分析大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

程威

（廣東省中山市南方空氣分離設(shè)備有限公司 528441）

分析大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

程威

（廣東省中山市南方空氣分離設(shè)備有限公司 528441）

天然氣的各種儲(chǔ)存方式，如低溫常壓儲(chǔ)存或低壓儲(chǔ)存等方式在液化天然氣（LNG）終端站，液化廠以及各大城市調(diào)峰系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外大型的低溫常壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)來(lái)探討大型液化天然氣（LNG）低溫常壓儲(chǔ)罐的具體設(shè)計(jì)方式。

LNG；大型低溫常壓儲(chǔ)罐；設(shè)計(jì)

當(dāng)前我國(guó)從對(duì)能源結(jié)構(gòu)的改變與自然環(huán)境的改善為出發(fā)點(diǎn)，努力研究天然氣的液化技術(shù)，到目前為止，取得了不錯(cuò)的成績(jī)，尤其是一些沿海城市通常都建有液化天然氣接收站，接收站通過(guò)接收來(lái)自海外的液化天然氣，然后再通過(guò)內(nèi)地的天然氣液化加工廠，從而很好的儲(chǔ)存以及運(yùn)輸天然氣。但不管是沿海的接收站，還是內(nèi)地的加工廠，大型低溫儲(chǔ)罐都是液化天然氣的非常重要的儲(chǔ)存設(shè)備。

1 LNG的概況

LNG，是液化天然氣的英文縮寫(xiě)，其主要成分是由甲烷組成，它不僅可以節(jié)約天然氣的儲(chǔ)存與運(yùn)輸時(shí)的空間，還可以相應(yīng)地節(jié)約成本，并且其還具備性能高與熱值大等特性，LNG作為一種新型的清潔能源得到了廣泛的應(yīng)用，許多國(guó)家都將LNG作為國(guó)家首選的燃料。LNG儲(chǔ)罐是天然氣接收站的主要儲(chǔ)存設(shè)備，其本身的安全性能是否良好直接關(guān)系到接收站的輸送狀況，以及其運(yùn)行投資的經(jīng)濟(jì)性能等。

在1914年，美國(guó)發(fā)明了首項(xiàng)LNG專利，同時(shí)建設(shè)成功一座小型的天然氣液化工廠，1939年，Hope天然氣公司在西弗吉利亞建立一座高處理量的天然氣液化工廠，來(lái)研究LNG運(yùn)輸技術(shù)；到1940年，俄亥俄天然氣公司在克利夫蘭建立了更高處理量的天然氣加工廠，其處理容量為1.13×105m3/d，并成功研制3臺(tái)直徑為17.37m的LNG球形儲(chǔ)罐；1954年出現(xiàn)了第一臺(tái)用于液氧的不銹鋼雙壁絕熱平底低溫儲(chǔ)槽；到了60年代，LNG開(kāi)始得到大量生產(chǎn)，運(yùn)輸與貿(mào)易，到目前為止這種天然氣液化儲(chǔ)存運(yùn)輸方式已經(jīng)影響到世界各國(guó)天然氣實(shí)際的供需要求；在1964年，世界上第一座LNG工廠在阿爾及利亞正式建成并開(kāi)始投產(chǎn)運(yùn)行，隨著LNG的需求量開(kāi)始逐漸增大，各個(gè)國(guó)家以及地區(qū)都形成較為完整的LNG產(chǎn)生鏈，促進(jìn)了天然氣液化的進(jìn)一步發(fā)展，自此天然氣儲(chǔ)罐技術(shù)開(kāi)始得到不斷研發(fā)與應(yīng)用[1]。

2 LNG低溫常壓儲(chǔ)罐國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)

LNG的存儲(chǔ)是LNG工業(yè)中一個(gè)極其重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，但相應(yīng)地其對(duì)各地的LNG接收站與調(diào)峰型的液化工廠來(lái)說(shuō)都要有較高的投資建設(shè)，所以世界各國(guó)以及各地區(qū)對(duì)LNG低溫常壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造越來(lái)越重視。LNG低溫常壓儲(chǔ)罐的形式由儲(chǔ)罐的容積大小、投資費(fèi)用以及設(shè)計(jì)建造時(shí)的安全影響因素與設(shè)計(jì)建造時(shí)的條件限制等各種條件因素來(lái)決定的。

現(xiàn)階段，世界各國(guó)大型儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種：美國(guó)，《大型焊接低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造》（APISTD 620），《生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》（NFPA 59A LNG）以及《鋼質(zhì)焊接石油儲(chǔ)罐》（APISTD 650）等；英國(guó)，《BS 7777-1低溫用平底、立式、圓柱形儲(chǔ)罐－罐儲(chǔ)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和操作的一般規(guī)定指南》與《低溫用平底、立式、圓柱形儲(chǔ)—預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和制造及罐內(nèi)襯和罐涂層的設(shè)計(jì)和安裝推薦方法》（BS－7777－3）等；日本，《地下儲(chǔ)罐指南》（JGA指-107-02LNG），《地上儲(chǔ)罐指南》（JGA指-108-02LNG），《接收站設(shè)備指南》（JGA指-102-03LNG）以及《小型接收站設(shè)備指南》（JGA指-105-03LNG）等；歐盟國(guó)家，《操作溫度在0～-165℃之間的現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造—總則》（BSEN 14620-1）與《操作溫度在0～-165℃之間的現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造-金屬構(gòu)件》（BSEN 14620-2）等[2]。

在我國(guó)到目前為止，對(duì)于大型的LNG低溫常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建設(shè)并沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但隨著天然氣的應(yīng)用增大，LNG的適應(yīng)范圍也同樣在增大，相應(yīng)的低溫常壓儲(chǔ)存的要求也在增大，國(guó)家相關(guān)技術(shù)委員會(huì)根據(jù)英國(guó)BS 7777的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)制定了我國(guó)LNG大型低溫常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的初稿，另外在LNG的儲(chǔ)存與運(yùn)輸方面設(shè)定了幾個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，根據(jù)美國(guó)的NFPA59A與APISTD 620分別制定出《生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》（GB/T 20368 LNG）和《大型焊接低壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建設(shè)》（SY/T0608），另外還制定出了《接收站安全技術(shù)規(guī)程》（SY/T 6711 LNG）；《低溫絕熱壓力容器》（GB 18442）；《固定式真空粉末絕熱低溫液體貯槽》（JB/T 9072）；《真空多層絕熱低溫液體容器》（JB/T 5905）以及《立體式圓筒形低溫儲(chǔ)罐施工技術(shù)規(guī)程》（SH/T 3537）等等設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3 大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐的具體設(shè)計(jì)

在對(duì)大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，要從幾個(gè)方面開(kāi)始著手，主要有內(nèi)部罐體所用的低溫材料的選擇，內(nèi)外儲(chǔ)罐的罐底設(shè)計(jì)，還有罐壁與罐頂?shù)脑O(shè)計(jì)以及最后的吊頂與地震設(shè)計(jì)等。

3.1 選擇低溫材料

當(dāng)前我國(guó)的大型低溫LNG儲(chǔ)罐所常用的低溫村料主要是9%Ni鋼，這種低溫材料主要具備強(qiáng)度高，在低溫狀態(tài)下韌性好等特性。在21世紀(jì)初以前這種低溫材料以及所用的焊接材料在我國(guó)主要靠國(guó)外進(jìn)口，這對(duì)我國(guó)實(shí)行大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐建造產(chǎn)生了巨大的困擾，一直到2005年，山西太原鋼鐵集團(tuán)公司擔(dān)下這項(xiàng)重任，開(kāi)始對(duì)LNG低溫常壓儲(chǔ)罐建造所用的這種9%Ni鋼進(jìn)行研發(fā)，結(jié)果成功研發(fā)出國(guó)產(chǎn)的9%Ni鋼和06Ni9等低溫儲(chǔ)罐材料，隨后這兩種材料經(jīng)過(guò)安徽合肥通用機(jī)械研究院等各單位進(jìn)行深入地分析與研究，結(jié)果證明這兩種材料在低溫-196℃下，其綜合性能指標(biāo)嚴(yán)重超過(guò)了美國(guó)與歐盟國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要求，這標(biāo)志著我低溫常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)建造往高科技邁進(jìn)了一大步。

3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)外儲(chǔ)罐的罐底

內(nèi)外儲(chǔ)罐的罐底主要分為兩個(gè)部分，即邊緣板與中幅板。在固件的同一焊接拉應(yīng)力下邊緣板的最小厚度要求應(yīng)該在6～19mm之間，應(yīng)滿足罐壁的不同應(yīng)力狀況，而邊緣板的寬度要保證在罐壁里面到罐底其他部分相連接處之間最小600mm的寬度，同時(shí)應(yīng)超出底圈板外側(cè)寬度最小50mm。而針對(duì)中幅板設(shè)計(jì)時(shí)，其最小厚度在不含腐蝕量的情況下通常在5mm左右，而直邊側(cè)的最小長(zhǎng)度不能短于700mm；而中幅板之間可以采用對(duì)接或搭接的方式進(jìn)行，搭接時(shí)，其最小寬度必須是中幅板厚度的五倍左右，通常設(shè)計(jì)成40mm，對(duì)接時(shí)可采用雙面焊接或帶墊板和單面焊接[3]。對(duì)于中幅板與邊緣板之間的連接可以采用搭接的方式來(lái)進(jìn)行，邊緣板應(yīng)該搭接在中幅板的下面，并且搭接長(zhǎng)短距離應(yīng)該為60mm；中幅板與邊緣板之間的相鄰任何焊縫的距離不能低于300mm；最后設(shè)計(jì)時(shí)，中幅板的邊緣位置與底圈板內(nèi)側(cè)的最短距離應(yīng)該保證在邊緣板厚度高于240mm，液體位置高度高于0.5mm的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 設(shè)計(jì)罐壁與罐頂

在罐壁設(shè)計(jì)時(shí)，其厚度主要包括腐蝕裕量的罐壁設(shè)計(jì)厚度與靜水壓測(cè)試罐壁厚度中的最大值，同時(shí)，根據(jù)罐壁直徑大小設(shè)計(jì)其最小厚度如表1所示。

并且每圈壁板的厚度應(yīng)大于上圈壁板的厚度，罐壁的環(huán)焊縫與縱焊縫都采用對(duì)接接頭進(jìn)行焊接，同時(shí)保證焊接的高度透徹性與高度融合性；兩圈壁板相鄰近的縱焊縫之間，其距離應(yīng)大于300mm；對(duì)于承受外部載荷力的內(nèi)罐罐壁設(shè)計(jì)時(shí)要確保其能承受環(huán)向和軸向的組合應(yīng)力；而當(dāng)罐壁的厚度隨高度變化而發(fā)生變化時(shí)，可以采用罐壁折算法來(lái)計(jì)算加強(qiáng)圈之間的間隔距離，也可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行計(jì)算。

表1 罐壁的最小厚度

針對(duì)罐頂?shù)脑O(shè)計(jì)通常采用帶支撐的結(jié)構(gòu)，也就是球形頂來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，罐頂板的最小厚度要保證在5mm左右，而罐頂板的設(shè)計(jì)通常采用搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)搭接量最小應(yīng)為25mm，并且支撐結(jié)構(gòu)選擇肋環(huán)形或肋環(huán)斜桿型進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以按照國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》GJ7的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行建造設(shè)計(jì)[4]。

3.4 儲(chǔ)罐的吊頂與地震設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐的吊頂及支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要按最低的設(shè)計(jì)溫度來(lái)進(jìn)行，其載荷能力要包括吊頂本身的重理、相關(guān)保冷材料的重量以及活載荷等等，當(dāng)某個(gè)吊頂失去作用時(shí)，其他的要能保證吊頂?shù)陌踩阅?，而且?duì)于吊頂?shù)耐饪走M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要確保吊頂上下兩側(cè)的壓力差值沒(méi)有超過(guò)吊頂本身的重量。

在儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)中，另外還要考慮到其地震載荷問(wèn)題，對(duì)于儲(chǔ)罐的具體使用單位應(yīng)該實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，檢測(cè)出地震動(dòng)力的特性及其反應(yīng)情況。在儲(chǔ)罐的地震設(shè)計(jì)上具體應(yīng)按OBE，即操作基準(zhǔn)地震以及按SSE，即安全停運(yùn)地震這兩種情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)可根據(jù)SEE進(jìn)行校對(duì)核準(zhǔn)，設(shè)計(jì)成在操作基準(zhǔn)地震期間以及后期都能持續(xù)不斷地進(jìn)行運(yùn)行，另外在地震安全停運(yùn)期間以及后期要保證儲(chǔ)罐的良好儲(chǔ)存力，同時(shí)要保證在其進(jìn)行問(wèn)題維修時(shí)能起到有效隔離的作用[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外大型的低溫常壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單分析了大型液化天然氣（LNG）低溫常壓儲(chǔ)罐的具體設(shè)計(jì)方式，相信對(duì)我國(guó)以后的大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)有相應(yīng)的幫助。

[1]王冰，陳學(xué)東，王國(guó)平.大型低溫LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的新進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2010，05：108～112+149.

[2]王振良.大型LNG低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)理論與方法研究[D].西安石油大學(xué)，2011.

[3]許云鳳.大型LNG低溫儲(chǔ)罐的安全性數(shù)值分析[D].西安石油大學(xué)，2011.

[4]陳健，馬政足，季龍劍，馮俊爽，翟耀峰.大型LNG低溫常壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)[J].廣東化工，2015，19：143～144+136.

[5]張曉東，李積杰.單容式大型LNG低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)[J].通用機(jī)械，2009，06：69～71.

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1004-7344（2016）15-0258-02

2016-5-11