LNG双层球罐的设计、制造及检验

冯俊爽，邹惠忠，孙娟，龙兆耀，陈杰，翟耀峰



LNG双层球罐的设计、制造及检验

冯俊爽，邹惠忠，孙娟，龙兆耀，陈杰，翟耀峰

（张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 张家港 215632）

近年来，我国LNG产业已进入规模化发展阶段。随着低温技术的日益成熟， LNG作为应用领域的源头，与之配套的储存设备就显得尤为重要。而粉末堆积绝热的双层球罐以其节约材料、占地面积小、日蒸发率以及建造成本低等优点越来越受到人们的青睐。本文着重介绍了LNG双层球罐的设计、制造及检验等方面的内容。

LNG；双层球罐；设计；制造；检验

目前，国内用来储存LNG的带压设备有真空绝热储罐、粉末堆积绝热子母罐、粉末堆积绝热球罐等设备，真空绝热储罐受运输条件的限制，一般容积不超过300 m3，当储罐容积大于300 m3时，通常会选择在现场施工制做的粉末堆积绝热的子母罐、球罐，而子母罐的子罐需在厂内制做好后再发至施工现场，且母罐占地面积较大；粉末堆积绝热的双层球罐以其占地面积小，节约材料等优点成为许多客户的首选，因此将该产品作为一重要课题进行研究。

1 LNG双层球罐的结构介绍

该LNG双层球罐由内球罐、外球罐、保温材料、旋梯、管路、支柱及拉杆等部分组成，内球罐用来储存深冷液体，并能承受相应的工作压力，材质一般为奥氏体不锈钢或镍系列钢，外球罐主要用来储存绝热材料，材质一般为Q345R等低合金钢。在内、外球罐之间形成的密闭空间内填充经过干燥的珠光砂并充入微正压干燥氮气进行绝热。该罐体内、外均为球形储罐，在设备直径和承压相同的条件下，球壳板所需的厚度最小，且其具有受力性能好、质量小、容积大、节约材料、罐体自重轻等特点。主要参数见表1。

表1 主要参数

2 球罐的设计

2.1 设计载荷的确定

（1）根据《钢制球形储罐》［1］，内球罐需考虑以下载荷，并考虑可能的最苛刻的组合。

（a） 内、外压力；

（b） 液柱静压力；

（c） 耐压试验状态下内装介质的重力载荷；

（d）珠光砂等保温材料的重力载荷；

（e）地震载荷；

（f）支柱的反作用力；

（g）冲击载荷；

（h）温差载荷内球罐从环境温度冷却到操作温度过程中，内球罐在支撑点处承受的温差载荷。

根据《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分设计》［2］，由于内球罐、管道以及外罐之间不同的热膨胀引起的管道反作用力，并分别考虑下列工况：

（a）进液冷却过程：内球罐热状态，管道系统冷状态，外罐热状态；

（b）充装及卸料过程：内球罐、管道系统均是冷状态，外罐热状态；

（c）储存过程：内球罐冷状态，管道系统、外罐热状态。

（2）外球罐设计时应考虑以下载荷，并考虑可能的最苛刻的组合。

（a）内、外压力；

（b） 附属设备、管道、支柱、拉杆、梯子、平台及珠光砂等的重力载荷；

（c）风载荷、地震载荷、雪载荷；

（d） 罐顶动载荷。

2.2 许用应力

内球罐选用奥氏体不锈钢S30408热轧钢板，设计温度为-196 ℃，腐蚀裕量为0，其许用应力按20 ℃时选取，见表2。

表2 钢板的许用应力

注（1）：若选用该许用应力，板材需按照RP1.0进行复验。

外球罐材料用钢板应有良好的可靠性和足够的强度，并满足外界环境的腐蚀和环境温度的影响等因素，其主要受压元件用钢应当是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢，板材的使用温度下限按照GB150.2-2011［3］的相关规定执行，该课题外球罐设计温度为-20/50℃，选用Q345R材料，腐蚀裕量为1.0 mm，其许用应力按20 ℃时选取，见表3。

表3 钢板的许用应力

膨胀珍珠岩（珠光砂），应符合下列要求：

（1）粒度：0.1~1.2 mm；

（2）堆积密度：30~60 kg/m3；

（3）含水率：小于等于0.3%（质量比）；

（4）导热系数（在常压下、温度 77~310 K 时的平均值）：不大于0.03W/(m ·K)；

（5）安息角：30°~35°；

（6）未膨化率：≤1.0 %。

2.3 设计压力

内球罐的设计压力应不低于工作压力且承受外压的能力不低于0.5 kPa。

外球罐的设计压力内压不小于3.0 kPa，外压不小于0.5 kPa。

2.4 计算压力

内球罐的计算压力至少是设计压力、液柱静压力和珠光砂对内球罐的挤压力之和。

外球罐的计算压力至少是设计压力和珠光砂重力之和。

2.5 焊接接头系数

内球罐的焊接接头系数为 1.0，外球罐外壳焊接接头系数为0.85。

2.6 装量系数

内球罐装量系数不得大于0.95，内球罐应设置便于限量充装的装置，如溢流口、浮球液位计等。

2.7 人孔的设置

内球罐在球壳上、下极中板应分别设置一件DN500～DN600的工艺人孔。

外球罐在球壳上、下极中板应分别设置一件不小于DN800的人孔。

2.8 支柱

支柱采用钢管或钢板卷制，其与内球罐的连接采用赤道正切式，并在支柱顶部设有球形或椭圆形的盖板。支柱应设置通气口，对储存液化天然气的深冷球形储罐，还应设置耐火层。

双层球罐的支柱通常分为上部、中间以及下部三部分，上、中部支柱采用奥氏体不锈钢材质，下部支柱采用低合金钢材质，为减少热量的传播，需在上部和中部支柱之间安装一定厚度的玻璃钢进行隔热。上部、中部支柱内部均需填充珠光砂、超细玻璃纤维棉等保温材料，下部支柱上设置相应的通气孔，设备与基础采用地脚螺栓连接。

2.9 管路系统

罐体应设置泄放管路、顶部喷淋进液管路、底部充装、排液管路、液位压力测量等管路，以满足泄压、放空、充液、出液、溢流、压力及液位显示等要求。

2.9.1 夹层接管

从内球罐引出的液相管路一般应设置液封（气封液）结构。

2.9.2 自增压系统

自增压器的压力等级应与内球罐的设计压力相匹配，所选用的材料应与工作介质相容。

自增压器的气化量应能够满足设计排液速率和升压速率等的要求。

当储罐压力降至低压报警值时自增压阀打开，启动增压，当压力值恢复正常，自增压阀关闭。

2.9.3 夹层氮封及吹扫系统

罐体预留与系统氮气源相接的氮封系统，采用自力式调节阀以维持夹层氮气2.0 kPa的正压力。

系统进液管线、槽车充装管线等均预留与系统氮气源相接的氮气吹扫预留口，以保证内球罐初次进液前及槽车充装前的吹扫。

2.9.4 其它

管路系统的设计、制造和安装应避免热胀冷缩、机械颤动或振动所引起的损坏，必要时应考虑补偿结构。

3 制造

3.1 球皮板

按照《钢制球形储罐》［4］的要求，内、外球罐的球皮板不得拼接且表面不允许存在裂纹、气泡、结疤、折叠和夹杂等缺陷，球壳板不得有分层。

3.2 支柱组焊

分段支柱上段与赤道板应在制造单位进行，组焊后用弦长不小于1 000 mm的样板检查焊缝。

3.3 工艺人孔

内球罐工艺人孔凸缘与人孔椭圆封头采用单面全焊透型式，凸缘及封头所承受的载荷与内球罐相同。焊接在上、下极中板的工艺人孔用椭圆封头不允许拼接。

3.4 内球罐试板

每台产品需提供6块产品焊接试板（须开坡口），试板的原材料必须合格，并且与内球罐用材料具有相同标准、相同牌号、相同厚度。每块试板的尺寸宜为600×180 mm。

4 产品零部件的油漆、包装、运输

外球罐球皮板内外表面应喷砂、除锈，并涂防锈底漆，坡口表面及其内、外侧边缘50 mm范围内涂可焊性防锈涂料。每块钢板上的钢号、炉批号以及球壳板的标记均应醒目的标出。

球壳板宜采用钢结构托架包装，各板间垫以柔性材料，每个包装架的总重不宜超过30 t，不锈钢球皮板需与低合金钢球皮板分开包装。

试板、地脚螺栓、管件、弯制接管等零部件宜装箱运输，在装箱时需将低合金钢（或碳钢）与不锈钢材质进行隔离包装。

5 现场制造、检验与验收

5.1 组装

在组装时需对内、外球壳的最大直径与最小直径之差进行控制，两极间的内直径、赤道截面的最大内直径和最小内直径之间相互之差，均应小于设计内径的0.3%，且不大于50 mm。

5.2 焊接

对于内球罐，应根据设计温度选择合适的焊接工艺。在相应的焊接工艺评定中，应进行焊缝金属的低温夏比（V型缺口）冲击试验，在不高于设计温度下的冲击吸收功（KV2）不得小于31 J (当设计温度低于-192 ℃时，其冲击功试验温度取-192 ℃)。施焊前应将坡口表面和两侧至少20 mm范围内的油污、水分及其他有害杂质清除干净。焊接线能量应不超过经焊接工艺评定合格的线能量上限。

5.3 无损检测

焊接接头的无损检测，应在形状尺寸和外观质量检查合格后进行。

5.3.1 内球罐

内球罐A、B类对接焊接接头应按NB/T 47013.2-2015的规定进行100%RT检测，射线检测技术等级不低于AB级，Ⅱ级合格；射线检测合格后应按NB/T 47013.5-2015的规定进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

5.3.2 外球罐

外球罐20%的A、B类对接焊接接头部位应按NB/T 47013.2-2015的规定进行射线检测，射线检测技术等级不低于AB级，Ⅲ级合格；射线检测合格后所有焊缝应按NB/T 47013.5-2015的规定进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

5.4 耐压试验和泄漏试验

在设备夹层配管结束且罐体无损检测合格后，应按设计文件规定对内球罐进行耐压试验和气密性试验。

试验时，根据《钢制球形储罐》［5］必须在内球罐的顶部和底部各设置一块量程相同并经校验合格的压力表。其量程为试验压力的1.5~3.0倍，宜为试验压力的2倍。压力表的精度等级不低于1.6级。

内球罐耐压试验：试验液体一般采用水，试验合格后需立即将水排净吹干。根据《钢制球形储罐》［5］，当无法完全排净吹干时，应控制水的氯离子含量不超过25 mg/L。在试验过程中，内球罐应无渗漏，无可见的变形和异常声响。同时内球罐在充、放液下列过程中，应对基础的沉降进行观察。

内球罐泄露试验：内球罐需耐压试验合格后方可进行泄漏试验，其泄漏试验一般为气密性试验。

5.5 内球罐清洁

在内球罐放液前，对其内表面进行酸洗钝化处理，清除油污，并用蓝点法进行检测。与介质接触的零部件表面，其油脂残留量一般不超过500 mg/m2。（注：酸洗后用水进行冲洗，应控制水的氯离子含量不超过25 mg/L。）

5.6 珠光砂填充

待管道的支撑件，固定件、仪表、安全附件及接管等安装完毕，强度试验、气密性试验，管道吹扫及表面的清理防腐工作全部合格后方可进行珠光砂的填充。

珠光砂填充时应自下而上均匀上升，要注意氮气的保护，充填过程中，应进行压实，施压应均匀，填充空间不允许出现不同的压实密度；还应防止漏料，不能产生“架桥”现象。

6 涂覆

外球壳安装结束后，清除焊接连接处的焊渣、毛刺，对外表面采取喷砂除锈的方式，达到Sa 2.5级要求，清除灰尘。外表面涂底漆，漆膜厚度160 μm，之后涂面漆，漆膜厚度80 μm。

7 竣工验收

LNG双层球罐竣工后，组焊单位应将材料质量证明书、复验报告、试验报告、无损检测报告以及竣工图、强度计算书、风险评估报告等技术文件交付使用单位。使用单位需会同特种设备安全监督管理部门或授权的检验机构按本标准、国家相关规范以及设计图样进行验收。

8 结束语

本文论证了LNG双层球罐的的设计、制造以及试验等相关方面的内容，为今后相关的设计积累一定的参考经验。

［1］刘福录，杨国义，等. GB/T 12337-2014 钢制球形储罐[S]. 2014．

［2］罗永新，周伟明，等. GB/T 18442.3-2011固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分[S]. 2011．

［3］寿比南，陈钢，等. GB/T 150.2-2011压力容器[S]. 2011：43-47．

［4］刘福录，杨国义，等. GB/T 12337-2014 钢制球形储罐[S]. 2014：43-46.

［5］刘福录，杨国义，等. GB/T 12337-2014 钢制球形储罐[S]. 2014：58-60．

Design, Manufacture and Test of LNG Double-layer Spherical Tank

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（Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Jiangsu Zhangjiagang 215632, China）

In recent years, China's LNG industry has entered a stage of large-scale development. With the development of low temperature technology, the matching storage facilities of LNG become particularly important. And the double-lay tank of powder accumulation adiabatic has many advantages, such as material saving, small footprint, low day evaporation rate and so on, so it gains more and more favour from users. In this paper, design, manufacture and test of LNG double-layer spherical tank were mainly introduced.

LNG; double-layer spherical tank；design；manufacture；test

TQ 052

A

1004-0935（2017）09-0908-04

2017-06-23

冯俊爽（1978-），女，工程师，江苏省张家港市人，2002年毕业于连云港化工高等专科学校化工设备与机械专业，研究方向：从事低温球罐、真空罐的设计工作。