液化天然气球罐设计及建造注意要点

2016-07-25朱永根怡丰能源集团有限公司广东广州510610

中国新技术新产品 2016年12期

朱永根（怡丰能源集团有限公司，广东　广州　510610）

液化天然气球罐设计及建造注意要点

朱永根
（怡丰能源集团有限公司，广东广州510610）

摘要：随着我国经济的快速发展以及能源结构的改变，液化天然气（LNG）这一高效、节能环保的能源在居民生产、生活中的应用越来越广泛。液化天然气生产工艺复杂，其生产制备中最主要的是需要通过对原料气进行低温冷却使其液化，为便于液化天然气的存储与运输，液化天然气需要保持在超低温（-162℃）的条件下进行储存与运输。在液化天然气的储藏罐的形式中，液化天然气球罐是一种能够在超低温情况下完成对于液化天然气存储的绝热设备，由于需要保持在超低温状态下，因此在液化天然气球罐的设计与建造过程中需要从液化天然气球罐的结构的可靠性、绝热效果以及支撑隔热等多个环节入手，做好液化天然气球罐的设计与建造。

关键词：液化天然气球罐；设计；建造

0. 前言

天然气是一种清洁、高效的能源，尤其是在完成对于天然气的液化后，相较于气态天然气，液化后的天然气体积仅为气态条件下的1/625，因此做好天然气的液化及存储对于确保天然气的利用有着积极的作用。液化天然气在存储的过程中需要保持在低温条件下，同时随着储罐运行时间的延长，储罐内会不断地产生蒸发气并堆积在储罐内，从而使得储罐内的压力在不断地扩大，因此在对液化天然气球罐设计时要确保液化天然气球罐的承压能力，并确保液化天然气球罐具有良好的绝热保温性能。

1. 液化天然气的储藏形式

在液化天然气的储藏形式中，子母罐是液化天然储罐中的一种重要的形式，但是其受制于制造水平和运输条件的限制，使得子母罐这一液化天然气储藏形式无法完成大型化的发展与应用。因此，需要设计建造一种新型的液化天然气储存形式，通过设计并建造大型的液化天然气球罐来作为天然气的储存形式，其通过使用不锈钢作为液化天然气球罐的主要材质完成对于储存液化天然气的低温绝热压力容器的建造，为确保液化天然气球罐的储存效果，需要做好液化天然气球罐储存时的传热优化、设备及管道收缩变形等的控制、液位控制以及支撑结构的可靠性等方面的设计计算，以确保液化天然气球罐的设计及建造质量。采用液化天然气球罐设计相较于传统的立式平底圆筒型双壁液化天然气储藏罐不论是在耐压能力、资金投入、漏热率等方面都有着不小的优势，同时在无损储存时间明显较长，能够更好地实现对于液化天然气的存储。同时液化天然气球罐相比于子母罐在容积范围、日蒸发率以及设备投资等方面都有着较大的优势。液化天然气子母罐的结构图如图1所示。

2. 液化天然气球罐结构设计

2.1液化天然气球罐结构设计方案

液化天然气球罐罐体采用的是地上式单容罐的整体结构，在罐体中分为（内、外罐），其中，内罐设计为完成对于液化天然气的存储，外罐采用使用低压合金压力容器钢板所制造的自支撑拱顶结构的立式圆筒型储罐，为确保液化天然气球罐的绝热保冷效果，在液化天然气球罐中的内、外罐夹层之间使用膨胀珠光砂进行填充，以确保液化天然气球罐的低温绝热效果，整体式的内罐结构能够更好地提高在高压下的液化天然气的存储效果。对于液化天然气球罐内、外罐之间的绝热层厚度需要在完成相应的热计算的基础上进行确定。

在液化天然气球罐内径参数的设计中，其球体内罐的公称直径及体积需要根据国家的相关标准进行设计，完成对于液化天然气球罐罐体直径的选取。在液化天然气球罐内罐存储的主要是低温液态天然气，设计存储压力小于1.0MPa，为确保液化天然气能够在球罐中进行低温存储，设计低温保冷温度为-192℃，对于液化天然气球罐外罐的公称直径及体积在需要在完成对于绝热计算的基础上来进行相关参数的确定，在外罐填充绝热体及氮气，填充气体的压力设计为0.003MPa，设计工作温度为-19℃～50℃。液化天然气球罐的外形结构示意图如图2所示。

在液化天然气球罐主体材料的选择上，由于内罐需要存储极低温度的液态天然气，需要确保内罐所使用的金属材料在低温下还具有良好的使用性能，在材料的选择上选用的是0Cr18Ni9，这种材料能够在极低温度下仍然具有良好的韧性，其抗冲击能力随着温度的降低而影响较小，同时不存在脆性转变温度，同时在低温条件下此种材料的收缩量较小，易于加工和焊接，材料的性价比较高，因此无需选择较厚的板材厚度。对于液化天然气球罐外罐板材的选择使用的是Q345R以确保其能够取得良好的包容及绝热效果。

液化天然气球罐最主要的是需要确保球罐能够保持低温条件下的存储效果，因此需要使得液化天然气球罐的绝热保冷的效果较为突出，液化天然气球罐内、外罐之间选用的是通过填充珠光砂的方式来进行正压堆积绝而不是抽真空的方式来进行绝热。为提高液化天然气球罐内、外罐间填充层的绝热效果，在绝热层内填充微正压的氮气以避免潮湿的空气渗入夹层影响珠光砂的导热率，同时通过在液化天然气球罐绝热层内冲入微正压的氮气可以将绝热层内的空气尽量地排出以降低液化天然气球罐泄露后天然气与氧气混合产生爆炸的几率，同时，在液化天然气球罐夹层中冲入氮气便于液化天然气球罐运行时对于气体成分的测量完成对于液化天然气球罐的泄露监控。

在液化天然气球罐的接口设计上采用的是内罐上、下进液口与气相口，压力及液位测量取液口等，其中，上进液管、气体管及气相取液管口主要分布在液化天然气球罐的顶部，上进液管在液化天然气球罐内部呈环装结构分布，物料在注入时通过分布在环装管上的通孔进入到液化天然气球罐内部，在下进液管中需要设置相应的弯管结构以确保液化天然气球罐下进液管的液封效果。液化天然气球罐外罐口的接口采用的是具有吸收膨胀收缩能力的装置，以避免液化天然气球罐外接口因内外温度差而导致的热膨胀量变形，在接口上还需要填充绝热材料以确保保温效果。

在液化天然气球罐的支撑结构形式的选择上使用的是4带12的柱式混合结构，以减少液化天然气球罐的蒸发损失，在支撑结构上使用支柱进行支撑，在液化天然气球罐的支座部分使用的是低温合金材料以降低液化天然气球罐的建造成本。

3. 液化天然气球罐建造注意要点

3.1液化天然气球罐板的制造

液化天然气球罐板壳采用的是冷压成型加工工艺，为确保液化天然气球罐板壳的加工效果，避免球壳板在与模具之间因接触和挤压力分布不均而影响压制效果，减少液化天然气球罐压制后板材的弹性回弹，应在液化天然气球罐压制过程中施加较大的压制压力以减少板材的弹性回弹。

3.2液化天然气球罐罐体的焊接

液化天然气球罐罐体需要在低温下进行工作，为确保液化天然气球罐罐体的密封性，在液化天然气球罐罐体的焊接时需要对焊接后的低温韧性效果进行测量，测量液化天然气球罐焊缝在低温冲击下的性能及膨胀量。通过全尺寸的焊缝测试及焊缝的性能分析，决定采用E308-16的焊条作为主要的焊接材料，通过使用此种焊接作为焊接材料能够取得较为良好的焊缝低温特性。

3.3液化天然气球罐内罐的安装焊接

液化天然气球罐采用的是散装拼接法进行建造，由于液化天然气球罐的内罐的壳板属于薄壁型，同时球壳板的面积较大，因此为吊装安装带来了较大的难度，吊装过程中极易因受力不均而导致壳板出现塑形变形，因此为避免出现吊装变形，需要对液化天然气球罐内罐壳板进行加固以提高其刚度，在液化天然气球罐内罐壳板的吊装中需要采用二吊点的方式进行吊装以确保吊装时的受力均匀性。在液化天然气球罐内罐的焊接过程中需要确保焊缝的密封性，同时要注意避免出现焊接变形影响焊接的质量，在液化天然气球罐内罐焊接之前需要增加各焊缝龙门板的数量、点固焊的数量以及长度，在液化天然气球罐内罐的焊接过程中，可以通过采取分段退焊的方式进行焊接，同时在对称焊接的过程中要严格控制焊接热的输入以控制焊缝的变形量。在完成对于液化天然气球罐内罐的焊接与无损检测后，在液化天然气球罐内罐中装入与设计存储液化天然气等重量的水检测液化天然气球罐的沉降量，同时还需要做好对于液化天然气球罐内罐的耐压气密检验，以确保液化天然气球罐内罐的密封效果。

3.4液化天然气球罐的安装

液化天然气球罐外罐安装在内罐完成后进行，在液化天然气球罐外罐的安装中采用倒装法与正装法相结合的方式进行，拱顶在地面完成钢结构组焊核检测后进行，同时可以依靠安装在夹层中的桅杆逐圈从顶部到底部进行液化天然气球罐罐壁板的安装。

3.5液化天然气球罐内罐的酸洗

在液化天然气球罐内罐建造完成后需要对内罐进行酸洗以去除在液化天然气球罐建造过程中所造成的表面污染，这些表面污染会破坏液化天然气球罐内罐表面的氧化膜，从而使得液化天然气球罐内罐的金属板材的抗腐蚀能力大幅下降，不利于液化天然气球罐的液化天然气的储存。同时在液化天然气球罐建造过程中所形成的微小凹坑及夹杂会使得低温容器的反射率大幅提高，影响液化天然气球罐内罐低温容器的保温性能。因此，在完成了对于液化天然气球罐内罐的建造后需要对其内表面进行抛光处理，而后对内表面进行酸洗钝化。