大型LNG儲罐建造工藝

文/曹珂寧 呂文成 董向鋒 董雷

隨著全球燃料供應(yīng)日趨緊缺，天然氣在全球燃料構(gòu)成尤其是一次能源的比例將逐步提高。LNG（液化天然氣）儲罐是液化天然氣充裝站的主要裝置，它在天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上扮演調(diào)峰儲配的作用。到目前為止中國還缺失液化天然氣貯罐標(biāo)準(zhǔn)，尤其是大型低溫LNG儲罐設(shè)計與建造規(guī)范，目前在規(guī)范制定上正迎頭趕上一些先進(jìn)國家。加大對LNG儲罐技術(shù)的研發(fā)對于加快中國天然氣產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，以及緩解環(huán)保問題和能源危機，都有著非常關(guān)鍵的現(xiàn)實意義。本文介紹了液化天然氣的優(yōu)點，并根據(jù)儲罐不同的用途和類型對LNG儲罐進(jìn)行分類，介紹了常見儲罐施工程序，并指出了液化天然氣儲罐向大型化的趨勢演變。液化天然氣是一種高效、清潔的能源，涉及的物理參數(shù)有壓力、溫度、流量、焓、熵等；液化的天然氣存放在特殊的儲罐里，通過半掛車、列車、船舶等交通手段運送LNG，再通過超低溫保冷儲罐貯存、再氣化的方法提供下游使用。LNG提氣方法和常規(guī)燃?xì)膺\輸方法比較，LNG熱值高，能覆蓋沒有天然氣氣源的地區(qū)，無毒無害等優(yōu)點。

1.液化天然氣（LNG）的優(yōu)點

液化天然氣熱值高，每立方米天然氣能釋放八千到1萬卡的熱量。天然氣的氣源經(jīng)常離應(yīng)用場所比較遠(yuǎn)，長輸管道受運力、環(huán)境等因素影響較大，成本高昂，而LNG比常壓天然氣體積縮小600倍，大大縮減儲存體積。同時，由于LNG的比重不到水的一半且不溶于水，使得LNG在儲運等方面具有明顯的優(yōu)勢。LNG儲存效率高，燃燒后基本上不產(chǎn)生污染，LNG作為城市應(yīng)急儲備調(diào)峰能源，在供氣充足時把天然氣液化后儲存起來，在城市需求天然氣高峰時在氣化輸進(jìn)城市管網(wǎng)，具有重大應(yīng)用價值。

2.LNG儲罐概述

LNG儲罐是液化天然氣接收站的主要設(shè)備。按儲罐結(jié)構(gòu)可分為半球形罐、單罐、雙罐、滿罐和膜罐。單罐外罐一般采用普通碳鋼，但不能承載低溫液化天然氣。整體設(shè)計需要較大的安裝高度和地理范圍，還需要安裝防火墻。單罐工作壓力小，卸載后氣體返回時應(yīng)設(shè)置風(fēng)機。但單容罐投資也相對較小。由于它們的可靠性不如其他類型的儲罐，近年來在生產(chǎn)工廠和接收站也較少使用。雙罐用耐低溫的金屬片或混凝土外罐，當(dāng)內(nèi)缸泄漏時，內(nèi)部氣體也會泄漏，而低液位高度時不會漏氣,且穩(wěn)定性也較單罐為高。因此一般不要求有風(fēng)火墻,但安全防護(hù)間距有較高要求。全罐結(jié)構(gòu)主要使用了9%的鎳鋼內(nèi)筒，9%鎳鋼或混凝土外筒和頂蓋結(jié)構(gòu)。外瓶能接收從內(nèi)瓶中泄漏的液化天然氣和氣體，無泄漏，安全性高。為其他設(shè)備充氣時，可將蒸發(fā)氣體通過罐內(nèi)自身壓力充入充氣系統(tǒng)，節(jié)省了壓力裝置，減少了運行投資。對罐的設(shè)計選擇應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場所、建設(shè)資金、運行時間、環(huán)境等綜合情況考量[1]。

3.LNG儲罐設(shè)計

LNG儲罐的設(shè)計主要涉及儲罐的類型選擇與設(shè)置方式二方面。

3.1 儲罐選型。LNG儲罐一般分成單容罐、雙容罐、全容罐、球形罐等幾類，罐通常由內(nèi)罐與外罐構(gòu)成，內(nèi)、外罐內(nèi)填保冷料。

3.1.1 單容罐。單容罐采用內(nèi)罐頂和外觀拱頂結(jié)構(gòu)。內(nèi)罐用于裝液化天然氣，外罐用于裝蓄冷材料和閃蒸。單容罐通?？稍诒荛_人口密集區(qū)、不易于發(fā)生災(zāi)害性損壞(比如火災(zāi)事故等)的地方采用，即對其采用的安全距離和區(qū)域面積都有相應(yīng)的要求。由于容易泄露也是實際應(yīng)用中面臨的一個問題，所以，對其安全檢測與操作條件的要求也較高，必須設(shè)有防火堤[2]。因為單容罐的穩(wěn)定性較低，所以近年來在LNG制造廠和收集站中已較少應(yīng)用。

3.1.2 雙容罐。雙容罐由單容罐和混凝土或低溫鋼制成的高圍堤構(gòu)成。如內(nèi)筒泄漏，氣體會泄漏，但液體不會泄漏，增加外部安全性。相對的，在外部的隱患出現(xiàn)后，其內(nèi)筒有一定的防護(hù)能力，安全性較高。按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，雙罐不需要單獨設(shè)置防火墻，但要求有較大的安全防護(hù)距離。事故發(fā)生時，LNG罐中大量氣體泄漏，但裝置控制系統(tǒng)仍在工作。雙罐造價也略高于單罐，約為單罐的1.1倍，但低于滿罐(約1/10~21/5)，施工時間也略長于單罐。

3.1.3 全容罐。內(nèi)罐通常用9%鎳鋼制成，外罐、頂、底板用9%鎳鋼或混合土制成。外罐與內(nèi)罐的相互間隙約為1.0~2.0m，允許內(nèi)罐的LNG氣體泄漏到外罐，可大大減少火災(zāi)事故的發(fā)生全容罐的外部罐體能承受從內(nèi)罐泄露的LNG及其氣體氣，而不致向外部泄露，對比雙容罐安全保護(hù)范圍也小了不少。如意外出現(xiàn)，對設(shè)備的檢測以及物料的運輸依然能夠持續(xù)。當(dāng)使用金屬材料頂罩時，全容貯罐的設(shè)計工作工作壓力與單容罐和雙容罐的設(shè)計要求相同。當(dāng)使用混泥土頂罩(內(nèi)設(shè)置鋁頂板)時，雖安全性能提高，但建設(shè)投資也隨之提高。全容罐具有混凝土的外壁，承受外來物體的打擊和熱輻射性能較強，具有良好的耐受性。目前使用的全容式LNG儲罐容積多為5000m3-50000m3。

3.2 LNG儲罐選擇及比較。LNG罐型的選用條件是安全可靠、投資小、壽命長、工藝完善、系統(tǒng)具有高整體性、易于制造以及整套設(shè)備的運行投資少[3]。LNG儲罐選擇因素有:①單容罐的BOG處理時間較大，后期的運行費用較高。②雙容罐和單容罐都要求的安裝高度，并必須安裝返回氣鼓風(fēng)機，運行費用也較高。③全容罐費用稍高于雙容罐，雙容罐仍優(yōu)于單容罐價格。④全容罐的穩(wěn)定性良好，運行時間也較低，并可帶來額外的安全和技術(shù)價值(較高的操作壓力)。在容積要求比較大的應(yīng)用場所比如城市燃?xì)庹{(diào)峰儲氣要求的儲罐，一般都是全容罐。全容罐建造簡介：地上式全容罐一般由內(nèi)外兩層絕熱立體式平底圓柱構(gòu)成。與LNG直接接觸的內(nèi)罐主要采用從意大利引進(jìn)的9%Ni鋼，外罐罐壁為頂應(yīng)力鋼筋混凝土，罐頂有懸掛式支撐構(gòu)建，外罐與內(nèi)罐之間采用珠光砂、彈性玻璃纖維保冷，罐底采用泡沫玻璃磚等材料保冷絕熱。

4.LNG儲罐施工

4.1 內(nèi)罐罐壁施工。LNG儲罐內(nèi)罐要儲存-163℃的液化天然氣，內(nèi)罐材料和焊接水平要求非常高。經(jīng)過反復(fù)實踐比較，現(xiàn)在一般使用9%Ni鋼，因為9%Ni鋼有很高的機械強度，良好的焊接性能和優(yōu)異的超低溫性能因而被廣泛應(yīng)用。金屬罐的安裝工藝分兩類：正裝法和倒裝法，正裝法是從罐壁為基礎(chǔ)生活依次拼裝焊接，最后組焊完成了頂部護(hù)墻板、抗風(fēng)圈和頂端包邊角鋼板，包括外部腳手架安裝方法和內(nèi)部掛式模板安裝方法；在鋪設(shè)焊接好水箱底板后，先將頂部面板和角鋼板組裝焊接好，再將水箱頂部組裝焊接好，再將每一層墻板從上到下組裝焊接好，直到底板。此外，還有中心立柱安裝法、側(cè)壁倒置法、充氣頂升法、水浮頂升法等。

4.2 外罐罐壁施工。LNG罐的外罐施工關(guān)鍵工序:樁基施工—安裝塔式起重機—支承架施工—罐壁施工—外環(huán)梁施工—穹頂施工[4]。

4.2.1 樁基工程。樁基施工成為整體儲罐建造的一步，必須充分考慮所在位置的地質(zhì)條件。LNG儲罐重量很大，如果沒有牢固的巖石面基礎(chǔ)通常必須打很深的預(yù)應(yīng)力混凝土樁，通過混凝土樁和巖石地層的摩擦力成為罐體的基礎(chǔ)。

4.2.2 塔吊及布料機布置原則。儲罐結(jié)構(gòu)高度較高,建筑跨度大，建筑物料的水平和垂直搬運都相對頻繁，因此為了適應(yīng)儲罐的建筑要求，從承臺澆筑起就必須投入大批的建筑施工機具。

4.2.3 承臺施工。鑄造過程：澆筑混凝土地面-臺階綁扎—鋪設(shè)減振器橡膠墊—鋪設(shè)承臺—鋪設(shè)木底座—安裝平臺模具—鋪設(shè)承臺—鋪設(shè)承臺地下室內(nèi)承桿—鋪設(shè)鉆孔彎曲直徑測量管—鋪設(shè)施工縫內(nèi)鋼網(wǎng)—承臺內(nèi)環(huán)被分成四塊，對稱，澆筑混凝土與養(yǎng)護(hù)—鋪設(shè)帽座地下室外環(huán)—鋪設(shè)外豎向鋼筋直徑與環(huán)波紋管—鋪設(shè)帽座槽壁嵌件直徑與導(dǎo)壁掛?！佋O(shè)帽座內(nèi)?！w板外環(huán)共四塊，對稱澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)。

4.2.4 墻板施工。罐壁第一層澆筑，在施工完成的孔壁及導(dǎo)墻內(nèi)固定徑性鋼桿—穩(wěn)定外立桿及低溫鋼筋直徑網(wǎng)塊—安置徑性鋼桿及內(nèi)外鋼筋直徑網(wǎng)塊—安置豎向環(huán)向預(yù)應(yīng)力箍筋—安置豎向環(huán)向預(yù)留洞—穩(wěn)定外拉鉤鋼筋直徑—安置多卡內(nèi)鋼筋支撐槽鋼—安置豎向圍領(lǐng)或剪切機架—安置內(nèi)鋼筋—安置定位錐—安置外鋼筋—安置內(nèi)對拉螺桿—模板合攏校正—澆注混泥土[5]。

4.2.5 環(huán)梁施工。模板上放置承壓環(huán)F式模板,其余均同標(biāo)準(zhǔn)層。環(huán)梁施工：由機械施工單位完成承壓水板環(huán)—捆扎鋼徑—安裝波紋管—安放埋件—混凝土環(huán)梁12a混合泥土—提升內(nèi)外側(cè)多卡模板的三級過程。

4.2.6 鋼穹頂氣升頂施工。拆掉了內(nèi)側(cè)的多卡模板及三層平臺，由機械施工單元以鋼穹丘氣升頂。環(huán)梁施工工藝：安裝鋼筋捆扎直徑—安裝預(yù)應(yīng)力箍筋—安裝施工縫扣板網(wǎng)—施工環(huán)梁水泥—安裝環(huán)梁欄桿攙扶—拆除外側(cè)鋼筋。

4.2.7 穹頂施工。分階段的鋼筋直徑綁扎—施工縫扣板網(wǎng)安裝—混泥土澆筑，根據(jù)建筑圖樣規(guī)定，一般自下而上分成6~8根圓環(huán)澆筑。

4.3 外罐的護(hù)角。包邊由帶邊緣擋板的第二個底板、垂直罐壁和帶密封圈的錨板所構(gòu)成。包邊系統(tǒng)必須充分考慮由正常操作和非正常情況下的泄漏所造成的第二個底板和壁面的壓縮和擴張，也必須充分考慮由環(huán)隙空間的LNG系統(tǒng)自動控制的從最小泄漏狀況(冷量影響+液態(tài)靜壓)到最高泄漏狀況，即外罐全面滿足泄漏LNG(冷量影響+液態(tài)靜壓)的現(xiàn)象。在所有載荷狀況下，包邊系統(tǒng)均可避免液體的泄漏。包邊內(nèi)的空氣壓強應(yīng)與罐的壓強相平衡。用作包邊的材料與內(nèi)罐的鋼材相同。

4.4 外罐罐底、罐壁襯板和罐頂。外罐的罐底、罐壁襯板和罐頂基礎(chǔ)上要安裝襯板層，以避免水蒸氣從混泥土外罐吸入或蒸發(fā)后氣體從混泥土外罐逸出。

5.結(jié)語

大型LNG儲罐的建設(shè)工藝復(fù)雜，施工質(zhì)量要求極高，在建設(shè)周期內(nèi)應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同地區(qū)的地質(zhì)條件與工藝要求選定儲罐的種類和施工工藝，達(dá)到項目預(yù)期要求。

引用出處

[1]本刊通訊員.我國規(guī)模最大液化天然氣儲備基地建在江蘇鹽城[J].城市燃?xì)?2022(000-004).

[2]龔洪偉.基于地震響應(yīng)分析的超大容積液化天然氣LNG儲罐基礎(chǔ)方案對比研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2021,000(005):17-19.

[3]呂文斌,劉超,趙影浩,等.液化天然氣閥門延伸控制裝置及應(yīng)用[J].石油石化物資采購,2020(4):1.

[4]萬里平,武銅柱,李曉琳.大型LNG儲罐整體溫度場分析的參數(shù)化建模和計算[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2020,41(3):6.

[5]祁欣源.大型液化天然氣儲罐的發(fā)展[J].石油石化物資采購,2020(30):1.