LNG 運輸船儲罐發(fā)展綜述

馬星星 張 霖 李 敏

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦）

天然氣作為清潔能源，需求量與消費量逐年增加。LNG運輸船作為運輸液化天然氣（LNG）的主要手段，近年來其投入運營數(shù)量穩(wěn)步增長。其中，運輸船儲罐對LNG運輸船的運輸量、空間利用率等關(guān)鍵性能具有重要影響，是LNG運輸船的關(guān)鍵技術(shù)之一。

不同于常規(guī)儲罐，LNG運輸船儲罐內(nèi)儲存的LNG在標準大氣壓下沸點為-162 ℃，具有低溫、易揮發(fā)等特性，且需要在罐內(nèi)外大溫差（最高可達200 ℃）的條件下保持罐內(nèi)低溫，所以LNG運輸船儲罐必須具有良好的耐低溫性能和保溫性能。一旦儲罐意外破損，罐內(nèi)儲存的低溫液體將大量泄漏、揮發(fā)，極易引發(fā)爆炸，所以LNG運輸船儲罐的安全性等級要求較高。另外，在船行駛過程中LNG運輸船儲罐內(nèi)液體不可避免地會發(fā)生晃蕩，液體晃蕩時會產(chǎn)生多種類型的水動壓力，這些載荷主要作用在容器的壁面和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)物上［1］。所以，為確保儲罐在液體晃蕩產(chǎn)生壓力時的安全性，LNG運輸船儲罐不僅需要具有良好的抗振性能，還需要考慮液體晃蕩所產(chǎn)生的壓力對儲罐壁面的沖擊。

考慮到上述問題，筆者介紹幾種常用的LNG運輸船儲罐技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對LNG運輸船儲罐選型和發(fā)展趨勢作出分析，為LNG運輸船儲罐的設計和選型提供參考。

1 LNG運輸船儲罐概況

LNG運輸船儲罐獨立于運輸船船體，依靠LNG自身蒸發(fā)帶走的熱量來維持儲罐內(nèi)的低溫，少量蒸發(fā)的天然氣稱為閃蒸氣（BOG），一般被用作運輸船行駛過程中鍋爐的補充燃料。絕熱層設在儲罐內(nèi)部的液貨艙與船體結(jié)構(gòu)之間，一方面可以防止船體結(jié)構(gòu)過冷造成低溫損壞，另一方面可以使LNG的蒸發(fā)量盡可能減少。儲罐和船體外殼需保持一段距離，這樣在LNG運輸船處于碰撞、擱淺等危急情形時可以防止儲罐遭到破壞［2］。常用的LNG運輸船儲罐有自撐式儲罐和薄膜型儲罐兩種。由國際液化天然氣進口國聯(lián)盟組織（GIIGNL）發(fā)布的2021年液化天然氣年度報告可知，2020年LNG運輸船共交付35艘，其中采用薄膜式儲罐的有34艘，占據(jù)了現(xiàn)今大部分市場［3］。

2 自撐式儲罐

自撐式儲罐依靠自身支撐，與船體互相獨立，儲罐置于船內(nèi)，分為A、B、C3種不同類型。A型儲罐按傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計；B型儲罐需要進行精確的應力分析（FEM）、疲勞分析和裂紋擴展分析；C型儲罐設計遵從常規(guī)的壓力容器標準進行［4］。

2.1 SPB型儲罐

SPB型儲罐結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外形似棱柱，儲罐中間裝有縱向隔艙壁，最內(nèi)層是貨艙，貨艙外表面覆蓋有熱絕緣層，熱絕緣層外是儲罐外殼，基座和膠合板楔子組成儲罐支撐結(jié)構(gòu)。

圖1 SPB型儲罐結(jié)構(gòu)

SPB型儲罐的特點是儲罐內(nèi)部設有水密艙壁（規(guī)定壓力下能保持不透水的艙壁）、扶強材（確保結(jié)構(gòu)剛性的結(jié)構(gòu)）和橫向邊板，其作用是分隔儲罐內(nèi)部空間，減小自由液面，提高液體晃蕩頻率，使之遠離船體晃動頻率，避免共振的發(fā)生。

SPB型儲罐通常選擇5083鋁合金、304不銹鋼或9%鎳鋼作為貨艙材料，選擇聚氨基甲酸酯泡沫作為熱絕緣層材料［5］。

SPB型儲罐設計復雜，需要進行模型試驗，分析船舶整體運動，并對儲罐和船體進行有限元分析（FEM）、疲勞分析和裂紋擴展分析。同時還需要設計完整的防漏層，防止貨物泄漏。

SPB型儲罐主要適用于大中型LNG運輸船，并且由于SPB型儲罐對液貨裝載高度沒有限制，其他船型也可以使用，如LNG加注船、LNG浮式裝置等［5］。但是目前SPB型儲罐的國際認可度還有待提高，并且由于其材料價格昂貴、專利保護等原因，實際使用SPB型儲罐的LNG運輸船只占少數(shù)。

目前，SPB型儲罐的LNG貨物圍護系統(tǒng)（貨艙的隔離屏障和熱絕緣層）專利屬于日本IHI株式會社，該項專利打破了歐洲技術(shù)壟斷。

2.2 Moss型儲罐

Moss型儲罐結(jié)構(gòu)如圖2所示，其外形似球形，內(nèi)部為貨艙，在貨艙外表面覆蓋熱絕緣層，最外層是保護型金屬外殼。儲罐內(nèi)部沒有強力構(gòu)件、扶強材等結(jié)構(gòu)。儲罐由垂直方向的柱形裙圍支撐，裙圍底部焊接固定在船體表面，裙圍與球面需要利用具有特殊截面的連接件才能完成焊接。球體中心垂線上設有泵塔，固定在儲罐底部，并通過滑銷連接于儲罐頂部。

圖2 Moss型儲罐結(jié)構(gòu)

一般情況下罐體材料選擇高強度鋁合金，為了增強結(jié)構(gòu)強度，同一儲罐不同部位板材厚度不同，大致范圍在30～170 mm。熱絕緣層材料選擇板塊式聚苯乙烯或發(fā)泡噴涂式聚苯乙烯，從而得到理想的保溫效果。柱形裙圍上、中、下3部分采用不同的材料，上部采用高強度鋁合金，與儲罐材料保持一致；中部通常選擇導熱性差的不銹鋼；下部通常選擇低溫鋼，從而降低船體與液貨的熱交換量。

Moss型儲罐需要設計防漏隔層，以防發(fā)生少量貨物泄漏。傳統(tǒng)Moss型儲罐主要適用于大中型LNG運輸船，具有結(jié)構(gòu)堅固的優(yōu)點，且液體晃蕩不會對儲罐造成破壞，所以無需限制裝載液位。但缺點是：過大的體積影響駕駛室視野；暴露在甲板外的罐體加大了受風面積，使得整體風阻變大；運輸船內(nèi)部容積利用率不高；船舶重心較其他船要高，穩(wěn)定性差。

目前，Moss型儲罐貨物圍護系統(tǒng)的專利屬于挪威Moss maritime公司。2011年三菱重工MHI開發(fā)了MHI SayaendoⅠ型Moss型儲罐貨物圍護系統(tǒng)，降低了船體整體風阻，并且電纜等附件安裝在船艙內(nèi)部，使得設備的可維護性得到了極大的提升。2012 年，MHI 又在此基礎上開發(fā)了MHI SayaendoⅡ型Moss型儲罐貨物圍護系統(tǒng)，儲罐外形似蘋果，運輸船重量減少約10%，內(nèi)部容積增加約8 000 m3，能耗降低約20%［6］。

2.3 C型儲罐

C型儲罐結(jié)構(gòu)如圖3所示。C型儲罐獨立于船體，由中間圓柱形的筒體和兩端半球形的封頭構(gòu)成。與SPB型儲罐和Moss型儲罐一樣，C型儲罐內(nèi)部為貨艙，貨艙表面覆蓋熱絕緣層，最外層是保護型金屬外殼。

圖3 C型儲罐結(jié)構(gòu)

通常C型儲罐選擇5083鋁合金、304不銹鋼或9%鎳鋼作為貨艙材料，液貨艙外層覆蓋的是聚苯乙烯板或噴涂發(fā)泡聚苯乙烯等絕緣材料。

C型儲罐按照常規(guī)壓力容器標準設計，無專利限制，屬于通用技術(shù)。C型儲罐承壓性能好，無需另外設置防漏層，可將干空氣或者惰性氣體填充到儲罐與船體之間的緩沖空間。同時C型儲罐對液貨裝載高度沒有限制。

C型儲罐具有不受專利限制、造價低、制作工藝相對簡單等特點，在中小型LNG運輸船中應用前景可觀。近年來，由于內(nèi)河LNG運輸船發(fā)展迅猛，C型儲罐的市場發(fā)展空間進一步擴大。這是因為內(nèi)河LNG運輸船受航道水深、橋梁高度等多種因素制約，所以多數(shù)是容積為10 000～20 000 m3的小型運輸船［7］，該種運輸船儲罐的容積不大，且為短途運輸，故多采用C型儲罐。

3 薄膜型儲罐

薄膜型儲罐采用雙殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼是液貨艙的承載殼體，外殼是船體。與自撐式儲罐相比，薄膜型儲罐具有容積利用率高、重量輕等優(yōu)點，因此新建的液化天然氣船，尤其是大型LNG運輸船，多采用薄膜型儲罐。

3.1 MarkⅢ型儲罐

MarkⅢ型儲罐結(jié)構(gòu)如圖4所示，儲罐由船體結(jié)構(gòu)直接支撐，內(nèi)壁為波紋型。MarkⅢ型儲罐從內(nèi)到外分別是主屏壁、主層熱絕緣板、次屏壁、次層熱絕緣板。主屏壁是指用于裝貨的內(nèi)層構(gòu)件，次屏壁是指如果主屏壁泄漏，能在規(guī)定時間內(nèi)容納泄漏液體的外層結(jié)構(gòu)。國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設備規(guī)則（IGC code）中要求，由意外破損、失效等原因引起主屏壁發(fā)生泄漏時，在15天內(nèi)，次屏壁要保存泄漏的LNG并保護船體鋼板。

圖4 MarkⅢ型儲罐結(jié)構(gòu)

主屏壁采用波紋不銹鋼板，一般選用304不銹鋼；次屏壁由兩層玻璃纖維布中間夾一層鋁箔構(gòu)成［8］。熱絕緣板材料可選擇硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PU）。

MarkⅢ型儲罐設置有完整的二級防漏隔層，該專利屬于GTT公司。MarkⅢ型儲罐的裝載液位為液貨艙高度的10%～70%，部分裝載時，由于薄膜型儲罐的強度較弱，為了防止液體晃蕩所產(chǎn)生的壓力破壞儲罐內(nèi)壁，需要設計防晃結(jié)構(gòu)。

MarkⅢ型儲罐主要適用于大中型LNG運輸船，其主要優(yōu)點在于大量部件可以提前加工，縮短了造船時間；較薄的保溫層增大了液貨裝載空間。

3.2 No.96型儲罐

No.96型儲罐結(jié)構(gòu)如圖5所示。儲罐由船體結(jié)構(gòu)直接支撐，內(nèi)壁為平板型，熱絕緣層分為主、次層熱絕緣板，儲罐從內(nèi)到外分別是主屏壁、主層熱絕緣板、次屏壁、次層熱絕緣板。熱絕緣板需要利用樹脂繩粘合到船板表面，樹脂繩可以錨固絕緣層并均勻分配液貨載荷。

圖5 No.96型儲罐結(jié)構(gòu)

主、次屏壁均采用殷瓦合金，也稱殷鋼［3］。熱絕緣層選擇珍珠巖作為保溫材料，在減少保溫材料費用的同時，由于氣體可以滲透珍珠巖，因此能夠填充更多的惰性氣體，從而保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

與MarkⅢ型儲罐相同，No.96型儲罐也需要設置完整的二級防漏隔層，該專利屬于GTT公司。No.96 型儲罐裝載液位為液貨艙高度的10%～70%，部分裝載時，由于薄膜型儲罐的強度較弱，為了防止液體晃蕩所產(chǎn)生的壓力破壞儲罐內(nèi)壁，需要設計防晃結(jié)構(gòu)。

No.96型儲罐的優(yōu)點是制造工藝相對簡單；缺點是：少量提前加工的部件使得造船時間較長；較厚的保溫層減小了液貨裝載空間。

由于薄膜型儲罐的空間被利用得更充分，使得儲罐同時具備薄、輕、總?cè)萘看蟮忍攸c，因此多數(shù)LNG運輸船都采用薄膜型儲罐。目前，滬東中華造船 （集團）有限公司已經(jīng)成功制造出使用MarkⅢ型、No.96型儲罐的LNG運輸船。

4 新型LNT-A型儲罐

挪威LNT Marine公司在A型儲罐的基礎上，歷時兩年多的研發(fā)，解決了A型儲罐必須有獨立的次屏障和優(yōu)質(zhì)熱絕緣層的問題［9］，最終在2013年開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LNT-A型儲罐。

LNT-A型儲罐結(jié)構(gòu)如圖6所示。該儲罐按傳統(tǒng)設計，最內(nèi)層為主屏壁，外形似棱柱形，作為貨艙壁，貨艙內(nèi)部與SPB型儲罐類似，均設有縱向制蕩艙壁。次屏壁為覆蓋在熱絕緣板內(nèi)表面的密封膜，具有液體密封功能。熱絕緣板附著在船體內(nèi)甲板上，熱絕緣板可以分為冷板和暖板兩部分，冷板與次屏壁接觸，暖板與船體內(nèi)部甲板接觸。主、次屏壁之間的空隙稱作屏壁間空隙（IBS），填充惰性氣體，可以使空間保持干燥，并且當主屏壁LNG泄漏時，空間中填充的惰性氣體也可以降低發(fā)生爆炸的風險。另一方面，該間隙也可以用于檢修人員開展檢查維修工作。貨艙支撐系統(tǒng)由止浮裝置和基座組成，同時為了保證熱絕緣和支撐強度，需要在基座上設置層壓木。

圖6 LNT-A型儲罐結(jié)構(gòu)

考慮到成本因素，通常選擇304不銹鋼、鎳鋼或鋁合金作為主屏壁材料。次屏壁由兩層玻璃纖維布間夾一層鋁箔構(gòu)成，需要采用液體密封的方法完整覆蓋在冷板外表面。熱絕緣層材料選擇聚氨酯（PUF）板。

LNT-A型儲罐能很好地適應船體結(jié)構(gòu)，使得船體內(nèi)部空間可以得到充分利用，因此其裝載量較大。同時，由于其內(nèi)部設有縱向制蕩艙壁，因此該型儲罐對液貨裝載高度沒有要求。

與薄膜型儲罐的熱絕緣層相比，LNT-A型儲罐的熱絕緣層不用承受罐內(nèi)液體負荷，密度最低可達40 kg/cm3。而薄膜型儲罐的熱絕緣層需要考慮艙內(nèi)液體應力，其中MarkⅢ型儲罐密度需要達到140 kg/cm3方可保證其可靠性?？梢?，LNT-A型儲罐熱絕緣層對于材料性能的要求以及材料價格均更低，閃蒸氣也更易控制。

與SPB型儲罐相比，LNT-A型儲罐結(jié)構(gòu)只需按常規(guī)設計即可，因而設計更簡單、建造更容易、成本更低。與C型儲罐相比，相同安裝空間情況下，LNT-A型儲罐儲存容積有25%～50%的提升［4］。

5 結(jié)論

5.1 自撐式儲罐中常用的SPB型儲罐、Moss型儲罐和C型儲罐，裝載液位沒有限制。其中C型儲罐因為不需要設置防漏層，并且設計儲罐時按常規(guī)壓力容器進行，不受專利限制，使得C型儲罐具備造價低、制作工藝相對簡單等優(yōu)點，在中小型LNG運輸船中應用前景可觀。近年來由于內(nèi)河LNG運輸船發(fā)展迅猛，C型儲罐的市場發(fā)展空間進一步擴大。

5.2 多數(shù)LNG運輸船尤其是大型LNG運輸船，多采用薄膜式儲罐，薄膜式儲罐在未來幾年仍然會占據(jù)主流地位。分析其原因在于薄膜式儲罐具有容積利用率高、重量輕等優(yōu)點。但是薄膜式儲罐不耐受液體晃蕩產(chǎn)生的壓力，且貨艙裝載液位受到限制，需要設置次屏壁作為防漏隔層。

5.3 與薄膜式儲罐相比，LNT-A型儲罐材料性能要求低、價格低，閃蒸氣也更易控制。與SPB型儲罐相比，LNT-A型儲罐設計更簡單、建造更容易、成本更低。與C型儲罐相比，在相同安裝空間的情況下，LNT-A型儲罐儲存容積有25%～50%的提升。由于船舶廢氣排放控制越發(fā)嚴格，選擇LNG作為船用燃料是大勢所趨，這就要求儲罐在有限的安裝空間下，存儲量最大化，并且高可靠性與低成本并存。LNT-A型儲罐與其他儲罐相比具有容積大、重量輕、成本低等優(yōu)點，使得LNT-A型儲罐成為有效解決方案之一，LNT-A型儲罐將是未來的發(fā)展趨勢。