韓國LNG薄膜儲罐技術的發展

常旭寧，郭保玲，賴建波，王佩廣，程韋豪

北京市燃氣集團研究院，北京 100011

韓國于1987年起引進LNG，首個接收站為平澤（Pyeongteak）接收站，一期即引進了4臺采用法國GTT技術設計的地上10 000 m3薄膜罐[1]。在引進薄膜罐技術的過程中，KOGAS（韓國燃氣）即開始了技術吸收與轉化，開發出屬于自己的專利薄膜罐技術，并于1997年獲得法國國際專利[2]。

本文通過對公開技術資料的搜集整理，對韓國關于LNG薄膜儲罐相關技術的引進、吸收、本土轉化與開發過程進行了梳理，以期為我國LNG薄膜儲罐技術的引進及轉化提供借鑒。

1 薄膜儲罐技術的研發

1.1 儲罐薄膜材料的拉伸斷裂韌性試驗

對于薄膜儲罐材料，韓國浦項鋼鐵有限公司開發了冷加工STS 304不銹鋼，以作為制作液化天然氣儲罐薄膜的材料[3]。KOGAS在溫度范圍為-162～20℃的條件下，對2 mm厚的STS 304不銹鋼進行了拉伸斷裂韌性試驗。試驗評估了低溫對材料強度、延展性和斷裂韌性的影響。通過斷口形貌觀察，研究了斷裂韌性與臨界拉伸帶寬度之間的關系。

試驗在一臺裝有低溫恒溫器的由計算機控制的100 kN伺服液壓試驗系統上進行。試件置于低溫箱內，箱內噴入液氮，溫差控制在±2℃。當溫度穩定在-162、-120、-80、20℃時，且當拉伸儀輸出恒定后，開始進行試驗。試件長50 mm、寬12.5 mm，靠近裂紋擴展路徑有一個緊致拉伸（CT）試樣，其厚度為2 mm、寬度為40 mm。

通過對試驗結果進行分析發現，在-162～20℃范圍內，隨著溫度的降低，抗拉強度顯著提高，0.2%的屈服強度對溫度相對不敏感。在20℃時，總伸長率突然下降為0%；在-80℃時，總伸長率略有下降，直至-162℃。隨著溫度降低到-80～5℃，引發斷裂韌性Jc明顯降低，-162～-80℃之間則無明顯變化。此外，撕裂模量Tmat隨溫度的降低呈線性下降。斷口形貌分析表明，室溫下臨界拉伸區寬度SZWc約為-162℃時的3倍。這表明，材料完全滿足LNG工作溫度下的強度要求。

1.2 儲罐薄膜的抗沖擊試驗

驗證了儲罐薄膜材料的強度后，需要對儲罐薄膜的抗沖擊性能進行研究，以確認是否適應在LNG充裝時液體產生的晃蕩載荷和溫度變化載荷沖擊。由于不銹鋼薄板的剛性較好，在受到沖擊的瞬間，產生的形變和應力無法保持，因此通過比選，采用了非破壞的聲發射測試法（AE信號測試法）進行測試[4]。

1.2.1 試驗方法

圖1 AE試驗臺及信號模擬流程

圖2 薄膜試件的形狀

1.2.2 試驗結果及分析

試驗結果如表1所示。通過分析發現，隨著對儲罐薄膜進行沖擊的落體重量的增加，AE系統測試得到的沖擊能量也線性增加，而環狀結節薄膜所受到的沖擊能量只相當于普通平板鋼的一半左右，因此薄膜上的“環狀結節”可吸收儲罐內液體晃蕩或初期LNG充裝產生的形變，因而被認為是大幅提高儲罐薄膜安全性的設計。

表1 AE試驗結果和參數對比

1.3 儲罐薄膜的開發[2]

KOGAS在先后引進了法國GTT以及日本三菱重工（MHI）、石川島播磨重工（IHI）、川崎重工（KHI）的薄膜儲罐技術后，也開發出了自己的“環狀結節”波紋薄膜材料。經過一系列試驗驗證，最終改進、開發出屬于KOGAS自己的儲罐薄膜技術，并于1997年取得了法國國際專利。圖3為KOGAS薄膜基本形狀示意。

圖3 KOGAS薄膜基本形狀示意

薄膜的基本結構是3條直線褶皺成1對，每對具有正交的形態。正交垂直褶皺位于水平褶皺中央的上下，這就使水平褶皺能夠靈活變形。因此，整體形變將采用儲罐薄膜對角線中心的轉彎變形形式，這樣相對變形較小。

KOGAS開發的儲罐薄膜僅僅是基本概念，若打算將該專利技術應用于儲罐建設，還要解決諸如最佳的波紋形式、波紋間距、錨固點、應力最小化的波紋分布等問題。KOGAS主要采用有限元因素分析方法進行研究，有限元素的大小基本是4 mm的四邊形單元（Shell element）。

1.3.1 儲罐薄膜的有限元分析

首先以應力-變形率為先導輸入，分析出儲罐薄膜的形變分布、應力分布。各方面均賦予對稱性條件，并考慮了熱變形特性，最終確定波紋形狀、間距和錨固點位置等，由此確定了儲罐薄膜的基本形狀。

1.3.2 基本形狀試驗[5]

LNG儲罐具有比較特殊的結構形式，尚沒有相應的明確的災害處理標準及安全性評估法。因此，KOGAS按照日本天然氣協會制定的《LNG地下儲存罐指南（RPIS）》對儲罐薄膜的安全性進行了試驗分析。按照儲罐薄膜的設計形狀，KOGAS開發出專用模具，制作出儲罐薄膜試件，并進行了安全性測試。

（1）靜載荷安全性測試。為了掌握靜態載荷的安全性，設定在實際發生溫度變化為最大（Δt=190℃），其相應機械變形為4.8 mm時，測試薄膜波紋部分的形變特點。即使用預測的變量，在薄膜各部位施加三軸壓力，測出各部位形變。測試結果顯示，在波紋上部發生了壓縮形變，在波紋下部發生了拉伸形變，分析由這些形變量增加所導致的形變率變化，結果顯示，薄膜的所有波紋部位均有穩定的形變特性。

（2）模擬工作負荷測試。為了確認儲罐在承受實際LNG儲罐工況最嚴苛的負荷條件之一時，即由溫度引起的變形和由壓力引起的變形同時達到最大時的安全性，在進行壓力負荷試驗前，先對薄膜進行了4.8 mm的拉伸變形，而后在薄膜熱負荷達到最大時施加最大壓力，以模擬最嚴苛的工作負荷。壓力負荷的安全性確認試驗是以對應140 000 m3容積的儲罐預計壓力值進行試驗的，試驗結果見圖4。從結果中可以看出，隨著壓力的增加，波紋各部位形變也呈現出穩定增加的趨勢，由此可見，由壓力產生的形變非常穩定。

圖4 壓力荷載作用下的薄膜波紋應變測量值

（3）薄膜漸進形變試驗。薄膜儲罐運行時，LNG的排放和充裝將導致溫度、壓力發生變化，這將對儲罐薄膜產生循環沖擊。因此在該工況下，要求儲罐薄膜的波紋部分隨著液位的增加，其產生的變形量不能連續上升。保證滿足這一要求的方法是，其壓力變化應低于設計理論分析建議的不超過3倍許用強度（137 MPa×3=411 MPa）變化的要求，如果不滿足，則要進行10次溫度/壓力變化下的連續負荷循環試驗，以確認不發生連續變形。經過測試，得到了如圖5所示的結果。圖5表明，罐壁及罐底部薄膜的變形都很穩定，均未發生漸進性變形。

圖5 薄膜漸進形變試驗

1.4 儲罐薄膜的疲勞壽命分析

儲罐薄膜應滿足的疲勞壽命是根據LNG儲罐的操作情況確定的。儲罐內部液位、溫度的變化將導致薄膜產生相應的應力、應變變化，這對薄膜的疲勞壽命將產生影響。在薄膜儲罐運行期間，典型負荷包括：液位變化，其在薄膜上產生的最大應變設定為ε1；溫差變化Δt=90℃（預冷），其在薄膜上產生的最大應變設定為ε2；溫差變化Δt=190℃（充裝），其在薄膜上產生的最大應變設定為ε3。將模擬計算得到的應力數據代入公式進行計算，得到等效應變值：

疲勞壽命評價是根據設計疲勞曲線，由變形率組合而成的常年應力進行評價的。在求得MINER疲勞損傷累積系數M后，再據之進行安全性評價。當M=1時失效，當M＜1時不失效。根據表2所示的分析結果，儲罐薄膜的疲勞壽命完全滿足儲罐的正常操作循環要求。

表2 罐壁薄膜的MINER疲勞損傷累積系數

2 薄膜儲罐的設計改進[6]

開發出薄膜技術后，KOGAS在全容罐設計理念基礎上，又進行了薄膜罐整體技術設計。韓國早期引進的薄膜罐中，因薄膜內罐幾乎沒有強度，因此罐內循環泵的脫落會損傷罐底薄膜，從而產生泄漏的風險。為應對泵的跌落，KOGAS對薄膜罐進行了4次理論上的設計改進。

薄膜罐的設計改進型1：內罐底板上安裝了鋼板吸收結構（absorber structure），用于應對罐內泵的跌落碰撞，防止損傷薄膜。

薄膜罐的設計改進型2：在接收沖擊的構造中，在儲罐底部的絕熱材料內設置0.5 mm厚鋁制二次阻隔膜（second barrier），用于在內膜受損泄漏的情況下，次屏膜能阻止泄漏的擴散。

薄膜罐的設計改進型3：為了進一步避免儲罐受罐內泵跌落的影響，在吸收構造中安裝了泵捕獲器（pump catcher），用于固定跌落的泵體，避免泵體被液流帶到其他地方而損傷罐底設備和內膜。

薄膜罐的設計改進型4：在吸收結構和泵捕獲器處，在儲罐底部的絕熱材料內增設0.5 mm厚的鋁制第二次阻隔膜，以提高安全系數。

KOGAS產品研究室利用故障樹分析法完成了標準全容罐與薄膜罐的定量危險性比較評價。總共對6種設計模型（1種全容罐和5種薄膜罐）進行了評價，薄膜罐為KOGAS的早期設計模型和4種設計改進模型。評價結果表明，除了還沒有被改進的薄膜儲罐（初期模型）之外，對于4種改進型薄膜罐模型和全容罐模型，其預測的危險程度水平非常相似，每個儲罐都顯示為同一危險級別。

3 試驗儲罐的建設

在完成了對薄膜罐的設計和安全性評估后，KOGAS研發部門開始進行薄膜罐的設計建設工作，于2000年9月開始在仁川LNG接收站建造容積為1 000 m3的地上薄膜式試驗儲罐（見圖6），并于2001年12月完成試運行[7]。

圖6 KOGAS建設的試驗薄膜罐

建設試驗儲罐的目的是驗證由KOGAS開發的相關設施，如密封薄膜、絕熱材料等在低溫下的性能，以及一些測量設備如冷卻溫度傳感器、薄膜應變測試儀的性能，并對LNG儲罐進行多方面測試。

3.1 試驗儲罐的主要特點

KOGAS試驗薄膜儲罐的主要參數如表3所示。

表3 KOGAS試驗薄膜儲罐的主要參數

3.2 內罐描述

儲存LNG的內罐采用了KOGAS研發部門開發的2 mm厚304不銹鋼薄膜和204 mm厚聚氨酯泡沫絕緣板。為了測量儲罐運行過程中薄膜的變化，在側壁膜上安裝了150個帶熱電偶的應變片，在底部膜上安裝了90個。收集240個應變儀的數據用于與理論分析數據進行比對。這些數據對于理解膜的性能、優化膜的形狀和按比例放大膜的尺寸有很大的幫助。

4 薄膜儲罐技術的應用[8]

經過仁川接收站試驗儲罐的驗證和技術改進后，KOGAS于2008—2009年，采用KOGAS薄膜技術，在仁川接收站建造了2座20×104m3的地下儲罐（19#、20#），于2019年在濟州島接收站建造了2座4.5×104m3的地上薄膜罐。

4.1 仁川接收站

仁川接收站二期均為容積為20×104m3的地下式薄膜罐，其中11#、12#為MHI技術，13#、14#為IHI技術，15#～18#為KHI技術。19#、20#采用KOGAS技術的薄膜罐外觀及示意如圖7所示，參數為：內罐直徑72.012 m，內罐高度52.250 m，外罐直徑78.612 m，外罐高度62.806 m，液位高度49.3 m，擋水墻厚1.8 m，絕熱層厚204 mm。

圖7 仁川接收站薄膜罐外觀及示意

4.2 濟州島接收站

濟州島接收站為KOGAS第二次應用自己研發的薄膜罐技術進行建造，共2座儲罐，單罐容量為4.5×104m3。KOGAS對外宣稱該次應用的薄膜罐技術為世界首臺全容式薄膜儲罐，與以往KOGAS改進型（在絕熱層中加入鋁箔次屏蔽膜）儲罐不同，此次在內罐底與罐壁5.19 m高的熱角保護區，采用了形狀相同的兩層不銹鋼波紋薄膜，即次屏蔽膜采用了不銹鋼，中間用膠合板作為夾層，如圖8所示。濟州島接收站于2019年12月完成了竣工儀式，2020年1月進行氮氣吹掃置換。由小型LNG船從統營（Tongyoung）接收站運輸LNG到濟州島，用于發電和生活用氣。

圖8 KOGAS全容式薄膜罐技術示意

5 結束語

KOGAS引進LNG薄膜罐技術的過程比較科學和謹慎。首先，對材料進行了相對完整的檢驗測試；開發出基本薄膜形狀后，又對薄膜進行了一系列嚴格的測試，再進行薄膜罐的設計與技術改進，并對技術設計進行了理論上的安全論證。理論驗證后建造試驗罐，對試驗罐運行中發現的問題進行技術改進后才真正在接收站中進行應用。建議我國在引進并轉化薄膜罐技術中更多地參照韓國的轉化流程與思路，以確保技術的安全性與先進性。