分析大型LNG低溫常壓儲罐設計

程威

（廣東省中山市南方空氣分離設備有限公司 528441）

分析大型LNG低溫常壓儲罐設計

程威

（廣東省中山市南方空氣分離設備有限公司 528441）

天然氣的各種儲存方式，如低溫常壓儲存或低壓儲存等方式在液化天然氣（LNG）終端站，液化廠以及各大城市調峰系統中有非常廣泛的應用，本文結合國內外大型的低溫常壓儲罐的設計建造標準來探討大型液化天然氣（LNG）低溫常壓儲罐的具體設計方式。

LNG；大型低溫常壓儲罐；設計

當前我國從對能源結構的改變與自然環境的改善為出發點，努力研究天然氣的液化技術，到目前為止，取得了不錯的成績，尤其是一些沿海城市通常都建有液化天然氣接收站，接收站通過接收來自海外的液化天然氣，然后再通過內地的天然氣液化加工廠，從而很好的儲存以及運輸天然氣。但不管是沿海的接收站，還是內地的加工廠，大型低溫儲罐都是液化天然氣的非常重要的儲存設備。

1 LNG的概況

LNG，是液化天然氣的英文縮寫，其主要成分是由甲烷組成，它不僅可以節約天然氣的儲存與運輸時的空間，還可以相應地節約成本，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用，許多國家都將LNG作為國家首選的燃料。LNG儲罐是天然氣接收站的主要儲存設備，其本身的安全性能是否良好直接關系到接收站的輸送狀況，以及其運行投資的經濟性能等。

在1914年，美國發明了首項LNG專利，同時建設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，來研究LNG運輸技術；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臺直徑為17.37m的LNG球形儲罐；1954年出現了第一臺用于液氧的不銹鋼雙壁絕熱平底低溫儲槽；到了60年代，LNG開始得到大量生產，運輸與貿易，到目前為止這種天然氣液化儲存運輸方式已經影響到世界各國天然氣實際的供需要求；在1964年，世界上第一座LNG工廠在阿爾及利亞正式建成并開始投產運行，隨著LNG的需求量開始逐漸增大，各個國家以及地區都形成較為完整的LNG產生鏈，促進了天然氣液化的進一步發展，自此天然氣儲罐技術開始得到不斷研發與應用[1]。

2 LNG低溫常壓儲罐國內外的設計建造標準

LNG的存儲是LNG工業中一個極其重要的生產環節，但相應地其對各地的LNG接收站與調峰型的液化工廠來說都要有較高的投資建設，所以世界各國以及各地區對LNG低溫常壓儲罐的設計與建造越來越重視。LNG低溫常壓儲罐的形式由儲罐的容積大小、投資費用以及設計建造時的安全影響因素與設計建造時的條件限制等各種條件因素來決定的。

現階段，世界各國大型儲罐的設計建造標準主要有以下幾種：美國，《大型焊接低壓儲罐設計與建造》（APISTD 620），《生產、儲存和裝運標準》（NFPA 59A LNG）以及《鋼質焊接石油儲罐》（APISTD 650）等；英國，《BS 7777-1低溫用平底、立式、圓柱形儲罐－罐儲的設計、制造、安裝和操作的一般規定指南》與《低溫用平底、立式、圓柱形儲—預應力鋼筋混凝土罐基礎的設計和制造及罐內襯和罐涂層的設計和安裝推薦方法》（BS－7777－3）等；日本，《地下儲罐指南》（JGA指-107-02LNG），《地上儲罐指南》（JGA指-108-02LNG），《接收站設備指南》（JGA指-102-03LNG）以及《小型接收站設備指南》（JGA指-105-03LNG）等；歐盟國家，《操作溫度在0～-165℃之間的現場組裝立式圓筒平底鋼質低溫液化氣體儲罐的設計與建造—總則》（BSEN 14620-1）與《操作溫度在0～-165℃之間的現場組裝立式圓筒平底鋼質低溫液化氣體儲罐的設計與建造-金屬構件》（BSEN 14620-2）等[2]。

在我國到目前為止，對于大型的LNG低溫常壓儲罐設計與建設并沒有什么實質的標準規范，但隨著天然氣的應用增大，LNG的適應范圍也同樣在增大，相應的低溫常壓儲存的要求也在增大，國家相關技術委員會根據英國BS 7777的設計建造標準制定了我國LNG大型低溫常壓儲罐設計建造標準與規范的初稿，另外在LNG的儲存與運輸方面設定了幾個相關標準規范，根據美國的NFPA59A與APISTD 620分別制定出《生產、儲存和裝運》（GB/T 20368 LNG）和《大型焊接低壓儲罐的設計與建設》（SY/T0608），另外還制定出了《接收站安全技術規程》（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罐施工技術規程》（SH/T 3537）等等設計建造標準規范。

3 大型LNG低溫常壓儲罐的具體設計

在對大型LNG低溫常壓儲罐進行具體設計時，要從幾個方面開始著手，主要有內部罐體所用的低溫材料的選擇，內外儲罐的罐底設計，還有罐壁與罐頂的設計以及最后的吊頂與地震設計等。

3.1 選擇低溫材料

當前我國的大型低溫LNG儲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度高，在低溫狀態下韌性好等特性。在21世紀初以前這種低溫材料以及所用的焊接材料在我國主要靠國外進口，這對我國實行大型LNG低溫常壓儲罐建造產生了巨大的困擾，一直到2005年，山西太原鋼鐵集團公司擔下這項重任，開始對LNG低溫常壓儲罐建造所用的這種9%Ni鋼進行研發，結果成功研發出國產的9%Ni鋼和06Ni9等低溫儲罐材料，隨后這兩種材料經過安徽合肥通用機械研究院等各單位進行深入地分析與研究，結果證明這兩種材料在低溫-196℃下，其綜合性能指標嚴重超過了美國與歐盟國家的標準要求，這標志著我低溫常壓儲罐設計建造往高科技邁進了一大步。

3.2 設計內外儲罐的罐底

內外儲罐的罐底主要分為兩個部分，即邊緣板與中幅板。在固件的同一焊接拉應力下邊緣板的最小厚度要求應該在6～19mm之間，應滿足罐壁的不同應力狀況，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，同時應超出底圈板外側寬度最小50mm。而針對中幅板設計時，其最小厚度在不含腐蝕量的情況下通常在5mm左右，而直邊側的最小長度不能短于700mm；而中幅板之間可以采用對接或搭接的方式進行，搭接時，其最小寬度必須是中幅板厚度的五倍左右，通常設計成40mm，對接時可采用雙面焊接或帶墊板和單面焊接[3]。對于中幅板與邊緣板之間的連接可以采用搭接的方式來進行，邊緣板應該搭接在中幅板的下面，并且搭接長短距離應該為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；最后設計時，中幅板的邊緣位置與底圈板內側的最短距離應該保證在邊緣板厚度高于240mm，液體位置高度高于0.5mm的情況下進行設計。

3.3 設計罐壁與罐頂

在罐壁設計時，其厚度主要包括腐蝕裕量的罐壁設計厚度與靜水壓測試罐壁厚度中的最大值，同時，根據罐壁直徑大小設計其最小厚度如表1所示。

并且每圈壁板的厚度應大于上圈壁板的厚度，罐壁的環焊縫與縱焊縫都采用對接接頭進行焊接，同時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，其距離應大于300mm；對于承受外部載荷力的內罐罐壁設計時要確保其能承受環向和軸向的組合應力；而當罐壁的厚度隨高度變化而發生變化時，可以采用罐壁折算法來計算加強圈之間的間隔距離，也可參照相關標準要求進行計算。

表1 罐壁的最小厚度

針對罐頂的設計通常采用帶支撐的結構，也就是球形頂來進行設計，罐頂板的最小厚度要保證在5mm左右，而罐頂板的設計通常采用搭接結構進行設計，同時搭接量最小應為25mm，并且支撐結構選擇肋環形或肋環斜桿型進行設計，也可以按照國家現行標準《空間網格結構技術規程》GJ7的相關規定進行建造設計[4]。

3.4 儲罐的吊頂與地震設計

儲罐的吊頂及支撐結構的設計要按最低的設計溫度來進行，其載荷能力要包括吊頂本身的重理、相關保冷材料的重量以及活載荷等等，當某個吊頂失去作用時，其他的要能保證吊頂的安全性能，而且對于吊頂的通氣孔進行設計時，要確保吊頂上下兩側的壓力差值沒有超過吊頂本身的重量。

在儲罐的設計中，另外還要考慮到其地震載荷問題，對于儲罐的具體使用單位應該實行現場勘查，檢測出地震動力的特性及其反應情況。在儲罐的地震設計上具體應按OBE，即操作基準地震以及按SSE，即安全停運地震這兩種情況來進行設計，同時可根據SEE進行校對核準，設計成在操作基準地震期間以及后期都能持續不斷地進行運行，另外在地震安全停運期間以及后期要保證儲罐的良好儲存力，同時要保證在其進行問題維修時能起到有效隔離的作用[5]。

4 結束語

本文結合國內外大型的低溫常壓儲罐的設計建造標準簡單分析了大型液化天然氣（LNG）低溫常壓儲罐的具體設計方式，相信對我國以后的大型LNG低溫常壓儲罐的設計有相應的幫助。

[1]王冰，陳學東，王國平.大型低溫LNG儲罐設計與建造技術的新進展[J].天然氣工業，2010，05：108～112+149.

[2]王振良.大型LNG低溫儲罐設計理論與方法研究[D].西安石油大學，2011.

[3]許云鳳.大型LNG低溫儲罐的安全性數值分析[D].西安石油大學，2011.

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

[5]張曉東，李積杰.單容式大型LNG低溫儲罐設計[J].通用機械，2009，06：69～71.

TE972

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1004-7344（2016）15-0258-02

2016-5-11