國內外大型液化天然氣儲罐發展現狀

王振良,李臻

(西安石油大學機械工程學院,陜西,西安,710065)

國內外大型液化天然氣儲罐發展現狀

王振良,李臻

(西安石油大學機械工程學院,陜西,西安,710065)

文章結合LNG儲罐建設相關論文及文獻,論述了關于LNG儲罐的結構與特殊要求,并介紹設計的難點。同時介紹了其在國內外的發展現狀,并做出總結。

LNG;儲罐;設計;標準;發展

液化天然氣 (Liquefied Natural Gas,縮寫為 LNG)作為燃料與煤和石油相比,除NOx、COx含量低和幾乎不含硫等特性外并具有以下優點：天然氣液化后,方便可靠,便于運輸節約成本;儲存效率高,占地少,投資省;與燃油相比、抗爆性好、燃燒完全、排氣污染少;生產使用比較安全,稍有泄漏立即揮發飛散了,不致引起自然爆炸;有利于環境保護,減少城市污染。隨著全球能源資源的多樣化,未來國內對LNG終端結構材料的需求量將會非常大。

1 LNG儲罐的結構與特殊要求

LNG儲罐的設計溫度為 -165℃,由于設計時必須考慮到用氮氣冷凝時可能出現的溫度,故設計溫度范圍在 -165～-196℃。LNG儲罐屬常壓、低溫大型儲罐,分為地上式與地下式兩類,通常為平底雙壁圓柱形。儲罐內壁與LNG直接接觸,一般采用含鎳 9%的合金鋼,也可為全鋁、不銹鋼薄膜或預應力混凝土,外壁為碳鋼或預應力混凝土。壁頂的懸掛式絕熱支撐平臺為鋁制,罐頂則由碳鋼或混凝土制成。罐內絕熱材料主要為膨脹珍珠巖、彈性玻璃纖維氈及泡沫玻璃磚等。LNG儲罐又有單容 (單封閉)罐、雙容 (雙封閉)罐及全容(全封閉)罐、薄膜罐四種。由于 LNG的特殊性也就決定了設計中的難度與特殊要求：(1)耐低溫。由于其設計是將天然氣液化并采用常壓或是稍高于常壓的方式存儲與高壓常溫儲存方式相比,可以大大降低罐壁厚度,提高安全性能,同時也就要求其必須耐低溫。(2)安全要求高。由于罐內儲存的是低溫液體,儲存量大(目前大部分是 16萬立方米的大型儲罐),儲罐一旦出現意外,大量揮發的冷藏液體將會在大氣中形成會自動引爆的氣團。因此,API、EN14620等規范都要求儲罐采用雙層壁結構,運用封攔理念確保儲存安全。(3)材料特殊。內罐壁要求耐低溫,一般選用 9Ni鋼,外罐壁為預應力鋼筋混凝土,一般設計抗拉強度≥20 kPa。(4)保溫措施嚴格。由于罐內外溫差最高可達 200℃,要使罐內溫度保持在 -162℃,罐體就要具有良好的保冷性能,在內罐和外罐之間填充高性能的保冷材料。罐底保冷材料還要有足夠承壓能力。(5)抗震性能好。為保證安全對 LNG儲罐要求在規定地震荷載下不倒也不裂。因此必須選擇合適的地方避開地震帶,施工前必須對儲罐做抗震試驗。(6)施工要求嚴格。儲罐焊縫必須進行 100%磁粉檢測(MT)及 100%真空氣密檢測 (VBT)。要嚴格選擇保冷材料,施工中應遵循規定的程序并保證儲罐的垂直度。

2 LNG儲罐關鍵結構設計中的難點

(1)風載荷和地震載荷引起的傾覆力矩、儲罐內壓都有可能引起罐體向上抬升從而導致罐體的不穩定。(2)罐底邊緣板受力復雜且計算應力值較高特別是在罐壁與罐底的角焊縫處應力最大且該值不是定值,它隨液位變化而變,雖然頻率很底,但應力值高,如果這一區域存在裂紋,容易產生斷裂事故。(3)由于計算公式中所考慮的腐蝕裕度只涉及到了介質的均勻腐蝕,沒有考慮實際上 LNG內含有的水和其它雜質大部分積存于儲罐底部,會造成底圈壁板局部嚴重腐蝕,因而要適當增加底圈壁板的厚度。(4)罐體受力在罐壁底圈壁板和罐底邊緣板上,除了承受液體的靜壓力外,還承受著較大的邊緣應力。

3 國外大型常壓LNG貯罐設計發展現狀

LNG貯存是 LNG工業中非常重要的一個環節,但對LNG接收站或調峰型液化工廠來說占有很高的投資比例,因此世界上許多國家都非常重視大型常壓LNG儲罐設計和制造。阿爾及利亞、文萊和印度尼西亞等LNG輸出國和英國、法國、日本等輸入國都建有大量大型常壓 LNG儲罐。目前LNG在亞洲應用量最大,占全球 78%,其中日本應用量占全球 62%。儲罐形式取決于容量大小、投資費、安全因素及當地的建造條件等。目前世界上不少國家都有能力和技術建造大中型常壓儲罐。目前國外大型儲罐的主要設計標準有：①美國石油學會標準《鋼制焊接石油儲罐》API650和《大型焊接低壓儲罐設計與建造》API620;②日本工業標準《鋼制焊接油罐結構》J ISB851;③英國國家標準《石油工業立式鋼制焊接油罐》BS2654。上述外國標準中,美國石油學會標準API650和API620是世界上公認的應用最為普遍的儲罐設計建造標準,以及基于英國國家標準下制定的歐洲標準 BS EN14620。

4 國內大型常壓LNG貯罐現狀

我國有豐富的天然氣資源,但是還沒有大規模液化天然氣系統工程實踐。在沿海建設LNG接收站將有利于緩解東部沿海地區能源緊缺。目前我國暫時沒有關于大型LNG儲罐設計的國家標準和自行設計的大型常壓LNG儲罐,與發達國家相比還存在很大的差距。隨著液化天然氣工業的發展,我國對液化天然氣儲罐的研究也越來越重視并不斷加快發展我國的LNG工程。目前,廣東大鵬灣LNG項目已經竣工,福建LNG接收站的LNG新增儲罐項目已經完成了總進度的 80%以上。浙江省等部分沿海省市也在積極籌劃LNG引進事宜并建設接收站。在大型低溫液體儲罐領域,如液氧、液氮儲罐國內已有成熟的設計、建造技術。四川空分設備(集團)有限公司從 20世紀 80年代開始吸收外國設計和建造大型儲罐的先進技術,近年來自主開發了許多大型低溫液體儲罐。壓力罐在容量小的場合是可行的,但隨著容量增大其投資成本增大,發展大型常壓 LNG儲罐,尤其是 10000 m3以上LNG儲罐已是大勢所趨。

目前國內大型儲罐的設計標準規范有三個：①國家標準《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》GB50341-2003;②中國石油化工總公司標準《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范》SH3046-1992;③機械工業部、化學工業部、勞動部及中國石油化工總公司標準《鋼制焊接常壓容器》JB/ T4735-1997第十二章“立式圓筒形儲罐”。上述三個主要設計標準規范并不適用于大型 LNG低溫儲罐的設計建造,為此國家還必須進行深入研究以便制定一套完整的標準。

5 總結與展望

縱觀 LNG儲罐的發展歷程可以看出,儲罐大型化是必然趨勢,由于儲罐越大,越節省鋼材、節省投資,布局緊湊,占地面積小。在總容積相同的情況下,幾臺大設備要比一群小設備占地面積節省得多;便于操作管理,幾臺大設備比一臺小設備在檢測、維修和管理等方面都比較方便這些顯著優點。當然LNG儲罐的大型化也是要適度的,而LNG儲罐的常壓化可以使 LNG儲罐在建造過程中可以節省更多的人力、物力,并且也降低了在LNG使用過程中的危險。由此可見綜合考慮各方面因素,大型常壓儲罐是大勢所趨。目前國內在LNG儲罐的材料方面,太鋼已有資質生產 9Ni鋼,但還沒有與鋼板匹配的鍛件、管件和焊材等。國內已經有能力建造大型LNG項目,但是在焊接工藝的選擇方面,還只是單純的停留在手工焊和埋弧自動焊這兩種成熟的焊接工藝上,但對于鎢極氬弧焊和 CO2氣體保焊研究尚未有所突破。在設計標準方面目前已有很多研究機構研究,且國外已經有完整的設計標準,國內也有許多關于儲罐的設計標準與規范,相信國內在不久也會形成自己的關于大型LNG儲罐設計與建造的標準。

[1]張抗.世界液化天然氣發展現狀與展望 [J].當代石油石化, 2006,14(4)：31-34.

TE1

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1003-3467(2010)10-0002-02