LNG儲罐冷橋阻斷研究

伍尚樂,李靜波

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東 廣州 510290)

1 背景技術

恒定超低溫下,混凝土的強度相對于常溫下是提高的,并隨著溫度的降低、含水量和含氣量的增加而大幅度提高。與此同時混凝土內的鋼筋材料強度也有所增加,但韌性卻急速下降,會導致低溫脆性造成的脆斷事故,造成巨大損失。

在目前LNG及油氣碼頭領域生產工藝中,LNG碼頭泊位上的LNG儲罐和LNG泄漏事故集液池均為超低溫工況(設計溫度-196 ℃),針對LNG碼頭泊位上的LNG單層罐和LNG泄漏事故集液池的超低溫工況造成的脆斷事故危險的防范,需要在LNG單層罐、LNG泄漏事故集液池和混凝土基礎之間設置冷橋阻斷,隔斷低溫傳遞,防止混凝土基礎受到破壞,以降低超低溫工況破壞混凝土鋼筋結構導致脆斷事故的可能性。傳統的LNG單層罐和LNG泄漏事故集液池的冷橋阻斷大都使用龍腦樟木等耐腐、耐蝕的木塊作為冷橋阻斷塊,木材本身具有自身的局限性,且龍腦樟木生長緩慢,龍腦樟木中的東京龍腦樟還是國家一級保護植物,價格昂貴不易采購,且木材經過雨水、微生物侵蝕容易破壞,不易加工,加工過程中容易開裂和翹曲。

超低溫設備的支座與混凝土基礎之間的冷橋阻斷塊(保冷木塊)一般選用耐腐、耐蝕的龍腦樟木、香樟木等木塊。保冷木塊既需要承擔臥罐及儲存介質的載荷,又要保證設計使用周期內的耐腐蝕,因此對木材的硬度、耐腐蝕性均有很高的要求。

某些海外項目中壓力容器的設計使用壽命要求不低于30年,混凝土基礎設計使用壽命要求不低于50年。而木材在碼頭、廠區等露天、半露天的場所都會有遭遇雨水、生產用水、微生物侵蝕等風險,設計使用壽命一般為10～20年。為滿足這些海外項目對低溫壓力容器的設計使用壽命不低于30年的要求,LNG單層罐、LNG泄漏事故集液池與混凝土之間的冷橋阻斷材料也要相應提高設計使用壽命。

通過材料對比,優化設計,經過長達1年的多方實地考察,調查和資料收集,實驗數據對比研究,對擬選用的替代材料:模塑聚苯板、擠塑聚苯板、酚醛樹脂板、聚氨酯板的各項性能指標及價格進行了匯總比較,最終選用具有防潮、防水、耐腐蝕性能,導熱系數低,熱工性能好,成型工藝簡單,抗變形能力強、不易開裂而且價格有明顯優勢的新型高分子材料高強度聚氨酯作為替代,以提高設計壽命并降低建造成本。有效地解決超低溫設備和混凝土基礎的隔冷要求,不僅簡化了設計方案,降低了施工難度,同時還增加了安全性和降低了建造成本。

2 現狀調查

結合項目實際需求,前往某LNG碼頭進行考察,碼頭上的LNG臥式儲罐采用的是約150 mm厚的隔冷木塊,據現場觀察,木塊局部已有些破損,通過涂防腐漆進行保護(如圖1某項目的龍腦香冷橋阻斷塊實物圖)。多家液化天然氣公司的LNG凝液收集罐等低溫儲罐也是采用類似做法,采用龍腦香木作為隔冷塊(如圖2某項目龍腦香冷橋阻斷塊設計圖)。

圖1 某項目的龍腦香冷橋阻斷塊現場照片

圖2 某項目的龍腦香冷橋阻斷塊設計圖

通過調查和資料收集,對保冷木塊的各項性能指標及價格進行了匯總,具體見表1。

表1 保冷木塊參數表

由表1中數據可得知,龍腦樟木和其他香樟木都具有很好的耐腐蝕性能和較低的導熱系數,但價格較貴,且不易加工,加工過程中易開裂和翹曲。

3 優化目標

經過對現狀調查分析,結合本項目高要求的實際情況,確定了研究活動的目標為:尋找保冷塊的替代材料,新材料需要具有更低的導熱系數,更優的耐腐蝕性能,更低的價格優勢以及更優的加工工藝等,以滿足本項目壓力容器30年設計年限的要求(見圖3)。

圖3 某項目的龍腦香冷橋阻斷塊設計圖

4 目標可行性論證

對木材來說,在碼頭、廠區等露天、半露天的場所都會有遭遇雨水、生產用水、微生物侵蝕等風險。為了規避這一風險,需要所選用的替代材料同時滿足要求如表2所示。

表2 替代材料必須具有的特性統計表

根據表2中各項要求可以得知,替代材料應該從目前常用的保冷隔熱材料中選擇,常用的保溫材料按照材質可以分為無機保溫材料、有機保溫材料和復合保溫材料三大類型,其中有機保溫材料常用于工業設備保溫,如:如儲罐、管道保溫等。有機保溫材料主要有模塑聚苯板、擠塑聚苯板、酚醛樹脂板、聚氨酯板等,具有絕熱效果好、質量輕、比強度大、施工方便等優良特性,同時還具有隔音、防震、電絕緣、耐熱、耐寒、耐溶劑等特點。有機保溫材料的防火等級也可以達到B1級(難燃性),也滿足LNG儲罐的防火要求。保溫材料的主要分類見表3。

表3 保溫材料主要分類表

根據以上分析,初步判定此次優化目標設定是合理的。通過材料對比,特性匹配,可以實現設定目標。

5 原因分析

目標設定確認之后,通過多次討論研究,并咨詢多家低溫容器廠家,確定了影響LNG臥罐鞍座處隔冷塊效果和時效的因素,見圖4。

圖4 隔冷塊時效的影響因素

6 要因確認

對以上已經識別的原因進行分析,制定要因確認表,選出基于本項目實際情況的重點因素,詳見表4。

表4 重點因素分析表

綜上分析,可以得出影響保冷塊時效的主要因素,見表5。

7 制定實施對策

針對已經確認的影響保冷塊時效的主要因素,研究小組進行了多次討論,對每條要因應采取的對策從可實施性、有效性、經濟性和可靠性等方面進行討論和分析,同時結合項目的實際情況進行綜合可行性分析和優選,遵循在目標可行性論證中確認的從常用的保冷隔熱材料中選擇更優的保冷塊替代材料,最終運用對策表制定了相應的對策,見表6、7。

表6 解決雨水、生產用水侵蝕、設計使用壽命短和解決不易采購、價格較高問題對策方案表

表7 解決導熱系數較高,能量損耗大問題對策方案表

綜上分析,高密度聚氨酯板具有防潮、防水、耐腐蝕性能,導熱系數低,熱工性能好,成型工藝簡單,抗變形能力強、不易開裂等優點,且價格有明顯優勢,是良好的、合理的隔熱保冷塊的替代材料。

8 對策實施

根據確定的實施對策,在項目設計中,使用了高密度聚氨酯材料(HD-PUF)作為LNG臥罐鋼制鞍座和混凝土基礎之間的隔冷墊塊,在LNG不銹鋼泄漏收集池的設計中,也首次創新使用了高密度聚氨酯材料(HD-PUF)作為泄漏池和支撐梁之間的隔冷墊塊,解決了支撐梁和混凝土墩臺的隔冷要求,不僅簡化了設計方案,降低了施工難度,同時還增加了安全性和降低了建造成本。

9 效果檢查及驗證

設計方案得到了業主和第三咨工的認可和批復,在項目中有效實施,驗證了設計了可行性和創新性,實現了配合壓力容器30年設計年限的要求,提高保冷塊時效性的既定目標。圖5為LNG儲罐冷橋阻斷塊的設計圖。

1.低溫容器鋼支座;2.滑動蓋板;3.冷橋阻斷塊;4.防撞加固箱體;5.混凝土基礎;6.鎖緊螺栓組件;7.地腳螺栓組件;8.排凈孔圖5 LNG儲罐冷橋阻斷塊的設計圖

10 結束語

本研發項目有效地解決了超低溫設備傳統冷橋阻斷設計使用壽命短、采購困難造價高等問題,取而代之的是一種帶防撞加固箱體的可拆卸式冷橋阻斷結構。在提高設計壽命和降低建造成本的基礎上簡化了設計方案,制造和安裝方便可行,減少傳統工藝的超低溫設備冷橋阻斷的施工工期降低了施工難度并增加了安全性,為類似低溫設備隔冷阻斷提供方法參考。