大型LNG 薄膜罐建設與運行關鍵技術

張奕 艾紹平 汶建偉 馬春艷 王浩 陳曉賢

1北京燃氣集團（天津）液化天然氣有限公司

2華北油田公司第四采油廠

3法吉泰工程技術（上海）有限公司（GTT 中國）

我國已建投運的LNG 接收站共有20 余座，LNG 儲罐作為接收站關鍵設備，其類型大多數屬于傳統的9%鎳鋼全包容儲罐[1]。隨著接收站數量的增加、商業定位的不同，儲罐的建設技術也出現了多類型化、大型化的發展趨勢[2]。LNG 薄膜罐在國外應用較為成熟，全球已有約100 座薄膜罐建成投產，但在我國尚無投用先例。當前國內已有正在進行大型LNG 薄膜罐的建設項目，結合項目實際，對薄膜罐的建設和運行關鍵技術進行分析。

1 LNG 薄膜罐的結構

1.1 整體結構

9%鎳鋼全容罐一般由混凝土外罐、絕緣填充層（包括襯板、膨脹珍珠巖、彈性棉氈等）和9%鎳鋼內罐組成。而薄膜罐主要由混凝土外罐、薄膜內罐、穹頂、絕熱系統、吊頂等組成（圖1）[3-4]。

圖1 薄膜型儲罐的整體結構Fig.1 Overall structure of membrane tank

1.2 混凝土外罐

薄膜罐與9%鎳鋼全容罐外罐類似，均為混凝土外罐，但9%鎳鋼罐外罐內壁是圓弧，而薄膜罐外罐內壁一般為正五十六邊形，每個平面之間的夾角是173.6°，這種特殊的多邊形結構是為了后續安裝平面絕熱板而進行的設計。

1.3 薄膜內罐

薄膜內罐由不銹鋼薄膜組成，分為主屏蔽薄膜和次屏蔽薄膜，其結構如圖2 所示。薄膜最小厚度為1.2 mm。主屏蔽薄膜應用于罐壁和罐底，薄膜為雙向正交波紋網格，允許在冷/熱負荷下進行雙向的自由收縮/擴張（圖3）。薄膜罐內罐不承壓，僅有自由伸縮的作用，因此更易實現大型化。次屏蔽薄膜設置在罐底和罐壁底部區域（罐壁5 m 以下熱角保護系統）絕熱系統中，主要用于可能出現的泄漏保護。次屏蔽薄膜結構如圖4 所示，它是一種非波紋狀的由玻璃布和鋁片組成的復合材料。

圖2 薄膜罐罐壁結構Fig.2 Structure of membrane tank wall

圖3 主屏蔽薄膜結構Fig.3 Structure of main shielding membrane

圖4 次屏蔽薄膜結構Fig.4 Structure of secondary shielding membrane

1.4 絕熱系統

9%鎳鋼全容罐絕熱層一般由泡沫玻璃磚、膨脹珍珠巖和彈性棉氈等材料構成[5-6]，而薄膜罐絕熱系統由防潮層和絕熱板構成。絕熱板是一種加強聚氨酯泡沫材料，罐壁5 m 以上和5 m 以下的絕熱系統結構如圖5 所示。9%鎳鋼罐絕熱層厚度一般在1 m 以上，而薄膜罐的絕熱層厚度僅有320 mm 左右，對于相同外觀尺寸的儲罐來講，薄膜罐比9%鎳鋼罐的有效容積就增大了10%。

圖5 罐壁絕熱系統Fig.5 Tank wall insulation system

防潮層的主要作用是防止水蒸氣進入罐體絕熱系統，既可實現罐內氣密性，又可以防止絕熱材料受潮，通常選用聚合物防潮層或金屬襯里[7-8]。

薄膜罐除了具備與9%鎳鋼罐相同的溫度監測外，還有氣體泄漏監測，形成了雙保護系統。整個絕熱系統內是充滿氮氣的，并且對氣體進行連續取樣分析，對內罐系統的氣密性進行持續監測。通過氣體分析、溫度監測、氣壓控制，保證對隔熱空間的永久性控制。當甲烷泄漏至絕熱層，其含量超過30%LEL（爆炸下限）時，氮氣吹掃模式將開啟，以此來降低甲烷的濃度。

2 薄膜罐建造

2.1 LNG 薄膜罐的建造流程

LNG 薄膜罐樁基施工與9%鎳鋼儲罐類似，從承臺開始施工，薄膜罐的建造流程如圖6 所示。薄膜罐與9%鎳鋼儲罐相比較有諸多不同點，應對其建造和運行的關鍵技術進行重點關注[9-10]。薄膜罐由于絕熱板和波紋板等主要材料的可預制性，大大縮短現場施工工期，因此工期與9%鎳鋼儲罐工期相比可節省至少2 個月。

圖6 LNG 薄膜罐建造流程Fig.6 LNG membrane tank construction process

2.2 LNG 薄膜罐建造關鍵技術

2.2.1 大體積混凝土平整度

薄膜罐混凝土外罐施工與9%鎳鋼罐不同點在于承臺和外罐內壁的混凝土平整度要求非常高。由于薄膜罐內罐絕熱板安裝前需要涂膠，并且絕熱板安裝平整度要求較高，如果混凝土表面平整度達不到設計要求，就會對后續施工產生影響?？赏ㄟ^現場樣板試驗來實現施工精準控制，平整度測試采用直尺檢查。承臺和罐壁關鍵控制尺寸偏差質量參考標準如表1 所示。

表1 承臺和罐壁關鍵控制尺寸偏差質量參考標準（20×104 m3薄膜罐為例）Tab.1 Quality reference standard for deviation of key control dimensions of bearing platform and tank wall(20×104 m3 membrane tank as an example)

2.2.2 外罐內壁角度控制

薄膜罐由于外罐內壁是正五十六邊形，這與9%鎳鋼罐的內外壁都是圓弧狀是不同的。薄膜罐的混凝土墻體澆筑模板外罐外壁依然是圓弧，內罐壁每個面之間的夾角為173.6°，其混凝土墻體澆筑模板的預制形狀也需與其保持一致，并需精準控制。薄膜罐混凝土墻體澆筑模板（外罐內壁）如圖7 所示。

圖7 薄膜罐外罐內壁混凝土澆筑模板Fig.7 Concrete pouring formwork for inner wall of outer tank of membrane tank

2.2.3 恒溫恒濕環境要求

由于薄膜罐內罐施工對環境溫度和濕度要求較高，尤其是防潮層施工和膠泥的配比及涂覆過程。其中對膠泥的黏度有精準的溫度和時間控制。環境溫度要求在20～30 ℃之間，相對濕度小于60%，極限不超過70%。如防潮層和膠泥的涂抹工期安排剛好在冬季或夏季，則需要進行精準的換熱計算，在罐內采用大型空調機組進行恒溫恒濕控制。以20×104m3儲罐為例，冬季空氣調節室外計算溫度-10 ℃，夏季空氣調節室外計算干球溫度34 ℃，依據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》計算熱負荷約為1 800 kW/罐，根據選用的空調機性能參數，即可得出每臺儲罐所需空調數量。

2.2.4 防潮層施工

防潮層作為內外罐與外界防止水汽交換的一層復合聚合物涂層，涂覆在混凝土外罐的內壁上，在此施工前混凝土的打磨預處理和涂覆的厚度是防潮層施工的關鍵。混凝土的打磨預處理應滿足以下要求：①養護期應不少于28 天，表面致密平整，無直徑大于0.5 mm 的孔洞；②混凝土表面粗糙度應為75～150 μm（CSP3～CSP6 級），否則防潮層的涂抹會不均勻且抗拉強度不符合要求；③混凝土表面上含水率應不大于4%；④混凝土基面應堅固，抗壓強度應不小于30 MPa，抗拉強度應不小于1.5 MPa。

防潮層施工時需要在混凝土基層上涂刷兩層漆，一層為底漆，一層為面漆。所用防潮層涂料的防潮系數每24 h 應小于3 g/m2，其成膜厚度需控制在2.5～3 mm 且均勻，否則后期膠泥涂抹量會超標或絕熱板安裝達不到精度要求。防潮層的施工環境要求如下：①環境溫度10～35 ℃；②濕度不大于80%；③基層溫度不小于10 ℃，且不小于露點溫度3 ℃。

2.2.5 腳手架搭建和絕熱板安裝

由于儲罐內罐絕熱板和波紋板施工高度高達40 m，屬于高空作業，需要在罐內搭建滿堂腳手架（也可根據項目實際選擇吊籃方式），因此腳手架的搭建施工難度高，風險大。通過比較，40 m 高空腳手架比吊籃更易施工且不易晃動，施工質量更有保證。

絕熱板的安裝是基于防潮層施工后進行的基準劃線工作，劃線工作完成后，可以確定每塊絕熱板安裝的位置，對每塊板進行編號，與劃線的編號進行對應。絕熱板按照編號進行拼裝，但由于絕熱板數量多達14 000 余塊（以20×104m3儲罐為例），每塊都需要控制在安裝精度內（±1.5 mm），如有一塊偏差較大，就會影響后面的絕熱板安裝，影響施工質量和工期。

2.2.6 波紋板焊接

內罐不銹鋼波紋板極薄，厚度僅有1.2 mm，因此不能用焊絲焊劑焊接，只能采用熱熔焊。這對焊工的焊接技術要求極高，在波紋板之間進行搭接，采用點焊—間斷焊—連續焊的方式進行焊接。焊接速度、時間控制都有嚴格要求，焊接不符合要求很容易焊穿，強度達不到容易泄漏。

兩個平直主屏蔽膜之間應先焊接波紋區域，后焊接平直區域。波紋區域焊接宜先右后左，從波紋底部至波紋頂部。平直區域焊接宜先左后右（罐底），從下往上（絕熱層）。罐底薄膜的安裝從底部中心環開始，接著安裝第二個、第三個環，然后再安裝從中心到絕熱層方向的各個彼此沒有關聯的扇區。

2.2.7 氣密測試

傳統9%鎳鋼儲罐的無損檢測方式已不再適用于薄膜罐，薄膜罐的主屏蔽氣密測試采用氨或氦進行測試。氨測試（有用氮氣-氨氣）是在絕熱層空間先抽真空（-80 kPa），抽出空氣和空氣中的水分，便于氮氣-氨氣混合物在絕熱層實現均勻沖洗，并防止氨氣被水分吸收，然后注入含氨量為（25±5）%的氮氣-氨氣混合物（為了向絕熱層空間中填充氮氣-氨氣混合物，在絕熱系統安裝過程中，將氣體輸送管道和連接件預先安裝在絕熱層中）。在波紋板表面涂抹顯影劑，如果焊接質量欠佳（有泄漏），氨氮混合氣會與顯影劑發生反應，由黃色變為藍紫色，從而判斷波紋板漏點位置（圖8）。

圖8 主屏蔽波紋板氣密測試Fig.8 Air-tightness test of main shielding corrugated plate

3 LNG 薄膜罐運行關鍵技術

3.1 呼吸模式與掃氣模式

薄膜罐與9%鎳鋼儲罐運行期間的不同點在于薄膜罐的氮氣系統運行。LNG 薄膜罐氮氣系統運行模式分為呼吸模式和掃氣模式兩種。儲罐正常運行時開啟呼吸模式，當泄漏量超過一定值（即絕熱空間中甲烷含量超標，如30%爆炸極限），則啟動掃氣模式。運行模式主管線流程如圖9 所示。

圖9 薄膜罐氮氣系統運行模式管線流程Fig.9 Pipeline flow of membrane tank nitrogen system operation mode

以20×104m3的薄膜罐氮氣管線布置為例，罐頂兩個環形總管分別為呼吸管線和吹掃管線，由4組半環形總管組成。兩個外半環組成外圓環呼吸管線總管，兩個內半環組成內圓吹掃管線總管，每個半圓環上都有7 組縱向氮氣管穿入罐壁內，并且在罐壁上有不同高度的預埋件穿出，進入絕熱層。每組管線有兩根分支，一根進入罐底一級絕熱層——內屏蔽空間（IBS），一根進入罐底二級絕熱層——絕熱層空間（IS），并且在管線上設置取樣口可進行取樣分析。

3.2 氮氣的取樣監測

氮氣系統的取樣設置臨時取樣和固定取樣。臨時取樣是在該管線上設置取樣口，可通過軟管連接取樣。固定取樣設置在一級絕熱層和二級絕熱層的氮氣注入口上，其取樣數量約為氮氣注入口的一半。氮氣取樣監測工藝流程見圖10 所示。

圖10 氮氣系統取樣工藝流程Fig.10 Sampling process flow of nitrogen system

3.3 氮氣消耗

氮氣系統所使用的氮氣要求其純度達到97%（體積分數）以上，大氣壓下露點在-60 ℃以下。對于20×104m3的儲罐，氮氣正常運行情況下每個儲罐每年的消耗量為10 000 m3(標況)，運營成本約每年2 萬元/罐。

4 結束語

LNG 薄膜罐的建設和應用逐漸成為當前LNG儲罐研究的方向，我國對薄膜罐的建設和運行技術的研究剛起步，還有許多關鍵控制點需要去研究、優化，并形成標準體系，從而為新型儲罐的建設和運行提供參考。

（1）薄膜罐與傳統9%鎳鋼儲罐的結構差異主要體現在內罐絕熱系統，同樣外觀尺寸下薄膜罐比9%鎳鋼罐的有效容積增大了10%，具有溫度監測和氣體監測雙保護系統。

（2）薄膜罐建造關鍵技術包括混凝土平整度控制、外罐內壁角度控制、內罐施工環境溫濕度要求、防潮層的施工預處理和涂刷精度控制、絕熱系統的安裝和焊接，內罐的氣密性檢驗成為薄膜罐建設的關鍵控制點。

（3）薄膜罐與9%鎳鋼儲罐在運行期間的最大不同點主要在于氮氣系統運行，正常狀態和故障狀態的呼吸模式和掃氣模式的在線分析檢測是運行期監測的重點參數。