大型立式低温LNG储罐的结构设计和强度研究

吴明澄

（苏州致邦能源装备有限公司，江苏张家港 215600）

当前液化天然气LNG工业发展比较完善，已形成加工、存储、运输、使用的完整工业链。无论是LNG的运输还是存储都需要用到低温LNG储罐。低温LNG储罐的结构设计、强度、绝热能力都会影响到储罐的整体性能，尤其是考虑到LNG的易燃易爆等特点，更要重视低温LNG储罐的结构设计和强度分析，在设计储罐结构时要考虑的更加全面。基于此，对大型立式低温LNG储罐的结构设计和强度进行研究，旨在提高大型立式低温LNG储罐的性能，提高LNG的存储、运输过程中安全性。本文对大型立式低温LNG储罐结构、设计要求、强度分析进行了研究。

1 大型立式低温LNG储罐结构设计要求

安全永远是第一位的，在设计大型低温液化天然气LNG储罐时必须满足介质的安全标准，同时必须考虑储罐的使用环境因素，具体来说主要有以下几点：

1.1 足够大的温度范围

液化天然气是超低温条件下的液态天然气，在存储、运输时必须始终保持低温状态，天然气的沸点为-160℃，而室温最高在60℃左右，因此，储罐能承受的温度范围要满足-170～60℃。

1.2 能够承受较大的压力

在低温状态下经过压缩液化的天然气体积只有原有体积的1/625，具有较大的蒸发压力。因此，大型立式低温LNG储罐必须能够承受较大的压力，通常压力范围为1.5～30kPa。

1.3 地震加速度及载荷

由于我国很多天然气产地都在沿海或新疆，这些地区很多都位于地球板块连接处，是地震、海啸、雪灾、风暴的多发区，因此，大型立式低温LNG储罐设计必须考虑到这些因素，应该具有较强的自然灾害抵御能力以及足够大的载荷能力。

1.4 绝热设计及渗透

液化天然气LNG在存储、运输时要尽量减少损耗，如果储罐绝热性能不够，液化天然气LNG的的蒸发流失就会更快，加剧损耗，因此，在设计LNG储罐结构时必须考虑其绝热性能力和渗透性，以最大限度地减少蒸发损耗。

1.5 稳定的罐顶结构

稳定的罐顶结构是保证大型立式低温LNG储罐整体稳定的关键结构。实践证明球面罐顶结构更稳定，因此，应该优先采用球面罐顶结构，同时在建造罐顶结构时要提升预制水平，最大限度地减少现场施工，同时要确保罐顶结构混凝土的强度符合要求；罐顶预应力材料要具备足够的抗冲击能力；对于软弱地基要做好加固处理，夯土基础需设加热装置；在焊接9Ni钢时要注意低热输入、低道间温度，避免过热。

2 大型立式低温LNG储罐结构设计

为了保证液化天然气LNG存储、运输过程中的安全，在设计大型立式低温LNG储罐结构时应严格要求。天然气液化过程中被压缩冷却，保持持续的低温状态才能稳定存储，因此，储罐必须具备很好的绝热性能，同时导热系数、密度、吸水率、渗透性都要足够小，强度足够高。现阶段，大型立式低温LNG储罐绝热保温结构由罐顶、罐壁、罐底构成。储罐的绝热材料是影响储罐绝热性能的关键因素。虽然大型低温LNG储罐的罐顶、罐壁、罐底部位都设有绝热层，但是这三个部位的结构、施工要求、绝热性能标准差异较大。

当前，我国大型低温LNG储罐罐顶结构为外罐拱顶结合内罐铝吊顶的结构。罐顶部位的绝热设计相对罐壁、罐底部位简单，施工难度也更低。大型低温LNG储罐罐壁的绝热层包含低温钢内壁、玻璃纤维毡、珍珠岩、金属外壁。

最初大型低温LNG罐壁的绝热材料主要是松散珍珠岩，但是其具有较强的吸水性，导热系数也比较大，导致液化天然气蒸发加快，给制冷机带来更大的负担，增加成本。除此以外，只用珍珠岩的储罐内壁收缩使其上端以及罐顶部边缘珍珠岩流失，需要反复填充珍珠岩，不但会增加成本，还容易让空气进入内外罐中，使其中的水分冷凝，加速设备腐蚀速度。因此，为了提升大型低温LNG储罐的性能，当前大部分低温LNG储罐内罐的外壁都设有保温毡层，在松散珍珠岩的压力下保温毡收缩，如果LNG内罐温度下降会出现收缩形变，此时保温毡填补内罐收缩留下的空白达到减少珍珠岩流失的目的，从而有效减少珍珠岩的二次填充，节约成本。保温毡材质为玻璃棉，其回弹量等于收缩量，利用多种宽度的壁板计算LNG储罐的第二层壁板的厚度、容积二者之间的关系，如宽度2m的壁板算出的第二层储罐罐壁的厚度、LNG储罐的容积呈线性关系，宽度为3m的壁板算出的储罐第二层壁厚、储罐容积却没有线性关系，数据显示如储罐容积小于13*104m3时，宽度更大的壁板算得的壁板厚度通常更小，当储罐容积超过13*104m3时则差异很小。

罐底保温层是大型低温LNG保温结构的关键部分，必须具备足够好的绝热性能，最大限度地降低储罐的漏热。与此同时，因为罐底位置的特殊性还需要具备足够的强度才能承受储罐的自身重量以及液化天然气的重量。因此，需要结合低温LNG储罐底部的受力情况，按照尽量减少漏热的原则设计储罐底部保温结构。通常可以将储罐底部的保温结构分为周边圈梁、核心隔热区两个部分。

3 大型立式低温LNG结构强度分析核验

借助ANSYS进行有限元分析，针对具体工况下的大型立式低温LNG在特定工况中的结构强度进行分析核验。具体来说是通过将压力、自重、载荷加到储罐上进行结构强度计算，通过软件分析得出不同结构对应的强度分布云图，然后提取各个部位的应力强度数值进行强度分析核验。

表1 实际工况中的LNG结构强度分析与核验

通过分析核验可知在操作工况下，本文设计的储罐各部位的强度均符合要求。

4 结束语

综上所述，随着天然气需求量的不断增长，大型低温LNG储罐作为液化天然气存储、运输过程中不可缺少的设备，起到稳定天然气供应的作用，储罐的存储运输过程具有体积小，储运方便，安全性能高等优点，因此被广泛采用。在设计大型低温 LNG 储罐结构时要考虑满足超长温度范围、足够大的承压能力、能够抗地震等自然灾害，具有优良的绝热性能，采用合理的罐顶、罐壁、罐底结构。设计的LNG低温储罐主要由预应力钢筋混凝土外罐、金属内罐、内外罐之间的保冷材料以及其他工艺仪表及管线组成。根据此本文进行了储罐的模拟操作，结合大型立式低温LNG储罐的使用属性进行结构设计，利用ANSYS进行强度分析，核验不同工况下的储罐各个部位的强度。