淺談LNG儲罐的預(yù)冷

徐 敬，張朝陽，劉發(fā)安，劉清華，白光野，劉 欣，郭 育，顧昊軒

(中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062550)

LNG儲罐作為接收站和天然氣液化廠LNG儲存的核心設(shè)備，投資大，建設(shè)難度高，其順利投產(chǎn)有著重要的意義[1]。LNG儲罐在操作工況下儲存的是低溫LNG，其工作溫度為-163℃，此種介質(zhì)為深冷液體，受熱時(shí)體積迅速膨脹，在常壓0℃下，1 m3液體可氣化625 m3氣體，而建成后儲罐內(nèi)為常溫的空氣，若直接進(jìn)液，液體在罐內(nèi)常溫下急劇汽化造成罐內(nèi)壓力迅速升高容易發(fā)生儲罐超壓，需對儲罐進(jìn)行氣體外排以免造成儲罐損壞，但是天然氣屬于易燃易爆介質(zhì)，直接排放到空氣中有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，且直接進(jìn)液會造成罐體金屬短時(shí)間內(nèi)溫度驟降而產(chǎn)生較大的變形，在較大的溫度應(yīng)力作用下造成儲罐焊縫撕裂或其他結(jié)構(gòu)損傷。因此在儲罐正式進(jìn)液、儲存LNG之前需要進(jìn)行一系列的調(diào)試工作，儲罐的預(yù)投產(chǎn)工藝流程具體為：水壓試驗(yàn)→氣密性試驗(yàn)→儲罐及附屬管線干燥、氮?dú)庵脫Q→儲罐及附屬管線的預(yù)冷[2]。預(yù)冷這一環(huán)節(jié)最重要且風(fēng)險(xiǎn)最高，在預(yù)冷這一環(huán)節(jié)中對儲罐緩慢降溫，逐步冷卻，在預(yù)冷過程中密切檢測儲罐及附屬設(shè)施的狀態(tài)及性能，這樣更加安全可靠，也可把預(yù)冷收縮產(chǎn)生的泄漏點(diǎn)緊固好。通過預(yù)冷，可提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備及管道系統(tǒng)存在的問題和隱患，及時(shí)地進(jìn)行排除，以確保儲罐正式投產(chǎn)時(shí)能夠安全正常運(yùn)行。

1 預(yù)冷的原則及目的

1.1 預(yù)冷的原則

金屬材料溫度驟降容易造成溫差應(yīng)力產(chǎn)生較大變形，在溫差應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力和其他強(qiáng)度應(yīng)力的綜合作用下容易造成儲罐焊縫和其他薄弱連接部分的損傷，因此預(yù)冷過程中最關(guān)鍵點(diǎn)是控制溫度降速率。根據(jù)EN14620-5附錄A的規(guī)定，儲罐預(yù)冷過程中溫度降速率宜為3℃/h，最大不超過5℃/h，罐壁或罐底任意兩個(gè)不相鄰溫度傳感器之間的溫度差不宜大于30℃。預(yù)冷時(shí)要逐步降低儲罐和相關(guān)工藝管道溫度，防止溫度驟降影響金屬材料性能產(chǎn)生較大應(yīng)力而損傷儲罐和管件。

1.2 預(yù)冷的目的

在預(yù)冷過程中，隨著儲罐溫度的降低，罐體及管線的溫度逐步接近其工作溫度，鋼板、閥門、法蘭密封、管件及各種內(nèi)部構(gòu)件和相接管線設(shè)備的低溫性能也逐步體現(xiàn)，因此儲罐預(yù)冷是檢驗(yàn)和測試低溫設(shè)備和管道低溫性能的最直接最有效的方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)檢驗(yàn)低溫材料質(zhì)量是否合格、檢驗(yàn)焊接質(zhì)量、檢驗(yàn)管道冷縮量和管托支撐變化、檢驗(yàn)低溫閥門的密封性(包括內(nèi)罐呼吸閥的動(dòng)作試驗(yàn))的目的。

2 預(yù)冷的實(shí)施

2.1 預(yù)冷前的準(zhǔn)備工作

2.1.1 管道、閥門的檢查

在預(yù)冷之前，需對照儲罐工藝流程圖檢查所有相關(guān)的管道、閥門、儀表等本體及附屬設(shè)施是否安裝完畢，然后檢查儲罐的電氣儀表控制部分是否滿足使用要求，若檢查過程中發(fā)現(xiàn)任何與設(shè)計(jì)不符或功能不滿足要求的狀況，應(yīng)及時(shí)解決后再進(jìn)行后續(xù)的預(yù)冷環(huán)節(jié)。主要內(nèi)容包括測試兩個(gè)呼閥是否均可以正常開啟；檢查所有氣動(dòng)閥門的儀表氣壓力是否維持在0.5 MPa以上，儀表氣閥門常開；檢查管道上的安全閥根部閥是否常開，手動(dòng)放散閥是否常閉，具體情況應(yīng)根據(jù)儲罐具體的配置確定。

2.1.2 儲罐電氣儀表控制部分的檢查

儲罐的主要控制部分包括溫度監(jiān)測、壓力監(jiān)測、液位監(jiān)測、夾層壓力監(jiān)測、進(jìn)夾層氮?dú)鈮毫ΡO(jiān)測、閥門控制、液位報(bào)警、干粉滅火系統(tǒng)、罐頂起重設(shè)備、儲罐照明等功能控制。

2.1.3 管道吹掃

儲罐預(yù)冷后就正式進(jìn)液投產(chǎn)，用于儲存LNG，為保證介質(zhì)的潔凈和閥門儀表等不出現(xiàn)堵塞，預(yù)冷之前需管道吹掃清除管道和罐內(nèi)焊渣等雜物。預(yù)冷前的管道吹掃一定要干凈，如果吹掃不干凈，雜物將在閥門處滯留并結(jié)冰從而將會導(dǎo)致閥門凍住。由于低溫管道的閥門大多為焊接，法蘭很少，不利于管道吹掃，因此吹掃一定要采取措施，嚴(yán)格控制。施工中建議實(shí)行分段吹掃，分段以焊接閥門為界，注意管道施工后要及時(shí)密封，防止雜物和雨水進(jìn)入。為防止碳鋼管道內(nèi)的鐵銹、焊渣進(jìn)入低溫管道，碳鋼管道不能向低溫管道吹掃。管道吹掃應(yīng)由罐內(nèi)向罐外吹掃，在吹掃時(shí)要敲擊管道表面和焊接部位，以便于清除焊渣等雜物，且不能吹掃任何儀表設(shè)備。吹掃過程中要檢查儲罐操作平臺儀表管是否有堵塞，卡套連接處是否漏氣(微漏會影響壓力及液位測量準(zhǔn)確度，可用肥皂水檢漏)，儀表管露點(diǎn)需維持在≤-40℃。

2.1.4 外圍管道部分的檢查

預(yù)冷前應(yīng)檢查并確認(rèn)罐池內(nèi)所有焊接、切割、拋光打磨等動(dòng)火作業(yè)均已完成，確認(rèn)臨時(shí)試壓及吹掃管道已切除、與儲罐本體管道連接符合工藝要求。檢查并確認(rèn)與儲罐連接的所有工藝管道，均已吹掃且保壓合格。對于進(jìn)液、出液、泵后回流、泵后回氣、儲罐BOG回收管線等關(guān)系到液體的儲存、增壓、儲罐汽化BOG的回收的工藝管線建議露點(diǎn)吹至≤-40℃。

2.2 預(yù)冷過程中的注意事項(xiàng)

預(yù)冷作為儲罐投產(chǎn)前調(diào)試的重要環(huán)節(jié)之一，為保證預(yù)冷工作的安全順利進(jìn)行，在預(yù)冷過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)預(yù)冷區(qū)域、排放口處應(yīng)設(shè)置有明顯的警示標(biāo)記。

(2)在預(yù)冷進(jìn)液過程中操作人員嚴(yán)禁離開現(xiàn)場，應(yīng)至少保證一人在現(xiàn)場槽車處根據(jù)工況隨時(shí)處理現(xiàn)場情況，一人在中控室密切監(jiān)測溫度和壓力變化，確保溫度和壓力在規(guī)范允許的范圍內(nèi)變化，若出現(xiàn)變化與規(guī)范允許范圍發(fā)生偏離的情況，應(yīng)及時(shí)與現(xiàn)場調(diào)試人員協(xié)商確定解決方案。

(3)進(jìn)液過程中如出現(xiàn)較大泄漏或者外罐底板溫度嚴(yán)重異常時(shí)應(yīng)立即停止卸車作業(yè)。

(4)所有操作應(yīng)在調(diào)試人員統(tǒng)一指揮下進(jìn)行，任何人未經(jīng)同意不得擅自亂動(dòng)閥門。

2.3 預(yù)冷速度的控制

2.3.1 預(yù)冷范圍

LNG儲罐預(yù)冷范圍包括儲罐本體和儲罐工藝流程圖中的低溫液相與氣相管道系統(tǒng)(包括管材、管件、法蘭、閥門和儀表等)。

2.3.2 冷卻介質(zhì)的選擇

根據(jù)冷卻介質(zhì)，儲罐的預(yù)冷方法可分為兩種[3]：

(1)液氮加LNG 預(yù)冷方法。利用液氮對卸料管道和儲罐進(jìn)行冷卻，待冷卻溫度達(dá)到-120～-110℃，換成LNG 繼續(xù)對管道及儲罐進(jìn)行冷卻。這種方式的預(yù)冷介質(zhì)由昂貴的LNG 換成相對便宜的液氮，節(jié)約了預(yù)冷成本。同時(shí)，由于使用不燃的液氮代替易燃的LNG來進(jìn)行預(yù)冷，提高了儲罐預(yù)冷的安全性[4]。

(2)LNG(含BOG)預(yù)冷方法。利用LNG 蒸發(fā)氣(BOG)對管道及儲罐進(jìn)行預(yù)冷，待管道和儲罐溫度達(dá)到-120℃時(shí)，通過注入LNG(由儲罐頂部噴淋霧化裝置霧化后)對儲罐進(jìn)行冷卻。這種方式直接利用接收站場內(nèi)LNG 資源，但會消耗大量的LNG 產(chǎn)品[4]。

2.3.3 溫度控制

在預(yù)冷過程中頂部進(jìn)液始終打開，底部進(jìn)液始終關(guān)閉，兩個(gè)相鄰壁板溫差不能超過10℃，任何不相鄰壁板的溫差不能超過30℃，如果溫差超過上述值，冷卻介質(zhì)流速需減小(可直接調(diào)節(jié)槽車出液口閥門開度)。當(dāng)儲罐罐壁檢測溫度達(dá)到-150℃至-160℃時(shí)，接近內(nèi)罐底板處檢測溫度達(dá)到-125℃至-135℃可以停止預(yù)冷，此時(shí)基本滿足進(jìn)液條件。

3 總結(jié)

LNG儲罐投產(chǎn)之前的調(diào)試工作是檢驗(yàn)儲罐施工質(zhì)量、材料質(zhì)量和為LNG儲罐正式運(yùn)行做準(zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在儲罐預(yù)冷之前，應(yīng)制定完善的LNG儲罐預(yù)冷方案，根據(jù)具體工程情況選擇合適的預(yù)冷介質(zhì)，現(xiàn)場調(diào)試人員應(yīng)安排經(jīng)驗(yàn)豐富、有一定儲罐設(shè)計(jì)和施工基礎(chǔ)的專業(yè)人員，儲罐預(yù)冷團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)具有較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，在聽從統(tǒng)一指揮的前提下要有靈活應(yīng)對并解決各種突發(fā)事故的能力，只有同時(shí)保證儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、施工質(zhì)量合格和投產(chǎn)調(diào)試順利進(jìn)行才能確保儲罐的正式投產(chǎn)。