大型LNG储罐关键技术

摘 要

摘要：论述了大型LNG储罐的建造标准、罐体材料、罐体设计、焊接、绝热、施工。指出9Ni钢强度、韧性需改进，可尝试细化晶粒、提高纯净度、添加合金元素等方法。9Ni钢焊接不当易
摘要：论述了大型LNG储罐的建造标准、罐体材料、罐体设计、焊接、绝热、施工。指出9Ni钢强度、韧性需改进，可尝试细化晶粒、提高纯净度、添加合金元素等方法。9Ni钢焊接不当易造成电弧磁偏吹、焊接裂纹及焊接接头低温韧性差，可通过选用合适的焊材、减小弧坑、控制焊接线能量来改善。针对储罐的特殊结构及绝热要求，应进行详细的结构设计及计算，选用合适的绝热材料及施工方案。为尽快提升我国大型LNG储罐建造水平，制定相关标准十分必要。
关键词：大型储罐；LNG储罐；9Ni铜焊接；低温设备；绝热设备
Key Technologies of Large LNG Storage Tanks
YIN Jinsong，MA Xiaohong，CHEN Shuping
Abstract：The manufacturing standard，material，design，welding，insulation， construction of large LNG storage tanks are described.The strength and toughness of 9Ni steel may be improved by refining the grain，increasing the purity and adding alloy elements.The improper welding of 9Ni steel may cause arc magnetic blow，welding cracks and poor low-temperature toughness of welding joint，which can be solved by selecting proper welding material，minimizing the arc crater and controlling the welding heat input.For the special structure and insulation of large LNG storage tanks，it is necessary to make a detailed structure design and calculation，select appropriate insulation materials and construction scheme.To enhance the construction level as early as possible，it is urgent to make a domestic standard of large LNG storage tanks.
Key words：large storage tank；LNG storage tank；9Ni steel welding；cryogenic equipment；adiabatic equipment
1 概述
    随着LNG行业的发展和需求量的增加，LNG低温储罐也在不断地向着大型化发展。大型LNG储罐储存效率高，占地面积小，节省费用，便于操作管理，储存规模易于大型化，是液化天然气接收终端、天然气液化厂及城市燃气储存设备的首选。大型LNG储罐主要采用拱顶平底双圆筒结构，粉末绝热，其储存容积通常在5000m3以上，工作压力为3.4～17.2kPa，工作温度为低温[1～5]。
    大型LNG储罐在国外的发展起步较早，1958年美国芝加哥桥梁钢铁公司在路易安那州建造了第一座工业规模的LNG储罐，容积为5550m3。从20世纪50年代到80年代，双壁绝热平底LNG储罐容积不断扩大[6～7]：60年代为(1～3)×104m3.70年代为(5～10)×104m3，80年代已超过20×104m3。日本是世界上建造大型LNG储罐最多的国家，其大型常压LNG储罐最大容积已达20×104m3，正在横滨LNG厂筹建25×104m3大型LNG储罐，这个世界上最大的LNG储罐将在2013年10月建成投产。国内最早建造大型LNG储罐始于上世纪90年代中期，上世纪90年代末，上海建造了我国第一台2×104m3低温LNG储罐[8]。21世纪初以来，中海油、中石油、中石化三大集团分别在广东、福建等沿海地区建设或筹划建设大型LNG接收终端。目前，国内大型储罐从材料、设计及施工等方面均已全面实现了国产化，如大连和江苏LNG项目。从国内外的经济发展及大型LNG储备库建设情况来看，大型LNG储罐将是LNG行业未来主要发展趋势。
2 大型LNG储罐结构
2.1 大型LNG储罐分类
    根据LNG的性质和储液的需要，大型LNG储罐目前普遍采用以下3种形式：
   ① 大型LNG常压储罐。
   ② 大型LNG子母罐：外罐采用平底拱顶结构，内罐由若干子罐组成；夹层充填珠光砂；子罐一般采用圆筒形，预制检验合格后运至现场；外罐预制好运至现场安装。子母罐使用灵活，易于安装。
    ③ 大型LNG球罐：内外罐均采用球形，或外罐采用圆筒形，内罐采用球形，可承压；夹层充填珠光砂；工厂预制球瓣，运至现场安装。该型储罐储存容量大，受力均匀，承载能力高，保冷性能好，但其施工难度要高于前两种储罐，安装要求高。
    本文仅局限于探讨大型LNG常压储罐。
2.2 大型LNG常压储罐[9]
    大型LNG常压储罐一般采用立式双圆筒结构，储罐由内罐、外罐、安全泄放装置、测量分析仪表、泵、阀及管路系统等组成。内罐由9Ni钢制成，内罐顶一般采用吊顶结构，通过吊杆悬挂在外罐拱顶上，吊顶甲板与内罐的缝隙采用铝板密封，防止灰尘、绝热材料或其他杂质漏入内罐。罐内为常压，最高工作压力为0.02MPa。外罐材料为碳素钢，平底拱顶结构，最高工作压力约为0.001MPa。夹层一般采用充填珠光砂的方式来绝热，罐底则采用玻璃砖绝热，罐顶通常采用岩棉绝热。储罐安全泄放装置由内罐安全阀、外罐安全阀、紧急放空阀、最高液位报警器、内罐溢流阀等组成。内罐安全阀用于超压保护，当储罐内压力超过正压上限值时安全阀开启，以保护储罐。外罐顶部装有呼吸阀和紧急放空阀，呼吸阀用以保证夹层内维持微正压，同时具有呼与吸两项功能；紧急放空阀在紧急情况时使用，即当内罐液体泄漏流入夹层后大量气化，夹层内压力迅速升高时，紧急放空阀开启泄压，以防发生意外。储罐还装有液位、压力显示仪表、分析取样仪表以及内罐溢流阀等。大型LNG常压储罐内罐、外罐均为工厂预制散件，现场组焊，对焊接、施工水平、施工管理以及检验技术等方面的要求较高，施工现场工作量大。大型LNG常压储罐储存容积大，壁厚薄，蒸发率低，罐顶采用吊顶结构，内罐与夹层相通，使得储罐在正常低温工况下内罐不承受气相空间压力，仅承受LNG的液柱静压力，这比以前国内低温常压罐采用内拱顶结构安全得多。
2.3 大型LNG储罐相关标准
    在大型低温LNG储罐设计与建造方面，美国、英国、日本等工业发达国家都分别制订了专门的规范标准。
    ① 美国
    API STD 620《大型焊接低压储罐设计与建造》；
    NFPA 59A《液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准》。
    ② 英国
    BS 7777-1《低温用平底、立式、圆柱形储罐—罐储的设计、制造、安装和操作的一般规定指南》；
    BS 7777-2《低温用平底、立式、圆柱型储罐—储存最低温度达-165℃液化气体的单层、双层和全密封金属罐的设计和制造规范》；
    BS 7777-3《低温用平底、立式、圆柱形储罐—预应力钢筋混凝土罐基础的设计和制造及罐内衬和罐涂层的设计和安装推荐方法》。
    ③ 欧盟
    BS EN 14620-1《操作温度在0℃到-165℃之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储罐的设计与建造—总则》；
    BS EN 14620-2《操作温度在0℃到-165℃之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储罐的设计与建造—金属构件》；
    BS EN 14620-3《操作温度在0℃到-165℃之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储罐的设计与建造—混凝土构件》；
    BS EN 14620-4《操作温度在0℃到-165℃之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储罐的设计与建造—隔热构件》
    BS EN 14620-5《操作温度在0℃到-165℃之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储罐的设计与建造—试验、干燥、除扫和冷却》。
    ④ 日本
    JGA指-107-02《液化天然气(LNG)地下储罐指南》；
    JGA指-108-02《液化天然气(LNG)地上储罐指南》；
    JGA指-102-03《液化天然气(LNG)接收站设备指南》；
    JGA指-105-03《液化天然气(LNG)小型接收站设备指南》。
3 大型LNG常压储罐关键技术
3.1 内罐罐体材料
    大型LNG储罐内罐用低温材料的选用是其设计与制造的关键技术之一。由于LNG储罐的工作温度为-163℃，要求内罐材料不仅要有必要的强度指标，而且还要保证塑性、韧性以及良好的可成型性和焊接性，同时价格相对较低。目前最常用的是9Ni钢，又称Ni9钢，是含镍量(质量分数)为8.5%～9.5%的超低温钢。对于LNG储罐内罐筒体，采用淬火+回火的9Ni钢，其他结构件或经受变形的部件，采用二次正火+回火的9Ni钢[10]。
    太原钢铁(集团)有限公司已成功研制9Ni钢，结束了我国9Ni钢长期依赖进口的历史。研究表明，国产9Ni钢06Ni9包括-196℃冲击功在内的综合性能指标超过了美国标准ASTM A553/A553M(Ⅰ型)和欧盟标准EN 10028的要求，与日本、欧洲按上述美欧标准生产的9Ni钢水平相当或略高。2007年该钢通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会组织的专家评审，可用于低温储罐和低温压力容器。在建的中石油江苏南通、辽宁大连两个LNG项目中的16×104m3大型LNG储罐，其内罐用低温材料已选用国产9Ni钢[11]。
    须强调的是，按现行大型LNG储罐的制造技术条件，对9Ni钢的力学性能，尤其是-196℃低温冲击功提出了如下更为严格的要求：抗拉强度为690～825MPa，屈服强度＞430MPa，伸长率＞35%，-196℃低温冲击功≥70J，试样断口侧向鼓胀量0.38mm，-196℃冲击试样剪切断面＞80%，-196℃ CTOD试样裂纹尖端张开位移＞0.30mm[10]。
3.2 9Ni钢焊接[10，12～13]
    对于大型LNG储罐，9Ni钢的焊接是其安装成功的关键。9Ni钢在焊接过程中既易发生热裂纹，又存在氢致延迟裂纹倾向，同时施焊过程中还容易发生焊弧磁偏吹，是目前公认的难焊材料之一。实际建造中9Ni钢的主要焊接方法有焊条电弧焊和埋弧焊。9Ni钢施焊时须严格控制焊接热输入，一般不超过30kJ/cm，同时要严格保持焊接区和焊接环境的清洁。内罐底板和内罐壳体板纵缝采用焊条电弧焊；内罐壳体板横缝采用焊条电弧焊焊接根部焊道，埋弧焊填充盖面；壳体上的筋板以角焊缝连接；内罐与外罐底板均采用搭接接头，以埋弧焊或半自动MIG焊焊接。焊接接头须按美国ASME{锅炉与压力容器法规》的要求编制相应的焊接工艺规程，且通过焊接工艺评定试验。对9Ni钢用焊接材料的基本要求是：熔敷金属不仅应满足母材力学性能和-196℃低温缺口冲击韧性的要求，而且还应具有与母材相近的热膨胀系数。镍基合金焊接材料是当今最适用于9Ni钢筒体主焊缝的焊接材料，这在9Ni钢的焊接中是一项重大的技术突破。
    9Ni钢大型LNG储罐的焊接技术是世界性的大型焊接工程难题，急需研制性能更加优异、更经济的焊接材料，开发效率更高、质量更稳定的焊接工艺。
3.3 罐体设计[14～15]
    国外大型LNG储罐工程建设项目中，广泛采用API STD 620(美国石油协会编制)或BS 7777(英国标准协会压力容器委员会指导下编制)进行设计。
    大型LNG储罐储存容量通常按照液化装置的液化能力、长距离运输所需总容量或冬季燃气调峰储备来考虑。在容积确定后，根据内罐表面积最小的要求，确定内罐尺寸，再加以修正。内罐的设计计算应充分考虑液柱静压力、气相压力、膨胀珍珠岩的侧压力、压力试验的影响以及地震荷载等因素。根据LNG液柱静压力等作用在罐壁上所产生的环向应力，计算罐壁的厚度。内罐吊顶设计应考虑吊顶自身重量以及覆盖在吊顶上的保冷材料、接管套筒、压力平衡孔的重量以及施工中的临时荷载。
    外罐的设计与普通的常温罐类似。外罐的设计尺寸应满足保冷的要求，同时又能供人员及设备的自由出入以及操作和检修之便。外罐的罐顶需要考虑的荷载有风压、夹层气压、罐顶自身重量及罐顶集中荷载等。
    由于低温储罐各部分间并非采用连续结构，因此在各结构不连续处均有较大的二次应力。这些部位就成了设计的关键部位，包括承压圈区域、筒体与底板连接处、拉带(锚栓)结构及其与筒体连接处等。
    储罐基础一般采用带加热系统的基础或架空的混凝土承台。
3.4 绝热保冷
    大型LNG储罐绝热设计的目的是减少冷损失，节约能源。一般要求绝热材料具有使用寿命长、组织稳定性高、密度小、热导率低、含水量少、抗压性能好、不易燃等优点[16]。
    内罐顶部绝热：因绝热材料覆盖在内罐吊顶之上，无需承受设备和蒸发气体的压力，一般采用玻璃棉或毯。玻璃棉具有轻质、可压缩、高强度和高弹性等特性。为防止膨胀珍珠岩或其他杂质通过缝隙进入内罐，最上面一层玻璃棉或毯外侧应带铝箔[17]。
    内外罐夹层绝热一般选用膨胀珍珠岩，膨胀珍珠岩是一种多孔的轻质粒状物料，热导率低，化学稳定性好。内罐在接收低温液体时会向内收缩，内、外罐环形空间内的膨胀珍珠岩会向下沉降来填补罐体位移留下的空隙，这就导致环形空间上部保冷材料的流失，影响顶部绝热效果。同时由于珍珠岩堆积密度加大也增大了对内罐罐壁的外部压力，当内罐因温度升高而向外膨胀时，这种外部压力还会进一步加大，可能会造成内罐壁承受不住外压而失稳；外罐也会随着环境温度的变化而收缩或膨胀，加剧这种现象。为了防止这种情况发生，一般在整个内罐外壁上安装一层弹性毡，只要所选弹性毡厚度满足在确定压力下的位移量大于内、外罐体可能出现的最大位移量，就能补偿罐体位移空隙，进而阻止了外压的增大[16]。
    内罐底部绝热材料除了考虑绝热，还应有足够的抗压强度，以支撑罐体自重、盛装液体的重量以及其他荷载的压力。通常将底部绝热结构分成承压圈和中心环两部分，承压圈采用珍珠岩混凝土或混凝土，其导热性能稳定、强度高、耐水、耐潮；而底部中心环一般采用玻璃砖或相当材料，其热导率低、密度小、价格低、原始材料易得、制作方便。
3.5 施工
    罐体施工包含：材料检验、基础验收、绝热基础施工、排版下料、组装、焊接、附件安装、焊接检验、压力与真空安全阀调试、总体试验、清洗、保冷、油漆以及质量措施及施工安全体系制定、施工人员组织、施工平面布置图绘制和施工进度安排等[18]。
    施工中，底板焊接要充分考虑到焊接变形因素，采用尽可能小变形量的焊接工艺和焊接顺序[19]。罐体壁板安装一般采用倒装法，即从罐顶开始，按顶盖、简体、底板的顺序从上往下安装。倒装法可减少高空作业，降低建造成本，方便施工，易于保证质量进度，缩短施工周期。内罐罐顶的安装常采用气吹顶升法或液压顶升法，罐顶预制散件应在罐底进行组装，组装方式与拱顶储罐相似，然后再用顶升法把吊顶顶升到安装位置。顶升时沿拱顶四周设置平衡装置以保证拱顶及吊顶的平衡。绝热基础玻璃砖施工时，同层与不同层均应严格错缝，每块砖侧面均用憎水性无机粘结剂进行粘结，最后一层泡沫玻璃砖砌好后，检查该平面的水平度及平面度[18]。
    安装时应采用适当工装，确保简体的椭圆度，减少变形，并改善外观质量。
4 问题与建议
    ① 9Ni钢研究和生产中还存在许多技术难点，如影响9Ni钢韧性的因素，进一步提高强度、改善韧性的途径和办法，Ni的替代元素以及9Ni钢的轧制工艺等。可以尝试通过细化晶粒、提高纯净度、添加合金元素等方法来提高强度、保证韧性，以满足高质量9Ni钢需求[20]。
    ② 9Ni钢焊接操作不当极易出现焊接时电弧磁偏吹、焊接冷裂纹、焊接热裂纹和焊接接头低温韧性差等问题[21～22]。对于电弧磁偏吹，建议采用交流焊接并尽量多用砂轮打磨[23]；对于热裂纹问题，在焊接时应尽量减小弧坑，选用熔化温度区间较小的或偏析杂质不连续的焊接材料；冷裂纹问题可考虑选择含碳量较小的焊接材料，并通过控制氢含量、层间温度和线能量等来避免，此外合理的组装工艺和焊接顺序也可减小拘束应力，改善9Ni钢焊接；焊接低温韧性可通过控制焊接线能量、采用较低层间温度、采用多道焊等来改善。焊接方法上，国内仅停留在手工焊和埋弧自动焊这两种成熟的焊接工艺上，在钨极氩弧焊和C02气体保护焊方面的研究尚未有突破性进展；埋弧自动横焊设备已经基本上国产化，但在焊道跟踪及反馈系统方面尚比较薄弱[24]；另外，与9Ni钢匹配的焊接材料还有待进一步研发，焊接技术和焊接效率也有待进一步完善。
    ③ 针对内罐冷收缩引起的夹层珍珠岩下沉及内罐受力的变化，应从结构设计及绝热材料选用等方面采取措施，予以解决。
    ④ 在施工方面，建议多采用新工艺。罐顶钢结构尽可能多地在车间预制，可减少吊装、焊接等高空作业，减少多工种、超高空、立体交叉作业量，对施工进度及安全有利。
    ⑤ 常压储存使得排液时需用低温泵加压输送，气化后需压缩机加压，日常运营成本高，且建造成本也高[25]。
    ⑥ 国内还没有完善的大型LNG储罐相关标准，在建造技术方面与美国、日本等发达国家相比仍存在较大差距，这在一定程度上制约了国内大型LNG储罐的自主发展。为尽快提升我国大型LNG储罐建造水平，制定相关标准已十分必要。大型储罐事故的危害性比中小型储罐更大，要求在研究、设计、施工、验收、运行等方面更加慎重。
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(本文作者：殷劲松1 马小红2 陈叔平2 1.张家港富瑞特种装备股份有限公司 江苏张家港 215637：2.兰州理工大学石油化工学院 甘肃兰州 730050)