国内外大型液化天然气储罐发展现状

王振良,李臻

(西安石油大学机械工程学院,陕西,西安,710065)

国内外大型液化天然气储罐发展现状

王振良,李臻

(西安石油大学机械工程学院,陕西,西安,710065)

文章结合LNG储罐建设相关论文及文献,论述了关于LNG储罐的结构与特殊要求,并介绍设计的难点。同时介绍了其在国内外的发展现状,并做出总结。

LNG;储罐;设计;标准;发展

液化天然气 (Liquefied Natural Gas,缩写为 LNG)作为燃料与煤和石油相比,除NOx、COx含量低和几乎不含硫等特性外并具有以下优点：天然气液化后,方便可靠,便于运输节约成本;储存效率高,占地少,投资省;与燃油相比、抗爆性好、燃烧完全、排气污染少;生产使用比较安全,稍有泄漏立即挥发飞散了,不致引起自然爆炸;有利于环境保护,减少城市污染。随着全球能源资源的多样化,未来国内对LNG终端结构材料的需求量将会非常大。

1 LNG储罐的结构与特殊要求

LNG储罐的设计温度为 -165℃,由于设计时必须考虑到用氮气冷凝时可能出现的温度,故设计温度范围在 -165～-196℃。LNG储罐属常压、低温大型储罐,分为地上式与地下式两类,通常为平底双壁圆柱形。储罐内壁与LNG直接接触,一般采用含镍 9%的合金钢,也可为全铝、不锈钢薄膜或预应力混凝土,外壁为碳钢或预应力混凝土。壁顶的悬挂式绝热支撑平台为铝制,罐顶则由碳钢或混凝土制成。罐内绝热材料主要为膨胀珍珠岩、弹性玻璃纤维毡及泡沫玻璃砖等。LNG储罐又有单容 (单封闭)罐、双容 (双封闭)罐及全容(全封闭)罐、薄膜罐四种。由于 LNG的特殊性也就决定了设计中的难度与特殊要求：(1)耐低温。由于其设计是将天然气液化并采用常压或是稍高于常压的方式存储与高压常温储存方式相比,可以大大降低罐壁厚度,提高安全性能,同时也就要求其必须耐低温。(2)安全要求高。由于罐内储存的是低温液体,储存量大(目前大部分是 16万立方米的大型储罐),储罐一旦出现意外,大量挥发的冷藏液体将会在大气中形成会自动引爆的气团。因此,API、EN14620等规范都要求储罐采用双层壁结构,运用封拦理念确保储存安全。(3)材料特殊。内罐壁要求耐低温,一般选用 9Ni钢,外罐壁为预应力钢筋混凝土,一般设计抗拉强度≥20 kPa。(4)保温措施严格。由于罐内外温差最高可达 200℃,要使罐内温度保持在 -162℃,罐体就要具有良好的保冷性能,在内罐和外罐之间填充高性能的保冷材料。罐底保冷材料还要有足够承压能力。(5)抗震性能好。为保证安全对 LNG储罐要求在规定地震荷载下不倒也不裂。因此必须选择合适的地方避开地震带,施工前必须对储罐做抗震试验。(6)施工要求严格。储罐焊缝必须进行 100%磁粉检测(MT)及 100%真空气密检测 (VBT)。要严格选择保冷材料,施工中应遵循规定的程序并保证储罐的垂直度。

2 LNG储罐关键结构设计中的难点

(1)风载荷和地震载荷引起的倾覆力矩、储罐内压都有可能引起罐体向上抬升从而导致罐体的不稳定。(2)罐底边缘板受力复杂且计算应力值较高特别是在罐壁与罐底的角焊缝处应力最大且该值不是定值,它随液位变化而变,虽然频率很底,但应力值高,如果这一区域存在裂纹,容易产生断裂事故。(3)由于计算公式中所考虑的腐蚀裕度只涉及到了介质的均匀腐蚀,没有考虑实际上 LNG内含有的水和其它杂质大部分积存于储罐底部,会造成底圈壁板局部严重腐蚀,因而要适当增加底圈壁板的厚度。(4)罐体受力在罐壁底圈壁板和罐底边缘板上,除了承受液体的静压力外,还承受着较大的边缘应力。

3 国外大型常压LNG贮罐设计发展现状

LNG贮存是 LNG工业中非常重要的一个环节,但对LNG接收站或调峰型液化工厂来说占有很高的投资比例,因此世界上许多国家都非常重视大型常压LNG储罐设计和制造。阿尔及利亚、文莱和印度尼西亚等LNG输出国和英国、法国、日本等输入国都建有大量大型常压 LNG储罐。目前LNG在亚洲应用量最大,占全球 78%,其中日本应用量占全球 62%。储罐形式取决于容量大小、投资费、安全因素及当地的建造条件等。目前世界上不少国家都有能力和技术建造大中型常压储罐。目前国外大型储罐的主要设计标准有：①美国石油学会标准《钢制焊接石油储罐》API650和《大型焊接低压储罐设计与建造》API620;②日本工业标准《钢制焊接油罐结构》J ISB851;③英国国家标准《石油工业立式钢制焊接油罐》BS2654。上述外国标准中,美国石油学会标准API650和API620是世界上公认的应用最为普遍的储罐设计建造标准,以及基于英国国家标准下制定的欧洲标准 BS EN14620。

4 国内大型常压LNG贮罐现状

我国有丰富的天然气资源,但是还没有大规模液化天然气系统工程实践。在沿海建设LNG接收站将有利于缓解东部沿海地区能源紧缺。目前我国暂时没有关于大型LNG储罐设计的国家标准和自行设计的大型常压LNG储罐,与发达国家相比还存在很大的差距。随着液化天然气工业的发展,我国对液化天然气储罐的研究也越来越重视并不断加快发展我国的LNG工程。目前,广东大鹏湾LNG项目已经竣工,福建LNG接收站的LNG新增储罐项目已经完成了总进度的 80%以上。浙江省等部分沿海省市也在积极筹划LNG引进事宜并建设接收站。在大型低温液体储罐领域,如液氧、液氮储罐国内已有成熟的设计、建造技术。四川空分设备(集团)有限公司从 20世纪 80年代开始吸收外国设计和建造大型储罐的先进技术,近年来自主开发了许多大型低温液体储罐。压力罐在容量小的场合是可行的,但随着容量增大其投资成本增大,发展大型常压 LNG储罐,尤其是 10000 m3以上LNG储罐已是大势所趋。

目前国内大型储罐的设计标准规范有三个：①国家标准《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB50341-2003;②中国石油化工总公司标准《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》SH3046-1992;③机械工业部、化学工业部、劳动部及中国石油化工总公司标准《钢制焊接常压容器》JB/ T4735-1997第十二章“立式圆筒形储罐”。上述三个主要设计标准规范并不适用于大型 LNG低温储罐的设计建造,为此国家还必须进行深入研究以便制定一套完整的标准。

5 总结与展望

纵观 LNG储罐的发展历程可以看出,储罐大型化是必然趋势,由于储罐越大,越节省钢材、节省投资,布局紧凑,占地面积小。在总容积相同的情况下,几台大设备要比一群小设备占地面积节省得多;便于操作管理,几台大设备比一台小设备在检测、维修和管理等方面都比较方便这些显著优点。当然LNG储罐的大型化也是要适度的,而LNG储罐的常压化可以使 LNG储罐在建造过程中可以节省更多的人力、物力,并且也降低了在LNG使用过程中的危险。由此可见综合考虑各方面因素,大型常压储罐是大势所趋。目前国内在LNG储罐的材料方面,太钢已有资质生产 9Ni钢,但还没有与钢板匹配的锻件、管件和焊材等。国内已经有能力建造大型LNG项目,但是在焊接工艺的选择方面,还只是单纯的停留在手工焊和埋弧自动焊这两种成熟的焊接工艺上,但对于钨极氩弧焊和 CO2气体保焊研究尚未有所突破。在设计标准方面目前已有很多研究机构研究,且国外已经有完整的设计标准,国内也有许多关于储罐的设计标准与规范,相信国内在不久也会形成自己的关于大型LNG储罐设计与建造的标准。

[1]张抗.世界液化天然气发展现状与展望 [J].当代石油石化, 2006,14(4)：31-34.

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1003-3467(2010)10-0002-02