LNG薄膜罐技术发展现状及其在国内推广的前景

2021-04-23张丹许佳伟明红芳钟曦中海石油气电集团有限责任公司北京100028

化工管理 2021年5期

张丹，许佳伟，明红芳，钟曦(中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028)

0 引言

近几十年以来，随着天然气液化技术的不断成熟，全球天然气消费量持续提升。大型偏远气田的天然气液化后可输送至管线无法到达的市场，已发展形成全套产业链[1]。作为液化天然气(liquef ied natural gas，LNG)产业链中不可或缺的存储设施，也是LNG接收站建设投资最高、工期最长、技术最先进、难点最多的关键环节[2]，LNG储罐的技术发展备受业界关注。近年来，LNG储罐呈现大型化的发展趋势，薄膜型储罐的优势逐渐凸显[3]。文章将从国内外薄膜罐技术研究现状、薄膜罐与全容罐对比及可行性分析等方面展开论证，以明晰其在国内的推广应用前景。

1 LNG储罐的发展情况

按照结构形式进行划分，LNG储罐有单容罐、双容罐、全容罐及薄膜罐四种。在早期建设的储罐多为单容罐，从1985年以后，双容罐的建造数量增加。从2000年开始，各个国家全容罐的建设数量大幅增长，很少再建设单容罐和双容罐。目前国内的大型LNG储罐均为全容罐[4]。相比其他几种结构形式的储罐，薄膜罐的研发应用较晚，其优势在于理论上罐容没有极限，可以设计出超大型储罐[5]。

近几十年来，随着设计和施工技术的不断进步以及相关材料的不断发展，大型储罐数量大幅增加，韩国KOGAS的Samcheok LNG接收站扩建项目的储罐容积达到了27万m3[3]。目前各个国家在建的LNG储罐项目中，容积在20万m3及以上的储罐所占比例越来越大，LNG储罐正在向大型化不断发展[4]。

2 薄膜型储罐的发展及研究现状

最早的不锈钢薄膜系统是由一项挪威专利开发而来的，该薄膜系统采用了正交的波纹薄膜。这些波纹薄膜应用褶皱形式，让薄膜对可能造成平面薄膜拉伸冷热应力进行吸收。1964年，这种液体储罐系统获得了首个专利。该薄膜储罐最初多见于LNG运输船上，后期慢慢转向陆基储罐。世界上第一座陆基薄膜储罐位于日本根岸接收站，是容积为 10万m3的地下罐，采用IHI技术，建于1971年。20世纪90年代日本IHI、川崎重工和法国GTT等公司就已成功进行了20万m3薄膜储罐的技术研发工作[2]。1996年某国外机构在分别对薄膜型储罐和9%Ni钢全容罐进行了性能测试后作出了质量风险评价。直到2006年，一些欧洲标准认可了薄膜型储罐与9%Ni钢全容罐在安全性能方面同样可靠之后，薄膜型储罐才真正得到了认证且批准。

截至目前，LNG薄膜储罐已成为LNG行业近20年来除全容储罐外另外一种市场占有率较高的罐型。在多个国家和地区已有近百座薄膜型储罐建成，目前法国GTT、韩国KOGAS、日本IHI、MHI、KHI等多家公司，均有成功建造陆上薄膜罐(含地下储罐)的工程业绩。自投产以来，韩国KOGAS的 10座10万m3薄膜型储罐、法国GDF Suez(现已更名为Engie集团)的2座1.2万m3薄膜型储罐、日本Tokyo Gas的2座1.2万m3薄膜型储罐目前均正常运行，未出现安全事故[6]。

3 薄膜储罐与9%Ni钢全容储罐的差异

国内常见的9%Ni钢全容储罐一般包括主容器(内罐)和次容器(外罐)。主容器内罐由底板、壁板组成，内罐材料为9%Ni钢板；外罐可主要分为桩基础、钢筋混凝土承台、预应力混凝土罐壁、钢筋混凝土罐顶以及衬里五部分。内、外罐间用绝热材料(包括膨胀珍珠岩、弹性棉毡等)进行绝热保冷，控制储罐LNG日蒸发率为储罐总储存量的0.05%。

与9%Ni钢全容罐相比，薄膜罐的结构更为复杂，如图1所示，其外罐与9%Ni钢全容罐大致相同，均为预应力混凝土结构，但绝缘填充层、罐底和内罐结构与全容罐均存在较大差异。薄膜罐主要包括1.2～2mm的304不锈钢薄膜做成的主容器、绝热层和一个预应力混凝土次容器三部分。内罐只承担液密、气密作用，液重等荷载通过PUF(聚氨酯泡沫)保冷材料传递到混凝土外罐由外罐承受。预应力混凝土外罐需保证当薄膜破损泄漏时能够装存所有液体使其不致泄漏到空气中。理论上薄膜罐不存在罐容大小的限制问题，法国GTT也进行了相关研究，证明了罐容在32万m3及以上的超大型储罐在技术上以及理论上的可行性。

图1 薄膜型储罐结构示意图

由于内罐结构和保冷层的差异，使得薄膜储罐与9%Ni钢全容罐相比在某些方面存在一定优势。如薄膜罐理论上没有容积上限；内罐采用薄膜结构，可降低材料消耗量和施工安装量，一定程度上缩短工期和成本；薄膜罐保冷结构采用大量场外预制，现场施工量较少，可缩短安装工期2～3个月。

但薄膜型LNG储罐也存在一些不利的方面，如：标准、规范暂时欠缺；薄膜罐内罐一般采用船级社或专利方企业标准，无成套内罐验收标准，增加了项目特检和验收难度；专利技术来源相对单一，专利费较高；主要材料供货商较少，选择受限；内罐安装施工条件要求苛刻。

4 薄膜罐技术在国内推广的前景及思考

4.1 设计

我国已具备全容罐设计能力，但在内罐和保冷设计方面薄膜罐和常规储罐的设计方法大为不同，国内尚没有薄膜型LNG储罐设计的相关案例。在具备独立设计能力前，需与其他已有薄膜罐设计经验的国际公司合作，逐步实现独立设计。

4.2 采购

一般来说，储罐主要材料的费用能占到整个LNG储罐建造成本的一半以上，另外，材料供应周期也直接影响施工进度的快慢[7]。近年来，我国正在逐步扩大国内的LNG储罐材料供应网络，而生产薄膜罐相关材料的厂家屈指可数。

4.3 施工

薄膜罐内罐焊接难度较大，薄膜本身比较脆弱，任一损伤均有可能导致薄膜罐整体失效，因此对焊接技术要求较高，而且仅有80%的部位可采用自动焊接。目前我国已有一些施工队伍有较好的薄膜焊接技术，但对于薄膜型LNG储罐的焊接仍然缺乏经验。另外，薄膜罐的绝热系统主要采用标准件拼装而成，我国尚未有成熟施工队伍可以完成绝热系统部分的施工。此外，具备完整安装陆基薄膜储罐工程经验的成熟施工队伍也较为匮乏。结合采购方面的制约，上述因素可能导致实际施工工期和费用突破工程计划。