大型LNG儲罐關鍵技術

摘 要

摘要：論述了大型LNG儲罐的建造標準、罐體材料、罐體設計、焊接、絕熱、施工。指出9Ni鋼強度、韌性需改進，可嘗試細化晶粒、提高純凈度、添加合金元素等方法。9Ni鋼焊接不當易
摘要：論述了大型LNG儲罐的建造標準、罐體材料、罐體設計、焊接、絕熱、施工。指出9Ni鋼強度、韌性需改進，可嘗試細化晶粒、提高純凈度、添加合金元素等方法。9Ni鋼焊接不當易造成電弧磁偏吹、焊接裂紋及焊接接頭低溫韌性差，可通過選用合適的焊材、減小弧坑、控制焊接線能量來改善。針對儲罐的特殊結構及絕熱要求，應進行詳細的結構設計及計算，選用合適的絕熱材料及施工方案。為盡快提升我國大型LNG儲罐建造水平，制定相關標準十分必要。
關鍵詞：大型儲罐；LNG儲罐；9Ni銅焊接；低溫設備；絕熱設備
Key Technologies of Large LNG Storage Tanks
YIN Jinsong，MA Xiaohong，CHEN Shuping
Abstract：The manufacturing standard，material，design，welding，insulation， construction of large LNG storage tanks are described.The strength and toughness of 9Ni steel may be improved by refining the grain，increasing the purity and adding alloy elements.The improper welding of 9Ni steel may cause arc magnetic blow，welding cracks and poor low-temperature toughness of welding joint，which can be solved by selecting proper welding material，minimizing the arc crater and controlling the welding heat input.For the special structure and insulation of large LNG storage tanks，it is necessary to make a detailed structure design and calculation，select appropriate insulation materials and construction scheme.To enhance the construction level as early as possible，it is urgent to make a domestic standard of large LNG storage tanks.
Key words：large storage tank；LNG storage tank；9Ni steel welding；cryogenic equipment；adiabatic equipment
1 概述
    隨著LNG行業(yè)的發(fā)展和需求量的增加，LNG低溫儲罐也在不斷地向著大型化發(fā)展。大型LNG儲罐儲存效率高，占地面積小，節(jié)省費用，便于操作管理，儲存規(guī)模易于大型化，是液化天然氣接收終端、天然氣液化廠及城市燃氣儲存設備的首選。大型LNG儲罐主要采用拱頂平底雙圓筒結構，粉末絕熱，其儲存容積通常在5000m3以上，工作壓力為3.4～17.2kPa，工作溫度為低溫[1～5]。
    大型LNG儲罐在國外的發(fā)展起步較早，1958年美國芝加哥橋梁鋼鐵公司在路易安那州建造了第一座工業(yè)規(guī)模的LNG儲罐，容積為5550m3。從20世紀50年代到80年代，雙壁絕熱平底LNG儲罐容積不斷擴大[6～7]：60年代為(1～3)×104m3.70年代為(5～10)×104m3，80年代已超過20×104m3。日本是世界上建造大型LNG儲罐最多的國家，其大型常壓LNG儲罐最大容積已達20×104m3，正在橫濱LNG廠籌建25×104m3大型LNG儲罐，這個世界上最大的LNG儲罐將在2013年10月建成投產(chǎn)。國內(nèi)最早建造大型LNG儲罐始于上世紀90年代中期，上世紀90年代末，上海建造了我國第一臺2×104m3低溫LNG儲罐[8]。21世紀初以來，中海油、中石油、中石化三大集團分別在廣東、福建等沿海地區(qū)建設或籌劃建設大型LNG接收終端。目前，國內(nèi)大型儲罐從材料、設計及施工等方面均已全面實現(xiàn)了國產(chǎn)化，如大連和江蘇LNG項目。從國內(nèi)外的經(jīng)濟發(fā)展及大型LNG儲備庫建設情況來看，大型LNG儲罐將是LNG行業(yè)未來主要發(fā)展趨勢。
2 大型LNG儲罐結構
2.1 大型LNG儲罐分類
    根據(jù)LNG的性質(zhì)和儲液的需要，大型LNG儲罐目前普遍采用以下3種形式：
   ① 大型LNG常壓儲罐。
   ② 大型LNG子母罐：外罐采用平底拱頂結構，內(nèi)罐由若干子罐組成；夾層充填珠光砂；子罐一般采用圓筒形，預制檢驗合格后運至現(xiàn)場；外罐預制好運至現(xiàn)場安裝。子母罐使用靈活，易于安裝。
    ③ 大型LNG球罐：內(nèi)外罐均采用球形，或外罐采用圓筒形，內(nèi)罐采用球形，可承壓；夾層充填珠光砂；工廠預制球瓣，運至現(xiàn)場安裝。該型儲罐儲存容量大，受力均勻，承載能力高，保冷性能好，但其施工難度要高于前兩種儲罐，安裝要求高。
    本文僅局限于探討大型LNG常壓儲罐。
2.2 大型LNG常壓儲罐[9]
    大型LNG常壓儲罐一般采用立式雙圓筒結構，儲罐由內(nèi)罐、外罐、安全泄放裝置、測量分析儀表、泵、閥及管路系統(tǒng)等組成。內(nèi)罐由9Ni鋼制成，內(nèi)罐頂一般采用吊頂結構，通過吊桿懸掛在外罐拱頂上，吊頂甲板與內(nèi)罐的縫隙采用鋁板密封，防止灰塵、絕熱材料或其他雜質(zhì)漏入內(nèi)罐。罐內(nèi)為常壓，最高工作壓力為0.02MPa。外罐材料為碳素鋼，平底拱頂結構，最高工作壓力約為0.001MPa。夾層一般采用充填珠光砂的方式來絕熱，罐底則采用玻璃磚絕熱，罐頂通常采用巖棉絕熱。儲罐安全泄放裝置由內(nèi)罐安全閥、外罐安全閥、緊急放空閥、最高液位報警器、內(nèi)罐溢流閥等組成。內(nèi)罐安全閥用于超壓保護，當儲罐內(nèi)壓力超過正壓上限值時安全閥開啟，以保護儲罐。外罐頂部裝有呼吸閥和緊急放空閥，呼吸閥用以保證夾層內(nèi)維持微正壓，同時具有呼與吸兩項功能；緊急放空閥在緊急情況時使用，即當內(nèi)罐液體泄漏流入夾層后大量氣化，夾層內(nèi)壓力迅速升高時，緊急放空閥開啟泄壓，以防發(fā)生意外。儲罐還裝有液位、壓力顯示儀表、分析取樣儀表以及內(nèi)罐溢流閥等。大型LNG常壓儲罐內(nèi)罐、外罐均為工廠預制散件，現(xiàn)場組焊，對焊接、施工水平、施工管理以及檢驗技術等方面的要求較高，施工現(xiàn)場工作量大。大型LNG常壓儲罐儲存容積大，壁厚薄，蒸發(fā)率低，罐頂采用吊頂結構，內(nèi)罐與夾層相通，使得儲罐在正常低溫工況下內(nèi)罐不承受氣相空間壓力，僅承受LNG的液柱靜壓力，這比以前國內(nèi)低溫常壓罐采用內(nèi)拱頂結構安全得多。
2.3 大型LNG儲罐相關標準
    在大型低溫LNG儲罐設計與建造方面，美國、英國、日本等工業(yè)發(fā)達國家都分別制訂了專門的規(guī)范標準。
    ① 美國
    API STD 620《大型焊接低壓儲罐設計與建造》；
    NFPA 59A《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運標準》。
    ② 英國
    BS 7777-1《低溫用平底、立式、圓柱形儲罐—罐儲的設計、制造、安裝和操作的一般規(guī)定指南》；
    BS 7777-2《低溫用平底、立式、圓柱型儲罐—儲存最低溫度達-165℃液化氣體的單層、雙層和全密封金屬罐的設計和制造規(guī)范》；
    BS 7777-3《低溫用平底、立式、圓柱形儲罐—預應力鋼筋混凝土罐基礎的設計和制造及罐內(nèi)襯和罐涂層的設計和安裝推薦方法》。
    ③ 歐盟
    BS EN 14620-1《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計與建造—金屬構件》；
    BS EN 14620-3《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計與建造—混凝土構件》；
    BS EN 14620-4《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計與建造—隔熱構件》
    BS EN 14620-5《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計與建造—試驗、干燥、除掃和冷卻》。
    ④ 日本
    JGA指-107-02《液化天然氣(LNG)地下儲罐指南》；
    JGA指-108-02《液化天然氣(LNG)地上儲罐指南》；
    JGA指-102-03《液化天然氣(LNG)接收站設備指南》；
    JGA指-105-03《液化天然氣(LNG)小型接收站設備指南》。
3 大型LNG常壓儲罐關鍵技術
3.1 內(nèi)罐罐體材料
    大型LNG儲罐內(nèi)罐用低溫材料的選用是其設計與制造的關鍵技術之一。由于LNG儲罐的工作溫度為-163℃，要求內(nèi)罐材料不僅要有必要的強度指標，而且還要保證塑性、韌性以及良好的可成型性和焊接性，同時價格相對較低。目前最常用的是9Ni鋼，又稱Ni9鋼，是含鎳量(質(zhì)量分數(shù))為8.5%～9.5%的超低溫鋼。對于LNG儲罐內(nèi)罐筒體，采用淬火+回火的9Ni鋼，其他結構件或經(jīng)受變形的部件，采用二次正火+回火的9Ni鋼[10]。
    太原鋼鐵(集團)有限公司已成功研制9Ni鋼，結束了我國9Ni鋼長期依賴進口的歷史。研究表明，國產(chǎn)9Ni鋼06Ni9包括-196℃沖擊功在內(nèi)的綜合性能指標超過了美國標準ASTM A553/A553M(Ⅰ型)和歐盟標準EN 10028的要求，與日本、歐洲按上述美歐標準生產(chǎn)的9Ni鋼水平相當或略高。2007年該鋼通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會組織的專家評審，可用于低溫儲罐和低溫壓力容器。在建的中石油江蘇南通、遼寧大連兩個LNG項目中的16×104m3大型LNG儲罐，其內(nèi)罐用低溫材料已選用國產(chǎn)9Ni鋼[11]。
    須強調(diào)的是，按現(xiàn)行大型LNG儲罐的制造技術條件，對9Ni鋼的力學性能，尤其是-196℃低溫沖擊功提出了如下更為嚴格的要求：抗拉強度為690～825MPa，屈服強度＞430MPa，伸長率＞35%，-196℃低溫沖擊功≥70J，試樣斷口側向鼓脹量0.38mm，-196℃沖擊試樣剪切斷面＞80%，-196℃ CTOD試樣裂紋尖端張開位移＞0.30mm[10]。
3.2 9Ni鋼焊接[10，12～13]
    對于大型LNG儲罐，9Ni鋼的焊接是其安裝成功的關鍵。9Ni鋼在焊接過程中既易發(fā)生熱裂紋，又存在氫致延遲裂紋傾向，同時施焊過程中還容易發(fā)生焊弧磁偏吹，是目前公認的難焊材料之一。實際建造中9Ni鋼的主要焊接方法有焊條電弧焊和埋弧焊。9Ni鋼施焊時須嚴格控制焊接熱輸入，一般不超過30kJ/cm，同時要嚴格保持焊接區(qū)和焊接環(huán)境的清潔。內(nèi)罐底板和內(nèi)罐殼體板縱縫采用焊條電弧焊；內(nèi)罐殼體板橫縫采用焊條電弧焊焊接根部焊道，埋弧焊填充蓋面；殼體上的筋板以角焊縫連接；內(nèi)罐與外罐底板均采用搭接接頭，以埋弧焊或半自動MIG焊焊接。焊接接頭須按美國ASME{鍋爐與壓力容器法規(guī)》的要求編制相應的焊接工藝規(guī)程，且通過焊接工藝評定試驗。對9Ni鋼用焊接材料的基本要求是：熔敷金屬不僅應滿足母材力學性能和-196℃低溫缺口沖擊韌性的要求，而且還應具有與母材相近的熱膨脹系數(shù)。鎳基合金焊接材料是當今最適用于9Ni鋼筒體主焊縫的焊接材料，這在9Ni鋼的焊接中是一項重大的技術突破。
    9Ni鋼大型LNG儲罐的焊接技術是世界性的大型焊接工程難題，急需研制性能更加優(yōu)異、更經(jīng)濟的焊接材料，開發(fā)效率更高、質(zhì)量更穩(wěn)定的焊接工藝。
3.3 罐體設計[14～15]
    國外大型LNG儲罐工程建設項目中，廣泛采用API STD 620(美國石油協(xié)會編制)或BS 7777(英國標準協(xié)會壓力容器委員會指導下編制)進行設計。
    大型LNG儲罐儲存容量通常按照液化裝置的液化能力、長距離運輸所需總容量或冬季燃氣調(diào)峰儲備來考慮。在容積確定后，根據(jù)內(nèi)罐表面積最小的要求，確定內(nèi)罐尺寸，再加以修正。內(nèi)罐的設計計算應充分考慮液柱靜壓力、氣相壓力、膨脹珍珠巖的側壓力、壓力試驗的影響以及地震荷載等因素。根據(jù)LNG液柱靜壓力等作用在罐壁上所產(chǎn)生的環(huán)向應力，計算罐壁的厚度。內(nèi)罐吊頂設計應考慮吊頂自身重量以及覆蓋在吊頂上的保冷材料、接管套筒、壓力平衡孔的重量以及施工中的臨時荷載。
    外罐的設計與普通的常溫罐類似。外罐的設計尺寸應滿足保冷的要求，同時又能供人員及設備的自由出入以及操作和檢修之便。外罐的罐頂需要考慮的荷載有風壓、夾層氣壓、罐頂自身重量及罐頂集中荷載等。
    由于低溫儲罐各部分間并非采用連續(xù)結構，因此在各結構不連續(xù)處均有較大的二次應力。這些部位就成了設計的關鍵部位，包括承壓圈區(qū)域、筒體與底板連接處、拉帶(錨栓)結構及其與筒體連接處等。
    儲罐基礎一般采用帶加熱系統(tǒng)的基礎或架空的混凝土承臺。
3.4 絕熱保冷
    大型LNG儲罐絕熱設計的目的是減少冷損失，節(jié)約能源。一般要求絕熱材料具有使用壽命長、組織穩(wěn)定性高、密度小、熱導率低、含水量少、抗壓性能好、不易燃等優(yōu)點[16]。
    內(nèi)罐頂部絕熱：因絕熱材料覆蓋在內(nèi)罐吊頂之上，無需承受設備和蒸發(fā)氣體的壓力，一般采用玻璃棉或毯。玻璃棉具有輕質(zhì)、可壓縮、高強度和高彈性等特性。為防止膨脹珍珠巖或其他雜質(zhì)通過縫隙進入內(nèi)罐，最上面一層玻璃棉或毯外側應帶鋁箔[17]。
    內(nèi)外罐夾層絕熱一般選用膨脹珍珠巖，膨脹珍珠巖是一種多孔的輕質(zhì)粒狀物料，熱導率低，化學穩(wěn)定性好。內(nèi)罐在接收低溫液體時會向內(nèi)收縮，內(nèi)、外罐環(huán)形空間內(nèi)的膨脹珍珠巖會向下沉降來填補罐體位移留下的空隙，這就導致環(huán)形空間上部保冷材料的流失，影響頂部絕熱效果。同時由于珍珠巖堆積密度加大也增大了對內(nèi)罐罐壁的外部壓力，當內(nèi)罐因溫度升高而向外膨脹時，這種外部壓力還會進一步加大，可能會造成內(nèi)罐壁承受不住外壓而失穩(wěn)；外罐也會隨著環(huán)境溫度的變化而收縮或膨脹，加劇這種現(xiàn)象。為了防止這種情況發(fā)生，一般在整個內(nèi)罐外壁上安裝一層彈性氈，只要所選彈性氈厚度滿足在確定壓力下的位移量大于內(nèi)、外罐體可能出現(xiàn)的最大位移量，就能補償罐體位移空隙，進而阻止了外壓的增大[16]。
    內(nèi)罐底部絕熱材料除了考慮絕熱，還應有足夠的抗壓強度，以支撐罐體自重、盛裝液體的重量以及其他荷載的壓力。通常將底部絕熱結構分成承壓圈和中心環(huán)兩部分，承壓圈采用珍珠巖混凝土或混凝土，其導熱性能穩(wěn)定、強度高、耐水、耐潮；而底部中心環(huán)一般采用玻璃磚或相當材料，其熱導率低、密度小、價格低、原始材料易得、制作方便。
3.5 施工
    罐體施工包含：材料檢驗、基礎驗收、絕熱基礎施工、排版下料、組裝、焊接、附件安裝、焊接檢驗、壓力與真空安全閥調(diào)試、總體試驗、清洗、保冷、油漆以及質(zhì)量措施及施工安全體系制定、施工人員組織、施工平面布置圖繪制和施工進度安排等[18]。
    施工中，底板焊接要充分考慮到焊接變形因素，采用盡可能小變形量的焊接工藝和焊接順序[19]。罐體壁板安裝一般采用倒裝法，即從罐頂開始，按頂蓋、簡體、底板的順序從上往下安裝。倒裝法可減少高空作業(yè)，降低建造成本，方便施工，易于保證質(zhì)量進度，縮短施工周期。內(nèi)罐罐頂?shù)陌惭b常采用氣吹頂升法或液壓頂升法，罐頂預制散件應在罐底進行組裝，組裝方式與拱頂儲罐相似，然后再用頂升法把吊頂頂升到安裝位置。頂升時沿拱頂四周設置平衡裝置以保證拱頂及吊頂?shù)钠胶?。絕熱基礎玻璃磚施工時，同層與不同層均應嚴格錯縫，每塊磚側面均用憎水性無機粘結劑進行粘結，最后一層泡沫玻璃磚砌好后，檢查該平面的水平度及平面度[18]。
    安裝時應采用適當工裝，確保簡體的橢圓度，減少變形，并改善外觀質(zhì)量。
4 問題與建議
    ① 9Ni鋼研究和生產(chǎn)中還存在許多技術難點，如影響9Ni鋼韌性的因素，進一步提高強度、改善韌性的途徑和辦法，Ni的替代元素以及9Ni鋼的軋制工藝等?？梢試L試通過細化晶粒、提高純凈度、添加合金元素等方法來提高強度、保證韌性，以滿足高質(zhì)量9Ni鋼需求[20]。
    ② 9Ni鋼焊接操作不當極易出現(xiàn)焊接時電弧磁偏吹、焊接冷裂紋、焊接熱裂紋和焊接接頭低溫韌性差等問題[21～22]。對于電弧磁偏吹，建議采用交流焊接并盡量多用砂輪打磨[23]；對于熱裂紋問題，在焊接時應盡量減小弧坑，選用熔化溫度區(qū)間較小的或偏析雜質(zhì)不連續(xù)的焊接材料；冷裂紋問題可考慮選擇含碳量較小的焊接材料，并通過控制氫含量、層間溫度和線能量等來避免，此外合理的組裝工藝和焊接順序也可減小拘束應力，改善9Ni鋼焊接；焊接低溫韌性可通過控制焊接線能量、采用較低層間溫度、采用多道焊等來改善。焊接方法上，國內(nèi)僅停留在手工焊和埋弧自動焊這兩種成熟的焊接工藝上，在鎢極氬弧焊和C02氣體保護焊方面的研究尚未有突破性進展；埋弧自動橫焊設備已經(jīng)基本上國產(chǎn)化，但在焊道跟蹤及反饋系統(tǒng)方面尚比較薄弱[24]；另外，與9Ni鋼匹配的焊接材料還有待進一步研發(fā)，焊接技術和焊接效率也有待進一步完善。
    ③ 針對內(nèi)罐冷收縮引起的夾層珍珠巖下沉及內(nèi)罐受力的變化，應從結構設計及絕熱材料選用等方面采取措施，予以解決。
    ④ 在施工方面，建議多采用新工藝。罐頂鋼結構盡可能多地在車間預制，可減少吊裝、焊接等高空作業(yè)，減少多工種、超高空、立體交叉作業(yè)量，對施工進度及安全有利。
    ⑤ 常壓儲存使得排液時需用低溫泵加壓輸送，氣化后需壓縮機加壓，日常運營成本高，且建造成本也高[25]。
    ⑥ 國內(nèi)還沒有完善的大型LNG儲罐相關標準，在建造技術方面與美國、日本等發(fā)達國家相比仍存在較大差距，這在一定程度上制約了國內(nèi)大型LNG儲罐的自主發(fā)展。為盡快提升我國大型LNG儲罐建造水平，制定相關標準已十分必要。大型儲罐事故的危害性比中小型儲罐更大，要求在研究、設計、施工、驗收、運行等方面更加慎重。
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(本文作者：殷勁松1 馬小紅2 陳叔平2 1.張家港富瑞特種裝備股份有限公司 江蘇張家港 215637：2.蘭州理工大學石油化工學院 甘肅蘭州 730050)