20万立方米全容式LNG储罐可实施性研究

2014-08-28王珊珊高天喜黄永刚中国寰球工程公司北京100029

化工设计 2014年4期

关键词：接收站储罐荷载

王珊珊高天喜黄永刚中国寰球工程公司北京 100029

*王珊珊高天喜黄永刚中国寰球工程公司北京 100029

从设计、采购、施工、项目管理和开车方面进行论证，依靠自主知识产权和国内施工力量，可以实现20万立方米LNG储罐的建设。

全容式 LNG储罐可实施性

LNG储罐是LNG接收站重要的设备，储罐的安全平稳运行是整个LNG接收站保持正常运转的关键。根据市场需求和建设条件，合理选择储罐型式和单罐容量对整个接收站工程的技术经济有重大影响，为此世界各国都非常重视大型LNG储罐的设计和建造。

目前国内已建大型LNG储罐均以16万方米为主，结合国内外大型LNG储罐的设计和建造情况，从设计、采购、施工、项目管理和开车方面进行论证，依靠自主知识产权和国内施工力量，可以实现20万立方米LNG储罐的建设。

1 国内外概况

LNG储罐罐容在不断扩大，20世纪70年代前以6万立方米以下罐容为主，90年代以10万立方米储罐为主，12万立方米储罐占44%[1]。近年来，随着LNG储罐设计建造技术的不断发展、LNG运输船的大型化以及土地资源的制约，国际上新建、扩建的LNG储罐呈现出单体罐容越来越大型化的趋势。据调查，已建和在建的18万立方米以上的地上9%镍钢全容罐已超过20座。

目前，20万立方米储罐的建造技术在国外已经完全成熟，具有LNG接收站建设和运行世界先进水平的韩国KOGAS公司，从1997年以来，先后在国内各接收站共建设了50余座不同罐容的大型LNG储罐，其中在建的20万立方米储罐24座、27万立方米储罐3座。另外，在LNG接收站应用方面同样具有世界先进水平的日本，也已经建成投用了25万立方米储罐。

近年来，我国大型LNG接收站项目建设发展迅速，已建成的LNG储罐均采用的是国际上较大型的16万立方米地上9%镍钢全容罐。中国海洋石油总公司、中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司分别在广东、福建、浙江、上海、辽宁、江苏、山东和河北等沿海省份建立LNG接收站,其中广东、福建、浙江、上海、辽宁、江苏和河北项目已建成投产,山东项目正在建设中[2]。

在国内，这三大集团已完成了超过20座16万立方米LNG储罐建设，并开始积极准备20万立方米储罐的研究工作。随着国内建设、设计和施工单位管理水平和技术能力的不断提高，探索LNG储罐进一步大型化的条件已经成熟。

2 设计可行性研究

2.1 工艺流程设计

LNG储罐的工艺流程设计与储罐规模相关性较小，一般情况下，LNG储罐是低温微正压容器，为防止LNG泄漏，罐内所有的流体进出管道以及所有仪表的接管均从罐体顶部连接。

储罐设有2根进料管，既可以从顶部进料，也可以通过罐内的立式进料管实现底部进料。根据船载LNG和储罐内LNG密度的关系选择进料方式，这样可有效防止储罐内LNG出现分层和翻滚现象。

储罐内的LNG液体通过安装在储罐泵井中的低压输送泵外输，每台低压输送泵的出口管线上均设有最小流量调节阀，以保护泵的运行安全。

LNG储罐通过气相管线与蒸发气总管相连，用于输送储罐内产生的蒸发气和卸船期间置换的气体至BOG压缩机、LNG船舱及火炬系统。LNG储罐设有连续的罐内液位、温度和密度监测仪表以防止罐内LNG发生分层和溢流。

储罐配备多个安全阀，超压气体通过安装在罐顶的安全阀直接排入大气，保证储罐安全。

2.2 罐型选择

目前国内建造的大型LNG储罐的型式是类似的，均采用地上全包容式储罐，即9%镍钢制内罐、9%镍钢制热角保护、铝合金吊顶以及由16MnDR钢衬板和混凝土组成的外罐。

内、外罐各自有独立承受储存介质的能力，内外罐气相相通，在内罐泄漏的紧急情况下，外罐可以盛装LNG。

全包容罐内罐顶部设有吊顶，上铺玻璃棉毡材料绝热，内外罐间的环形空间填充膨胀珍珠岩和弹性毡保冷材料，内罐与基础承台之间采用高强度泡沫玻璃砖。总体结构型式见图1。

图1 储罐型式示意图

2.3 储罐基础设计

LNG储罐基础设计比较特殊，因为基础在0℃以下会发生冻胀，造成储罐受力不均而发生破坏，导致不可弥补的重大事故和经济损失。为防止基础冻胀，必须设法消散由低温内罐传入基础的冷量。现行的冷量消散方法主要有空气循环和电伴热两种方式。

根据对建设场地的岩土工程勘察报告和地震安全评估报告的综合评价分析并结合冷量消散方式的选择，LNG储罐基础设计可选择高承台式基础和电伴热地面式基础。

储罐的大型化将导致其地震荷载作用增大，引起桩的水平荷载和竖向荷载的增大。在相同的地基条件下，大型化储罐的桩基承载力可能就不能满足地震荷载的需求，需要进行较高要求的地基处理或采取相应的隔震措施。

2.4 外形尺寸设计

首先根据确定的LNG储罐的容积、罐板尺寸、许用应力和液体灌装高度等，确定内罐内径和高度，再根据内径尺寸和保冷厚度等，确定外罐尺寸。

相比于16万立方米LNG储罐，20万立方米储罐内外罐尺寸有所不同，对比情况见表1。

表1 16万立方米和20万立方米LNG储罐尺寸对比表

2.5 内罐及保冷设计

2.5.1 内罐设计

内罐设计主要包括外形尺寸以及静力和动力(地震力)计算，确定罐板厚度、环梁、加强圈和罐底板的尺寸。

LNG储罐的大型化必然导致内罐直径加大，其9%镍钢板壁厚也将增加，板幅略有不同。

对LNG储罐内罐进行静力及地震作用计算发现，内罐每带壁板的厚度及板幅不完全相同。16万立方米的LNG储罐9%镍钢板最大壁厚约27mm，板幅小于3m，而20万立方米的LNG储罐9%镍钢板最大壁厚约35mm，最大板幅大于3m。

在确定内罐壁板厚度和板幅后，通过外压屈服计算，重新校核选择的罐壁板厚度是否合适，并确定加强圈的设计。

2.5.2 内罐保冷设计

储罐保冷设计主要通过BOG计算结果，根据环形空间间距和储罐保冷性能要求，确定罐壁保冷材料及其厚度、罐底保冷材料和布置等。典型的保冷设计见图2。

图2 内罐保冷结构示意图

16万立方米LNG储罐和20万立方米LNG储罐的BOG蒸发率是一样的，均为0.05%。为了满足保冷的要求，环形空间间距将由16万立方米LNG储罐的1.0m提高到20万立方米LNG储罐的1.1m。同时，为控制环形空间的膨胀珍珠岩产生的侧压力在内罐壁可承受的范围内，20万立方米LNG储罐内罐罐壁的弹性毡厚度大约需增厚100mm。

2.6 外罐结构设计

混凝土外罐的主要功能为保护内罐免遭外部灾难事件的破坏，且在内罐破裂时也能提供安全保护防止液体泄漏。地震是典型的外部灾难事件，LNG储罐一旦遭到地震破坏，不但威胁到天然气的存储和影响人们的正常生产生活，而且引发的二次灾害对周围居民生活和环境的危害也十分巨大。因此，全容式LNG储罐的地震作用计算是LNG储罐设计的一项重要内容[3]。

混凝土外罐是由圆形底板、圆柱形预应力罐壁和穹形罐顶组成的超静定结构。其受力状况比较复杂，既要承受施工阶段荷载、正常操作荷载、风荷载、预应力和试水试压等正常作用工况，还要承受外部爆炸荷载、飞行物冲击、地震、外部火灾和内罐泄漏等偶然作用工况。因此，在对混凝土外罐进行工程设计时，无法通过简单的分析获得各个工况下的力学特性，必须借助有限元方法来对其进行大量的数值分析[4]。

在混凝土外罐设计中，采用了两种类型的分析方法：① 线性分析方法。这种方法是先进行荷载工况的线性计算，求得相应的应力、内力和位移，然后根据计算出的内力进行荷载效应的线性组合，再根据最不利组合值进行配筋验算；② 非线性分析方法。当外罐处于某些特定荷载工况作用(火灾或内罐大泄漏)时，它产生的反应是非线性的，而这个非线性特性跟施加的荷载路径和材料在不同环境下的不同特性有关系，因此，要对这些荷载工况共同作用下的罐体进行非线性计算，以校核结构的性能是否满足要求。

对20万立方米LNG储罐的混凝土外罐的设计来说，由于选择的罐型同16万立方米LNG储罐的罐型是一样的，故其计算和分析方法没有根本性的差别，不存在技术上的障碍。

3 采购可行性研究

对于LNG储罐来说，最关键的材料为用于内罐的9%镍钢板。与已建成的16万立方米LNG储罐不同，20万立方米LNG储罐的9%镍钢板的厚度和板幅均有所增加，这对于生产商而言是一种挑战。

从国际上看，欧洲的industeel、日本的新日铁及神钢、韩国的浦项制铁等能够生产LNG储罐用9%镍钢板。目前，山西太钢不锈钢股份有限公司(以下简称“太钢”)、南京钢铁联合有限公司(以下简称“南钢”)，鞍山钢铁集团公司(以下简称“鞍钢”)等国内多家钢厂均能够生产LNG储罐用的9%镍钢，其中太钢的产品应用于江苏LNG接收站和大连LNG接收站，共4台储罐，并已投入运行。南钢在江苏LNG接收站和大连LNG接收站应用，共2台储罐并已投运，另外还为唐山LNG接收站供货2台LNG储罐的9%镍钢。鞍钢也为唐山LNG供货2台储罐用9%镍钢。上海宝钢集团公司也已研发出9%镍钢板，但目前还没有相应的供货和使用业绩。

LNG储罐的大型化必然导致设备直径加大，用于盛装低温介质的内罐，其9%镍钢板的壁厚将增加，对钢板质量的控制难度提高，给钢厂带来极大的挑战。通过对国内钢厂的调研，包括南钢、太钢等钢厂已经完成35mm厚度和50mm厚度的9%镍钢板的试制，钢板的性能指标满足规范和9%镍钢板采购技术要求。

目前钢厂轧机和热处理设备条件的限制，国内几个成熟的9%镍钢厂生产的钢板幅宽还有差距，但均可以达到3m左右。

4 施工可行性研究

4.1 混凝土外罐施工

混凝土外罐的施工阶段主要包括垫层施工、承台施工、墙体施工、环梁施工、穹顶施工和预应力张拉。

垫层浇筑前需按照设计图纸进行回填压实，压实系数满足设计要求，防止产生不均匀沉降使垫层产生裂缝。

承台施工采用跳仓法分块施工，合理分块可有效减少混凝土自身收缩产生的裂缝。除此之外，通过选择合适的水灰比、水泥品种和标号、混凝土配合比，采用适当的振捣和收面工艺，加强混凝土浇注后的测温工作，根据测温记录及时调整混凝土养生覆盖物的厚度等措施，减少裂缝。

墙体施工时应合理设置墙体层高，可在不影响模板情况下减少墙体浇筑次数,减少对钢筋网片吊装的影响。

环梁施工时在第一段内侧模板施工时采用小模板，有效的减少环梁混凝土浇注后的打磨工作，提高环梁混凝土的浇筑质量。

罐顶钢筋混凝土壳的施工方法与外罐的直径是紧密相关的。当储罐的直径较小时，罐顶自重荷载和施工荷载均不是太大，混凝土的浇筑量也容易满足连续浇筑的需求，故其施工方法可整体一次性浇筑；当储罐的直径较大时，罐顶自重荷载和施工荷载均变大，混凝土的浇筑量也不容易满足连续浇筑的需求，故其施工方法多采用分层或分段浇筑的方法。例如16万立方米LNG储罐罐顶混凝土采用分浇筑和罐体内充气减载的施工方法，当罐顶混凝土达到一定的强度时，卸压开始，当卸压完成后，即可开始内罐的各工序作业[5]。20万立方米储罐采取分层方式，即先充气压浇筑下半层混凝土，待混凝土凝结并卸压后，再浇筑上半层混凝土。

4.2 内罐施工

内罐施工主要包括拱顶施工、施工前准备、内罐施工和罐体试验。

拱顶施工阶段主要完成储罐拱顶块的预制和组装、铝吊顶的预制安装、罐顶承压圈的预制安装和储罐气顶升。

内罐施工前准备阶段主要完成外罐底板铺设焊接安装、外罐防潮板安装、TCP壁板及底板边缘板安装、内罐底板边缘板安装、罐内附属相应预埋管线安装。

内罐施工阶段主要完成二次底板安装、内罐底板安装、内罐壁板安装和罐内附属管线及结构安装。

罐体试验阶段主要完成LNG储罐的试验、吹扫、烘干以及LNG储罐的充氮置换预冷却等。

4.3 无损检测

LNG储罐外罐的施工与检测主要包括超声检测、渗透检测和射线检测，内罐的检测主要是罐底板和壁板的射线检测以及清根和盖面的渗透检测。内罐的检测是LNG储罐检测的重点和难点。主要表现：① 材质的特殊性。目前大型LNG储罐内罐为9%镍钢，且焊接材料与板材镍含量相差较大，射线检测时底片上会出现较大的反差，底片黑度很难控制；② 施工方法也有所不同。外罐施工完成后再进行内罐施工，且内罐施工顺序与常规储罐施工也不相同。

相较于16万立方米LNG储罐而言，20万立方米储罐内罐壁板厚度增加，使射线检测曝光量增加，因此射线探伤设备的要求相应提高。由于罐体材质的特殊性，常规X射线机很难满足要求，因此需要通过试验确定射线检测参数，选定检测设备。

5 项目管理可行性研究

5.1 进度控制

从工程进度的角度比较，16万立方米LNG储罐和20万立方米LNG储罐的设计和采购进度基本一致，在施工方面，由于工程量不同，所需工期略有不同，但可以通过增加人员、机具、工作时间等方式合理压缩关键工期，达到缩短总工期的目的。

如果考虑在同等情况下，从储罐工程桩开工至水压试验完成，16万立方米LNG储罐建设期大约需要25个月，20万立方米LNG储罐建设期大约需要29.5个月。

5.2 费用控制

16万立方米LNG储罐和20万立方米LNG储罐的罐容不同，材料用量、价格及施工方案等均不同，16万立方米LNG储罐和20万立方米LNG储罐单位容积直接工程费的估算分别为2822万元/万立方米和2701万元/万立方米。数据显示，20万立方米LNG储罐单位容积直接工程费相对较小，虽然建设20万立方米LNG储罐的直接工程费绝对值会增加，但却获得了更大的罐容，也就是说，建设20万立方米LNG储罐是在增加较少投资的情况下，获得更大的罐容，提高土地利用率，有利于提高投资效益。

5.3 质量控制

不管建设16万立方米LNG储罐还是20万立方米LNG储罐，都要实行全过程的质量控制，从设计质量、采购质量到施工质量，每一个环节都将影响项目的成败。

目前国外大型储罐的主要设计标准有美国石油学会标准《大型焊接低温储罐设计与建造》API 620和欧洲标准《平底立式低温储罐》BS EN14620。国内建设的大型LNG接收站和储罐外罐均执行《平底立式低温储罐》BS EN14620标准，而内罐执行《大型焊接低温储罐设计与建造》API620标准。但在涉及参数选择和计算公式的选择方面，则一般按照国内标准进行计算。