罐技術(shù)的引進(jìn)及轉(zhuǎn)化提供借鑒。

1 薄膜儲(chǔ)罐技術(shù)的研發(fā)

1.1 儲(chǔ)罐薄膜材料的拉伸斷裂韌性試驗(yàn)

對于薄膜儲(chǔ)罐材料，韓國浦項(xiàng)鋼鐵有限公司開發(fā)了冷加工STS 304不銹鋼，以作為制作液化天然氣儲(chǔ)罐薄膜的材料[3]。KOGAS在溫度范圍為-162～20℃的條件下，對2 mm厚的STS 304不銹鋼進(jìn)行了拉伸斷裂韌性試驗(yàn)。試驗(yàn)評估了低溫對材料強(qiáng)度、延展性和斷裂韌性的影響。通過斷口形貌觀察，研究了斷裂韌性與臨界拉伸帶寬度之間的關(guān)系。

試驗(yàn)在一臺(tái)裝有低溫恒溫器的由計(jì)算機(jī)控制的100 kN伺服液壓試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。試件置于低溫箱內(nèi)，箱內(nèi)噴入液氮，溫差控制在±2℃。當(dāng)溫度穩(wěn)定在-162、-120、-80、20℃時(shí)，且當(dāng)拉伸儀輸出恒定后，開始進(jìn)行試驗(yàn)。試件長50 mm、寬12.5 mm，靠近裂紋擴(kuò)展路徑有一個(gè)緊致拉伸（CT）試樣，其厚度為2 mm、寬度為40 mm。

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在-162～20℃范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，抗拉強(qiáng)度顯著提高，0.2%的屈服強(qiáng)度對溫度相對不敏感。在20℃時(shí)，總伸長率突然下降為0%；在-80℃時(shí)，總伸長率略有下降，直至-162℃。隨著溫度降低到-80～5℃，引發(fā)斷裂韌性Jc明顯降低，-162～-80℃之間則無明顯變化。此外，撕裂模量Tmat隨溫度的降低呈線性下降。斷口形貌分析表明，室溫下臨界拉伸區(qū)寬度SZWc約為-162℃時(shí)的3倍。這表明，材料完全滿足LNG工作溫度下的強(qiáng)度要求。

1.2 儲(chǔ)罐薄膜的抗沖擊試驗(yàn)

驗(yàn)證了儲(chǔ)罐薄膜材料的強(qiáng)度后，需要對儲(chǔ)罐薄膜的抗沖擊性能進(jìn)行研究，以確認(rèn)是否適應(yīng)在LNG充裝時(shí)液體產(chǎn)生的晃蕩載荷和溫度變化載荷沖擊。由于不銹鋼薄板的剛性較好，在受到?jīng)_擊的瞬間，產(chǎn)生的形變和應(yīng)力無法保持，因此通過比選，采用了非破壞的聲發(fā)射測試法（AE信號測試法）進(jìn)行測試[4]。

1.2.1 試驗(yàn)方法

圖1 AE試驗(yàn)臺(tái)及信號模擬流程

圖2 薄膜試件的形狀

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著對儲(chǔ)罐薄膜進(jìn)行沖擊的落體重量的增加，AE系統(tǒng)測試得到的沖擊能量也線性增加，而環(huán)狀結(jié)節(jié)薄膜所受到的沖擊能量只相當(dāng)于普通平板鋼的一半左右，因此薄膜上的“環(huán)狀結(jié)節(jié)”可吸收儲(chǔ)罐內(nèi)液體晃蕩或初期LNG充裝產(chǎn)生的形變，因而被認(rèn)為是大幅提高儲(chǔ)罐薄膜安全性的設(shè)計(jì)。

表1 AE試驗(yàn)結(jié)果和參數(shù)對比

1.3 儲(chǔ)罐薄膜的開發(fā)[2]

KOGAS在先后引進(jìn)了法國GTT以及日本三菱重工（MHI）、石川島播磨重工（IHI）、川崎重工（KHI）的薄膜儲(chǔ)罐技術(shù)后，也開發(fā)出了自己的“環(huán)狀結(jié)節(jié)”波紋薄膜材料。經(jīng)過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，最終改進(jìn)、開發(fā)出屬于KOGAS自己的儲(chǔ)罐薄膜技術(shù)，并于1997年取得了法國國際專利。圖3為KOGAS薄膜基本形狀示意。

圖3 KOGAS薄膜基本形狀示意

薄膜的基本結(jié)構(gòu)是3條直線褶皺成1對，每對具有正交的形態(tài)。正交垂直褶皺位于水平褶皺中央的上下，這就使水平褶皺能夠靈活變形。因此，整體形變將采用儲(chǔ)罐薄膜對角線中心的轉(zhuǎn)彎變形形式，這樣相對變形較小。

KOGAS開發(fā)的儲(chǔ)罐薄膜僅僅是基本概念，若打算將該專利技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)罐建設(shè)，還要解決諸如最佳的波紋形式、波紋間距、錨固點(diǎn)、應(yīng)力最小化的波紋分布等問題。KOGAS主要采用有限元因素分析方法進(jìn)行研究，有限元素的大小基本是4 mm的四邊形單元（Shell element）。

1.3.1 儲(chǔ)罐薄膜的有限元分析

首先以應(yīng)力-變形率為先導(dǎo)輸入，分析出儲(chǔ)罐薄膜的形變分布、應(yīng)力分布。各方面均賦予對稱性條件，并考慮了熱變形特性，最終確定波紋形狀、間距和錨固點(diǎn)位置等，由此確定了儲(chǔ)罐薄膜的基本形狀。

1.3.2 基本形狀試驗(yàn)[5]

LNG儲(chǔ)罐具有比較特殊的結(jié)構(gòu)形式，尚沒有相應(yīng)的明確的災(zāi)害處理標(biāo)準(zhǔn)及安全性評估法。因此，KOGAS按照日本天然氣協(xié)會(huì)制定的《LNG地下儲(chǔ)存罐指南（RPIS）》對儲(chǔ)罐薄膜的安全性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。按照儲(chǔ)罐薄膜的設(shè)計(jì)形狀，KOGAS開發(fā)出專用模具，制作出儲(chǔ)罐薄膜試件，并進(jìn)行了安全性測試。

（1）靜載荷安全性測試。為了掌握靜態(tài)載荷的安全性，設(shè)定在實(shí)際發(fā)生溫度變化為最大（Δt=190℃），其相應(yīng)機(jī)械變形為4.8 mm時(shí)，測試薄膜波紋部分的形變特點(diǎn)。即使用預(yù)測的變量，在薄膜各部位施加三軸壓力，測出各部位形變。測試結(jié)果顯示，在波紋上部發(fā)生了壓縮形變，在波紋下部發(fā)生了拉伸形變，分析由這些形變量增加所導(dǎo)致的形變率變化，結(jié)果顯示，薄膜的所有波紋部位均有穩(wěn)定的形變特性。

（2）模擬工作負(fù)荷測試。為了確認(rèn)儲(chǔ)罐在承受實(shí)際LNG儲(chǔ)罐工況最嚴(yán)苛的負(fù)荷條件之一時(shí)，即由溫度引起的變形和由壓力引起的變形同時(shí)達(dá)到最大時(shí)的安全性，在進(jìn)行壓力負(fù)荷試驗(yàn)前，先對薄膜進(jìn)行了4.8 mm的拉伸變形，而后在薄膜熱負(fù)荷達(dá)到最大時(shí)施加最大壓力，以模擬最嚴(yán)苛的工作負(fù)荷。壓力負(fù)荷的安全性確認(rèn)試驗(yàn)是以對應(yīng)140 000 m3容積的儲(chǔ)罐預(yù)計(jì)壓力值進(jìn)行試驗(yàn)的，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。從結(jié)果中可以看出，隨著壓力的增加，波紋各部位形變也呈現(xiàn)出穩(wěn)定增加的趨勢，由此可見，由壓力產(chǎn)生的形變非常穩(wěn)定。

圖4 壓力荷載作用下的薄膜波紋應(yīng)變測量值

（3）薄膜漸進(jìn)形變試驗(yàn)。薄膜儲(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)，LNG的排放和充裝將導(dǎo)致溫度、壓力發(fā)生變化，這將對儲(chǔ)罐薄膜產(chǎn)生循環(huán)沖擊。因此在該工況下，要求儲(chǔ)罐薄膜的波紋部分隨著液位的增加，其產(chǎn)生的變形量不能連續(xù)上升。保證滿足這一要求的方法是，其壓力變化應(yīng)低于設(shè)計(jì)理論分析建議的不超過3倍許用強(qiáng)度（137 MPa×3=411 MPa）變化的要求，如果不滿足，則要進(jìn)行10次溫度/壓力變化下的連續(xù)負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)，以確認(rèn)不發(fā)生連續(xù)變形。經(jīng)過測試，得到了如圖5所示的結(jié)果。圖5表明，罐壁及罐底部薄膜的變形都很穩(wěn)定，均未發(fā)生漸進(jìn)性變形。

圖5 薄膜漸進(jìn)形變試驗(yàn)

1.4 儲(chǔ)罐薄膜的疲勞壽命分析

儲(chǔ)罐薄膜應(yīng)滿足的疲勞壽命是根據(jù)LNG儲(chǔ)罐的操作情況確定的。儲(chǔ)罐內(nèi)部液位、溫度的變化將導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變變化，這對薄膜的疲勞壽命將產(chǎn)生影響。在薄膜儲(chǔ)罐運(yùn)行期間，典型負(fù)荷包括：液位變化，其在薄膜上產(chǎn)生的最大應(yīng)變設(shè)定為ε1；溫差變化Δt=90℃（預(yù)冷），其在薄膜上產(chǎn)生的最大應(yīng)變設(shè)定為ε2；溫差變化Δt=190℃（充裝），其在薄膜上產(chǎn)生的最大應(yīng)變設(shè)定為ε3。將模擬計(jì)算得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行計(jì)算，得到等效應(yīng)變值：

疲勞壽命評價(jià)是根據(jù)設(shè)計(jì)疲勞曲線，由變形率組合而成的常年應(yīng)力進(jìn)行評價(jià)的。在求得MINER疲勞損傷累積系數(shù)M后，再據(jù)之進(jìn)行安全性評價(jià)。當(dāng)M=1時(shí)失效，當(dāng)M＜1時(shí)不失效。根據(jù)表2所示的分析結(jié)果，儲(chǔ)罐薄膜的疲勞壽命完全滿足儲(chǔ)罐的正常操作循環(huán)要求。

表2 罐壁薄膜的MINER疲勞損傷累積系數(shù)

2 薄膜儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)改進(jìn)[6]

開發(fā)出薄膜技術(shù)后，KOGAS在全容罐設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了薄膜罐整體技術(shù)設(shè)計(jì)。韓國早期引進(jìn)的薄膜罐中，因薄膜內(nèi)罐幾乎沒有強(qiáng)度，因此罐內(nèi)循環(huán)泵的脫落會(huì)損傷罐底薄膜，從而產(chǎn)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對泵的跌落，KOGAS對薄膜罐進(jìn)行了4次理論上的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

薄膜罐的設(shè)計(jì)改進(jìn)型1：內(nèi)罐底板上安裝了鋼板吸收結(jié)構(gòu)（absorber structure），用于應(yīng)對罐內(nèi)泵的跌落碰撞，防止損傷薄膜。

薄膜罐的設(shè)計(jì)改進(jìn)型2：在接收沖擊的構(gòu)造中，在儲(chǔ)罐底部的絕熱材料內(nèi)設(shè)置0.5 mm厚鋁制二次阻隔膜（second barrier），用于在內(nèi)膜受損泄漏的情況下，次屏膜能阻止泄漏的擴(kuò)散。

薄膜罐的設(shè)計(jì)改進(jìn)型3：為了進(jìn)一步避免儲(chǔ)罐受罐內(nèi)泵跌落的影響，在吸收構(gòu)造中安裝了泵捕獲器（pump catcher），用于固定跌落的泵體，避免泵體被液流帶到其他地方而損傷罐底設(shè)備和內(nèi)膜。

薄膜罐的設(shè)計(jì)改進(jìn)型4：在吸收結(jié)構(gòu)和泵捕獲器處，在儲(chǔ)罐底部的絕熱材料內(nèi)增設(shè)0.5 mm厚的鋁制第二次阻隔膜，以提高安全系數(shù)。

KOGAS產(chǎn)品研究室利用故障樹分析法完成了標(biāo)準(zhǔn)全容罐與薄膜罐的定量危險(xiǎn)性比較評價(jià)?？偣矊?種設(shè)計(jì)模型（1種全容罐和5種薄膜罐）進(jìn)行了評價(jià)，薄膜罐為KOGAS的早期設(shè)計(jì)模型和4種設(shè)計(jì)改進(jìn)模型。評價(jià)結(jié)果表明，除了還沒有被改進(jìn)的薄膜儲(chǔ)罐（初期模型）之外，對于4種改進(jìn)型薄膜罐模型和全容罐模型，其預(yù)測的危險(xiǎn)程度水平非常相似，每個(gè)儲(chǔ)罐都顯示為同一危險(xiǎn)級別。

3 試驗(yàn)儲(chǔ)罐的建設(shè)

在完成了對薄膜罐的設(shè)計(jì)和安全性評估后，KOGAS研發(fā)部門開始進(jìn)行薄膜罐的設(shè)計(jì)建設(shè)工作，于2000年9月開始在仁川LNG接收站建造容積為1 000 m3的地上薄膜式試驗(yàn)儲(chǔ)罐（見圖6），并于2001年12月完成試運(yùn)行[7]。

圖6 KOGAS建設(shè)的試驗(yàn)薄膜罐

建設(shè)試驗(yàn)儲(chǔ)罐的目的是驗(yàn)證由KOGAS開發(fā)的相關(guān)設(shè)施，如密封薄膜、絕熱材料等在低溫下的性能，以及一些測量設(shè)備如冷卻溫度傳感器、薄膜應(yīng)變測試儀的性能，并對LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行多方面測試。

3.1 試驗(yàn)儲(chǔ)罐的主要特點(diǎn)

KOGAS試驗(yàn)薄膜儲(chǔ)罐的主要參數(shù)如表3所示。

表3 KOGAS試驗(yàn)薄膜儲(chǔ)罐的主要參數(shù)

3.2 內(nèi)罐描述

儲(chǔ)存LNG的內(nèi)罐采用了KOGAS研發(fā)部門開發(fā)的2 mm厚304不銹鋼薄膜和204 mm厚聚氨酯泡沫絕緣板。為了測量儲(chǔ)罐運(yùn)行過程中薄膜的變化，在側(cè)壁膜上安裝了150個(gè)帶熱電偶的應(yīng)變片，在底部膜上安裝了90個(gè)。收集240個(gè)應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)用于與理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。這些數(shù)據(jù)對于理解膜的性能、優(yōu)化膜的形狀和按比例放大膜的尺寸有很大的幫助。

4 薄膜儲(chǔ)罐技術(shù)的應(yīng)用[8]

經(jīng)過仁川接收站試驗(yàn)儲(chǔ)罐的驗(yàn)證和技術(shù)改進(jìn)后，KOGAS于2008—2009年，采用KOGAS薄膜技術(shù)，在仁川接收站建造了2座20×104m3的地下儲(chǔ)罐（19#、20#），于2019年在濟(jì)州島接收站建造了2座4.5×104m3的地上薄膜罐。

4.1 仁川接收站

仁川接收站二期均為容積為20×104m3的地下式薄膜罐，其中11#、12#為MHI技術(shù)，13#、14#為IHI技術(shù)，15#～18#為KHI技術(shù)。19#、20#采用KOGAS技術(shù)的薄膜罐外觀及示意如圖7所示，參數(shù)為：內(nèi)罐直徑72.012 m，內(nèi)罐高度52.250 m，外罐直徑78.612 m，外罐高度62.806 m，液位高度49.3 m，擋水墻厚1.8 m，絕熱層厚204 mm。

圖7 仁川接收站薄膜罐外觀及示意

4.2 濟(jì)州島接收站

濟(jì)州島接收站為KOGAS第二次應(yīng)用自己研發(fā)的薄膜罐技術(shù)進(jìn)行建造，共2座儲(chǔ)罐，單罐容量為4.5×104m3。KOGAS對外宣稱該次應(yīng)用的薄膜罐技術(shù)為世界首臺(tái)全容式薄膜儲(chǔ)罐，與以往KOGAS改進(jìn)型（在絕熱層中加入鋁箔次屏蔽膜）儲(chǔ)罐不同，此次在內(nèi)罐底與罐壁5.19 m高的熱角保護(hù)區(qū)，采用了形狀相同的兩層不銹鋼波紋薄膜，即次屏蔽膜采用了不銹鋼，中間用膠合板作為夾層，如圖8所示。濟(jì)州島接收站于2019年12月完成了竣工儀式，2020年1月進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q。由小型LNG船從統(tǒng)營（Tongyoung）接收站運(yùn)輸LNG到濟(jì)州島，用于發(fā)電和生活用氣。

圖8 KOGAS全容式薄膜罐技術(shù)示意

5 結(jié)束語

KOGAS引進(jìn)LNG薄膜罐技術(shù)的過程比較科學(xué)和謹(jǐn)慎。首先，對材料進(jìn)行了相對完整的檢驗(yàn)測試；開發(fā)出基本薄膜形狀后，又對薄膜進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的測試，再進(jìn)行薄膜罐的設(shè)計(jì)與技術(shù)改進(jìn)，并對技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論上的安全論證。理論驗(yàn)證后建造試驗(yàn)罐，對試驗(yàn)罐運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)后才真正在接收站中進(jìn)行應(yīng)用。建議我國在引進(jìn)并轉(zhuǎn)化薄膜罐技術(shù)中更多地參照韓國的轉(zhuǎn)化流程與思路，以確保技術(shù)的安全性與先進(jìn)性。