LNG低溫儲罐的設計及建造技術要點分析

吳樹勤

（中建電力建設有限公司，北京 100000）

近年來伴隨非可再生能源量的日漸緊缺，全球的天然氣消費量顯著增加，截止到目前，天然氣已經成為全球能源消費結構中占比37.2%的重要能源，而對于天然氣的存儲技術與設備也被各國所重視?？紤]到傳統LNG低溫儲罐消耗空間小、安全性能顯著，所以必須把握儲罐建造技術要點，滿足其設計要求。

1 LNG低溫儲罐的基本結構特點與設計要求

1.1 LNG低溫儲罐的基本結構特點

LNG低溫儲罐中包含單容罐、雙容罐以及全容罐三大結構類型。它們一般都應用到了鋼制材料，主容器部分主要用于存儲液態天然氣，而穹頂空間則主要存儲蒸汽，另外還有次容器用于收集存儲液態泄漏物。通常情況下，LNG低溫儲罐的儲藏安全性能表現良好，不過其儲藏花費成本也相對偏高，因此有必要對其基本結構進行改造，例如可采用低成本的型鋼骨架，在骨架上再焊接一層薄鋼板即可。

1.2 LNG低溫儲罐設計要求

1.2.1 材料要求

LNG屬于低溫液化后的天然氣，它被儲存于常壓絕熱容器之中，以液體形式存在，而使用時則需要進行氣化處理。因此一般情況下LNG低溫儲罐的設計溫度在-170℃左右，設計過程中應該首先使用氮氣材料進行冷凝處理，調整其溫度至低溫狀態，實際設計時可將溫度調節到最低-195℃。而為了保證天然氣常壓液化儲存，需要適當降低儲罐壁厚，同時也要保證其安全性能，設計制造時選擇9Ni鋼，外部材料則選擇鋼筋混凝土，確保其抗拉強度可保持在至少25kPa以上。當然，考慮到LNG低溫儲罐中所儲存的是低溫液體，所以要避免液體泄漏導致爆炸事故發生，考慮到罐體內外溫差最高可達到200℃，所以必須保證罐體具有極佳的承壓能力，避免其過度損壞，在罐體設計制作過程中應該做好抗壓與抗震實驗。

1.2.2 壓力實驗要求

要采用氣壓實驗對儲罐設計壓力進行合理控制，確保其能夠承受正壓力的1.25倍。氣壓實驗要與水壓實驗并行展開，水壓實驗一般在罐體蒸汽儲存空間展開，在實驗過程中要控制好壓力值，例如可打開釋放閥，在保證一段高壓力值后再將壓力降低，此時也要對所有焊接頭展開肥皂溶液實驗，配合焊接接頭真空實驗展開，滿足儲罐在承壓狀態下也能合理設定壓力，充分考慮儲罐外壓入空氣與蒸汽空間之間的相互關系。最后在實驗完畢后需要進行排空檢查，確?？展奘褂脻M足設計壓力中的空氣壓力要求，同時在底部焊接部分對混凝土結構進行全面檢查。

目前國內在建造LNG低溫儲罐過程中會實施氣壓升頂實驗，即技術人員準確把控儲罐內外壓力差（在儲罐穹頂位置操作）。舉例來說，在針對總重量為800t的低溫儲罐時，需要參考300mm/min速度對穹頂結構與儲罐頂部指定位置進行氣壓升頂實驗，保證在3h限定范圍內實驗至少50m的升頂距離，測試穹頂承壓環能力，看其是否能夠合理化聚合，如此是為保證儲罐建造成果更加穩固，建造形式實施到位。

1.2.3 抗震要求

一旦出現地震災害，LNG低溫儲罐就會面臨巨大風險，即在地震巨大作用力的沖擊下，儲罐會被破壞（一般為儲罐壁下部分被破壞）。在這一過程中需要展開抗震實驗，計算地震所帶來實際影響，結合地區內的抗震設防等級與場地類別展開分析判定。這其中要參考《建筑抗震設計規范》，進而展開LNG低溫儲罐分析與設計。

1.2.4 成本要求

在LNG低溫儲罐設計與建造過程中需要滿足設計方案的強度與安全性條件，同時盡量控制其設計建造成本，減少材料消耗。這里需要分析到材料設計成本問題，考慮到目前采用國外鋼材的價格偏高，所以國內的LNG低溫儲罐一般會選擇采用國內太鋼、鎳鋼材料，這些材料都能在超低溫狀態下作為壓力容器的主要材料存在，它們在焊接性與韌性表現方面非常突出，且消耗成本更低，可為LNG低溫儲罐生產提供較大利潤空間，滿足液化天然氣生產經濟性要求。

結合上述針對LNG低溫儲罐的設計要求，可了解到目前全球范圍內的LNG低溫儲罐設計形式是非常豐富的，例如我國就提出了一系列的自主設計形式，希望借此機會體現LNG低溫儲罐建造技術優勢，保證其建造過程中經濟性與安全性有所提高。在國內，擁有30 000m3容積的大型LNG低溫儲罐已經建成，且其建造技術正在趨于成熟。例如國內某省的LNG低溫儲罐項目，其總容積達到18×104m3，其中擁有堅固的混凝土結構、預應力筋穿束，在張拉類型與灌漿方法方面表現突出。在保證儲罐建造結構合理方面，它采用到了優化過的絕熱結構，配合專業機械設備實現了對工藝流程的全面整合，從整體上提高了建造技術的應用效果。另外，其它地區的LNG低溫儲罐建造項目也建造了罐體高度為51m的儲罐，其在設計過程中就采用到了型鋼球狀骨架，大幅提高了儲罐的內部襯板強度，它在設計建造過程中采用到了氣吹頂升實驗實現有效加固，同時增加罐體密實度?？傮w來講，目前國內針對LNG低溫儲罐的自主設計形式還是頗為豐富的，他們在設計建造過程中增設加強筋，如此可達到較好的加固效果，同時確保關注導管接頭與外徑照比鋼筋籠內徑尺寸縮小至少100mm，如此可滿足儲罐基本建造標準，確保LNG低溫儲罐設計合理化。

2 LNG低溫儲罐的建造技術要點實踐應用分析

LNG低溫儲罐的建造技術要點豐富，它在實踐應用方面表現多元，主要針對儲罐管口的傳熱優化建造技術進行分析。

2.1 LNG低溫儲罐罐頂管口傳熱有限元的分析

LNG低溫儲罐均采用金屬雙鋼壁，需要對罐頂管口進行傳熱分析，優化其結構設計內容，主要是對環板、熱套管外表面溫度進行測量，避免其出現結露或結冰現象，并在熱套管外側設置保冷層，控制結點處溫度過度下降。所以說在罐頂管口設計時，需要保證其熱套管與罐頂結合位置溫度滿足材質性能要求，基于此設計罐頂管口傳熱有限元，滿足結露、結冰設計要求，最大限度減少外界影響因素對罐頂板網殼所產生的過度承載影響。

2.2 LNG低溫儲罐套管防結露結冰設計

LNG罐頂內表面氣相空間溫度一般會控制在13℃左右，其露點溫度則可控制在11.50℃左右，如果環境溫度降低，套管外保冷層厚度也會有所減小，如此對網殼結構設計是非常有利的，所以在設計建造過程中應該參考當地冬季溫度實際情況條件進行分析、設計與建造，確保管口結構尺寸參數合理，并提出具體的計算模型網格。在滿足套管防結冰設計過程中，需要確保管口結構設計滿足兩個基本條件：①保證熱套管罐頂結合位置設計溫度在-15℃以上；②保證熱套管外側與保冷層表面溫度控制在0℃以上。在這一過程中，需要采用到穩態傳熱計算實驗，分析優化其管口結構溫度場內容，保證熱套管與罐頂板交接位置最高溫度控制在5.0℃以上。另外在結構尺寸設計方面需要滿足罐頂板材質要求，確保最低耐溫限值為≥-15℃。在這一建造過程中，需要了解到熱套管外表面會出現結露問題，所以要將其表面溫度控制在環境冰點溫度之上，避免套管外側發生結冰問題，即要建設套管防結冰設計體系。

2.3 LNG低溫儲罐罐頂管口結構尺寸設計

在優化LNG低溫儲罐罐頂管口結構尺寸過程中，需要了解其管口傳熱過程，分析環形空間背景下的保冷層厚度，避免其對管口傳熱產生影響，具體來說就要分析其中的耦合關聯與制約關系，合理滿足材料耐溫與防結冰設計要求?？傮w來說，確保參數設計結構尺寸滿足最小值優化，設置管口載荷最小限值，如此對儲罐罐頂網殼的設計優化有好處。在設計過程中，也要采用到ANSYS Workbench軟件，了解Design Exploration工具內容，結合多變量、多目標優化設計相應管口平臺，優化管口設計建造算法。具體來說，可通過尺寸變化搜索分析約束條件，明確管口設計的最小值與最優解。

在LNG低溫儲罐罐頂管口結構尺寸設計過程中，也要采用到Screening Optimization Method實施優化設計，并建立敏感性分析技術體系，確保不同結構參數對罐頂板結合溫度設計到位。同時也要了解熱套管變化，分析其影響大小，結合客觀分析規律對管口結構尺寸進行優化，特別要關注在設計建造過程中的幾個重要的敏感性參數，比如說熱套管的爆冷厚度、外側表面溫度等。在建造環節，需要結合罐頂管口結構的基礎尺寸進行溫度場建造分析，結合分析結果進行圓整處理，以滿足罐頂防結冰設計要求，確保LNG低溫儲罐建造科學合理到位。

整體來說，要充分運用ANSYS有限元分析軟件對LNG儲罐罐頂管口進行設計與建造，了解ANSYS軟件模塊優化設計過程，確保套筒高度合理化，同時改善套筒以及罐頂管口的保冷厚度與保冷段長度。在建造過程中，可了解到影響熱套管與罐頂管口的主要參數因素就是套筒高度，所以在建造過程中必須提前做好參數調整工作，結合設計建造方法與分析結果了解低溫儲罐管口結構基本內容，確保設計建造過程具有參考指導價值意義。

3 結束語

詳細解讀了當前液化天然氣生產中的核心項目——LNG低溫儲罐的設計與建造技術要點相關內容。在研究中基本明確了其設計標準與理論依據，希望結合不同技術要求分析其技術標準規范與改良關鍵要點，形成儲罐建造技術體系。具體來講就是結合所選用材料分析影響LNG低溫儲罐強度的諸多設計要求條件，結合科學理性分析確保罐體滿足設計要求，并能夠順利建造。確保液化天然氣存儲與供應滿足生產需要，也為其安全生產提供可靠技術支持與保障。