王科軍
摘? 要:隨著我國對(duì)天然氣的需求不斷增加,LNG(液化天然氣)項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè),LNG儲(chǔ)罐逐漸朝著大型化的方向發(fā)展。作為LNG接收站的關(guān)鍵和核心設(shè)備——大型LNG儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)和建造方面有著特殊要求。本文論述了大型LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn);大型LNG儲(chǔ)罐材料選擇與制造要求;根據(jù)儲(chǔ)罐的安全性設(shè)計(jì)要求。分析了大型LNG儲(chǔ)罐在建造過程中監(jiān)理應(yīng)控制重點(diǎn)和要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn);耐低溫;安全防范;監(jiān)理控制重點(diǎn)和要點(diǎn)
1 LNG儲(chǔ)罐的特點(diǎn)
隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高,目前國家正大力發(fā)展綠色能源,天然氣作為潔凈能源;隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變及能源供應(yīng)、儲(chǔ)備的需要,大型預(yù)應(yīng)力混凝土液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐在我國的建造日益興起。
LNG儲(chǔ)罐是LNG儲(chǔ)存工藝系統(tǒng)中的核心設(shè)備,伴隨著材料科學(xué)和焊接技術(shù)的發(fā)展,LNG儲(chǔ)罐越來越趨于大型化和多樣化方向發(fā)展。
大型LNG常壓儲(chǔ)罐一般采用立式雙圓筒結(jié)構(gòu),儲(chǔ)罐由內(nèi)罐、外罐、安全泄放裝置、測(cè)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)罐頂一般采用輕質(zhì)鋁合金吊頂結(jié)構(gòu)。罐內(nèi)為常壓,最高工作壓力為0.02MPa。外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土筒體,平底拱頂結(jié)構(gòu)。夾層一般采用充填膨化珍珠巖的方式來絕熱,罐底則采用玻璃磚絕熱,內(nèi)罐吊頂通常采用巖棉絕熱。
大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐為工廠預(yù)制散件,現(xiàn)場(chǎng)組焊,外罐為現(xiàn)場(chǎng)成型澆筑,對(duì)焊接、施工水平、施工管理以及檢驗(yàn)技術(shù)等方面的要求較高,施工現(xiàn)場(chǎng)工作量大。
2 LNG儲(chǔ)罐的特殊要求
大型常壓低溫儲(chǔ)罐是用來貯存液化天然氣(LNG)的,儲(chǔ)罐在常壓下儲(chǔ)存LNG,罐內(nèi)壓力一般3.4—30kpa,儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)量一般要求控制在0.04%—0.2%。由于LNG具有可燃性和超低溫性,因而對(duì)儲(chǔ)罐有很高的要求。那么它有什么特殊要求呢?
2.1 罐體耐低溫要求
常壓下,液化天然氣(LNG)的沸點(diǎn)為-160℃。LNG低溫常壓的貯存方法,是將天然氣的溫度降到沸點(diǎn)以下,使儲(chǔ)罐的操作壓力稍高于常壓,因此,LNG要求儲(chǔ)液罐體具有很好的耐低溫能力。
因此,對(duì)建造材料有著特殊要求,內(nèi)罐工作溫度為-163℃,一般選用9Ni鋼或不銹鋼等材料。而 9%Ni鋼有很高的機(jī)械強(qiáng)度,在-196 ?C 下具有優(yōu)異的低溫韌性,同時(shí),焊接性能良好,能滿足現(xiàn)場(chǎng)建造的要求。因此,9%Ni 鋼作為大型 LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐材料的首選。
外罐壁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),選用低溫鋼筋、耐低溫混凝土。
2.2 絕熱保冷要求
因天然氣是液態(tài)貯存,因?yàn)楣薇砝餃夭钭罡呖蛇_(dá)200℃,要使罐內(nèi)溫度保持在-160℃,罐體就要具有優(yōu)異的保冷功能,必須在罐底、吊頂以及在內(nèi)罐和外罐之間填充絕熱保冷材料。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(dǎo)率低、含水量少、抗壓性能好、不易燃等優(yōu)點(diǎn)。主要保冷材料:罐底保冷用泡沫玻璃塊;環(huán)形空間保冷用彈性掛毯、玻璃纖維布、珍珠巖粉末等;鋁吊頂保冷用玻璃纖維棉氈等;
2.3安全防范要求高
因?yàn)樘烊粴馐且兹家妆瑲怏w,罐內(nèi)貯存的是低溫液體,儲(chǔ)罐一旦發(fā)生外泄,液體就會(huì)大量蒸發(fā),氣化量大約是本來冷藏狀態(tài)下的600倍,在大氣中形成會(huì)主動(dòng)引爆的氣團(tuán)。
因此,API、BS等規(guī)范都要求儲(chǔ)罐選用雙層壁結(jié)構(gòu)(全容罐),采用內(nèi)外罐雙層密封防泄理念,在內(nèi)罐體有泄漏時(shí),外罐體可對(duì)走漏液體與蒸發(fā)氣完成完全封堵,保證貯存安全。
同時(shí),為保證儲(chǔ)罐在意外荷載效果下的安全,儲(chǔ)罐有必要具有杰出的抗震功能。對(duì)LNG儲(chǔ)罐則要求在規(guī)定地震荷載下不倒也不裂。
因次,挑選的建造場(chǎng)所一般要避開地震斷裂帶,在樁與罐底承臺(tái)連接處設(shè)置減震橡膠墊,同時(shí)在承臺(tái)和內(nèi)罐壁之間設(shè)置錨帶拉結(jié),防止儲(chǔ)罐在地震載荷作用下產(chǎn)生傾斜與搖晃。
同時(shí)混凝土外罐頂應(yīng)具有較高的抗壓、抗拉能力,需具備一定的抗震和能抵御一般掉落物的沖擊。
2.4 施工要求嚴(yán)格
為確保儲(chǔ)罐不泄漏,9Ni鋼的焊接是建造成功的關(guān)鍵。首先要對(duì) LNG 儲(chǔ)罐所用 9%Ni 鋼的厚度、焊接位置、坡口形式等確定焊接工藝規(guī)程,經(jīng)焊接工藝評(píng)定合格后,作為 9%Ni 鋼的焊接指導(dǎo)文件。然后施焊焊工必須通過考試合格,施工中內(nèi)罐壁焊縫必須100%X射線檢測(cè)(RT),內(nèi)罐底板必須進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)(MT)及100%真空氣密檢測(cè)(VBT)。
儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的沉陷狀況,直接影響到儲(chǔ)罐的安全,如果基礎(chǔ)沉陷過大,就有可能造成罐底板變形,若罐底板變形所造成的應(yīng)力過大,儲(chǔ)罐底板焊縫就可能會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此,必須確?;A(chǔ)樁極限承載力滿足設(shè)計(jì)要求。
對(duì)混凝土外罐方面:因?yàn)楣薜壮信_(tái)混凝土較厚,澆注時(shí)要操控水化溫度,避免因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的開裂。為避免罐壁混凝土出現(xiàn)裂紋,除選用后張拉預(yù)應(yīng)力施工外,也要控制好混凝土的收縮裂縫,同時(shí),為升頂順利,對(duì)罐壁垂直度操控非常嚴(yán)格。
在整個(gè)罐體機(jī)械完成后,還要對(duì)罐體進(jìn)行嚴(yán)格水壓試驗(yàn)和氣密試驗(yàn),反復(fù)驗(yàn)證整個(gè)罐體的可靠性。以驗(yàn)證焊縫強(qiáng)度、嚴(yán)密性,以及整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載受力情況和及樁基礎(chǔ)的沉降情況。
3 LNG儲(chǔ)罐建造控制要點(diǎn)
根據(jù)LNG儲(chǔ)罐耐低溫特性以及其易燃易爆特點(diǎn),為確保儲(chǔ)罐不泄漏,為達(dá)到安全防范要求,故應(yīng)在樁基、承臺(tái)、混凝土外罐、預(yù)應(yīng)力、內(nèi)罐焊接、儲(chǔ)罐保冷、及水壓氣壓試驗(yàn)列為監(jiān)理控制重點(diǎn)。
3.1 鉆孔灌注樁施工;
大型LNG罐多采用鉆孔灌注樁形式,監(jiān)理的質(zhì)量控制要點(diǎn)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:
(1)成樁過程各項(xiàng)指標(biāo),包括樁位、樁長、樁徑、孔底沉渣、泥漿指標(biāo)、終孔垂直度及成樁材料質(zhì)量等能滿足設(shè)計(jì)要求;
(2)預(yù)留混凝土試塊強(qiáng)度滿足規(guī)范要求;
(3)樁身完整、勻質(zhì),連續(xù)性好,無夾泥、斷樁等缺陷;
(4)樁極限承載力滿足規(guī)范規(guī)定的驗(yàn)收指標(biāo)。
3.2 承臺(tái)罐壁大體積混凝土施工;
質(zhì)量控制要點(diǎn)有:
(1)承臺(tái)模板和墻板DOKA模板有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,加工精度符合規(guī)范要求,拆裝方便、結(jié)合緊密,混凝土澆筑中不發(fā)生變形,漏漿等現(xiàn)象,保證混凝土美觀。
(2)砼外罐壁的垂直度、橢圓度及砼表面的平整度直接影響到鋼穹頂氣頂升的順利與否,因此,外罐內(nèi)徑、垂直度、弧度是控制重點(diǎn)。
(3)優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì),降低水泥水化熱,防止裂縫產(chǎn)生。
(4)做好大體積混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度控制,溫度異常時(shí),及時(shí)采取相關(guān)減少溫差措施,減少溫度裂縫的產(chǎn)生。
3.3 預(yù)應(yīng)力施工
預(yù)應(yīng)力質(zhì)量控制要點(diǎn):
(1)預(yù)應(yīng)力孔道的定位安裝。
(2)張拉設(shè)備的標(biāo)定。
(3)張拉時(shí)張拉順序以張拉力與伸長量的雙控。
(4)孔道的清孔和壓漿。
(5)封錨的處理。
3.4 內(nèi)罐壁板安裝
對(duì)于大型LNG儲(chǔ)罐,9Ni鋼的焊接是其安裝成功的關(guān)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(shí)施焊過程中還容易發(fā)生焊弧磁偏吹。
(1)審查焊接工藝評(píng)定報(bào)告
焊接工藝評(píng)定是指為驗(yàn)證所擬定的焊接工藝參數(shù)的正確性而進(jìn)行的試驗(yàn)過程和結(jié)果評(píng)價(jià)。主要包括:焊接工藝指導(dǎo)書、無損檢測(cè)報(bào)告及理化性能試驗(yàn)報(bào)告、焊接工藝評(píng)定報(bào)告;
低溫儲(chǔ)罐9%Ni鋼焊接根據(jù)焊接方法、焊接坡口型式、焊接位置、板厚范圍等進(jìn)行工藝試驗(yàn)評(píng)定,對(duì)每項(xiàng)評(píng)定按規(guī)定進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、-196C0沖擊試驗(yàn)、側(cè)向膨脹量測(cè)定和射線檢測(cè)必須符合NB/T47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定的合格標(biāo)準(zhǔn)。
(2)9%Ni鋼焊工資格確認(rèn)
對(duì)進(jìn)場(chǎng)的持證焊工,在施焊前必須通過焊工資格考試,合格后方能上崗施焊以保證內(nèi)罐焊接質(zhì)量。低溫儲(chǔ)罐焊工考試內(nèi)容分手工焊和自動(dòng)焊,監(jiān)理焊接工程師須全過程監(jiān)督,對(duì)焊工試板焊縫外觀及RT評(píng)片結(jié)論進(jìn)行綜合評(píng)定,確認(rèn)后發(fā)給焊工上崗資格證書,焊工方可上崗施焊;
(3)焊接工藝控制
焊接過程中,焊工應(yīng)嚴(yán)格遵守經(jīng)評(píng)定合格的焊接技術(shù)規(guī)程。由于焊接過程中,熱影響區(qū)在高溫的熱循環(huán)作用下,會(huì)產(chǎn)生粗大的馬氏體和貝氏體組織,使低溫韌性下降。因此,焊接時(shí)應(yīng)控制焊接輸入線能量。通常,平焊、立焊位置焊接,焊接線能量一般控制在 45KJ/cm 以內(nèi),橫焊一般控制在 35KJ/cm 以內(nèi)。同時(shí),在多道焊焊接過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度在 100℃以下(最大150℃),以避免接頭過熱和晶粒長大。
(4)焊接質(zhì)量控制
焊接質(zhì)量控制主要包括兩方面的內(nèi)容:
一是焊接本身質(zhì)量的控制,焊接本身質(zhì)量問題是由焊接缺陷造成的,焊接缺陷可分為外部缺陷和內(nèi)部缺陷。外部缺陷包括焊瘤、咬邊、弧坑、電弧燒傷、表面氣孔、表面裂紋、焊接變形和翹曲等;內(nèi)部缺陷包括裂紋、未焊透、未熔合、夾渣和氣孔等。焊接缺陷的檢驗(yàn)方法包括滲透PT檢測(cè)、R射線檢測(cè)、磁粉MT探傷和超聲波UT探傷等。
二是焊接變形的控制;從某種意義上講,焊接變形的控制較焊接本身強(qiáng)度的保證更難以實(shí)施。因此,焊接過程控制必須從焊接方法的選擇、焊接工藝參數(shù)的確定、板材規(guī)格的選擇以及組對(duì)、施焊順序等多角度考慮。
(5)產(chǎn)品試板檢驗(yàn)驗(yàn)證
按照API620的要求和設(shè)計(jì)文件的規(guī)定,9%Ni鋼內(nèi)罐手工電弧焊縱縫應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)焊接產(chǎn)品試板,產(chǎn)品試板的焊接應(yīng)符合產(chǎn)品施焊的同等工藝條件,一般要求與施工同步制作。見證試板送樣檢測(cè)、跟蹤試樣加工和試驗(yàn),通過產(chǎn)品試板的試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù),來驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)焊縫的質(zhì)量狀況以及焊縫性能的相關(guān)參數(shù)。
3.5 LNG儲(chǔ)罐保冷施工
LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐設(shè)計(jì)溫度為--163℃,設(shè)計(jì)日蒸發(fā)率小于0.08%/天,因此儲(chǔ)罐必須具有良好的絕熱性能,儲(chǔ)罐絕熱包括底板絕熱、罐壁絕熱和內(nèi)罐頂部絕熱。
(1)底板絕熱。內(nèi)罐底部絕熱材料除了考慮絕熱,還應(yīng)有足夠的抗壓強(qiáng)度,以支撐罐體自重、盛裝液體的重量以及其他荷載的壓力。
(2)罐壁絕熱。在內(nèi)外罐之間的環(huán)形空間,內(nèi)罐外壁掛貼玻璃纖維毯完畢后,將膨脹松散的珍珠巖填充空間。
膨脹珍珠巖填充施工是LNG儲(chǔ)罐建設(shè)后期的關(guān)鍵工序之一,其填充質(zhì)量直接關(guān)系到儲(chǔ)罐投產(chǎn)后的保冷效果。LNG儲(chǔ)罐珍珠巖的膨脹、填充作業(yè)是不間斷作業(yè),在整個(gè)作業(yè)過程中需采用振實(shí)密度檢測(cè)儀、粒度分析儀等對(duì)珍珠巖的松散密度、振實(shí)密度、粒度級(jí)配、含水率及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)并記錄檢驗(yàn)數(shù)據(jù),依據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整珍珠巖膨脹工況,可有效確保投產(chǎn)后LNG儲(chǔ)罐整體BOG蒸發(fā)率測(cè)試合格,避免儲(chǔ)罐珍珠巖保冷作用減小或失效。
(3)內(nèi)罐頂部絕熱:一般采用1米厚玻璃棉或毯絕熱材料覆蓋在內(nèi)罐吊頂之上。玻璃棉具有輕質(zhì)、可壓縮、高強(qiáng)度和高彈性等特性。
6、LNG儲(chǔ)罐水壓氣壓試驗(yàn)
功能試驗(yàn)是工程質(zhì)量驗(yàn)收的重要依據(jù),是對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估。
儲(chǔ)罐本體施工完成后,應(yīng)通過儲(chǔ)罐水壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)其底板、壁板的強(qiáng)度、內(nèi)罐穩(wěn)定性及內(nèi)罐和基礎(chǔ)的沉降狀況。通過氣密試驗(yàn)過程來檢驗(yàn)其底板、壁板、拱頂板及其接管的嚴(yán)密性。
4 結(jié)束語
隨著我國能源儲(chǔ)備戰(zhàn)略的提出,LNG在我國的能源占比正成快速增長趨勢(shì)。我國正大力建設(shè)大型LNG儲(chǔ)罐,通過深入廣東大鵬LNG項(xiàng)目和江蘇LNG和江陰LNG項(xiàng)目建造過程的監(jiān)理實(shí)踐,并取得了對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐建造監(jiān)理一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì),與同行共勉。
參考文獻(xiàn):
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[3]API 620 第12版-2013 《大型焊接低壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)及制造》