大型LNG储罐建造工艺

2023-02-12曹珂宁吕文成董向锋董雷

中国储运 2023年9期

文/曹珂宁吕文成董向锋董雷

随着全球燃料供应日趋紧缺，天然气在全球燃料构成尤其是一次能源的比例将逐步提高。LNG（液化天然气）储罐是液化天然气充装站的主要装置，它在天然气产业链上扮演调峰储配的作用。到目前为止中国还缺失液化天然气贮罐标准，尤其是大型低温LNG储罐设计与建造规范，目前在规范制定上正迎头赶上一些先进国家。加大对LNG储罐技术的研发对于加快中国天然气产业的健康发展，以及缓解环保问题和能源危机，都有着非常关键的现实意义。本文介绍了液化天然气的优点，并根据储罐不同的用途和类型对LNG储罐进行分类，介绍了常见储罐施工程序，并指出了液化天然气储罐向大型化的趋势演变。液化天然气是一种高效、清洁的能源，涉及的物理参数有压力、温度、流量、焓、熵等；液化的天然气存放在特殊的储罐里，通过半挂车、列车、船舶等交通手段运送LNG，再通过超低温保冷储罐贮存、再气化的方法提供下游使用。LNG提气方法和常规燃气运输方法比较，LNG热值高，能覆盖没有天然气气源的地区，无毒无害等优点。

1.液化天然气（LNG）的优点

液化天然气热值高，每立方米天然气能释放八千到1万卡的热量。天然气的气源经常离应用场所比较远，长输管道受运力、环境等因素影响较大，成本高昂，而LNG比常压天然气体积缩小600倍，大大缩减储存体积。同时，由于LNG的比重不到水的一半且不溶于水，使得LNG在储运等方面具有明显的优势。LNG储存效率高，燃烧后基本上不产生污染，LNG作为城市应急储备调峰能源，在供气充足时把天然气液化后储存起来，在城市需求天然气高峰时在气化输进城市管网，具有重大应用价值。

2.LNG储罐概述

LNG储罐是液化天然气接收站的主要设备。按储罐结构可分为半球形罐、单罐、双罐、满罐和膜罐。单罐外罐一般采用普通碳钢，但不能承载低温液化天然气。整体设计需要较大的安装高度和地理范围，还需要安装防火墙。单罐工作压力小，卸载后气体返回时应设置风机。但单容罐投资也相对较小。由于它们的可靠性不如其他类型的储罐，近年来在生产工厂和接收站也较少使用。双罐用耐低温的金属片或混凝土外罐，当内缸泄漏时，内部气体也会泄漏，而低液位高度时不会漏气,且稳定性也较单罐为高。因此一般不要求有风火墙,但安全防护间距有较高要求。全罐结构主要使用了9%的镍钢内筒，9%镍钢或混凝土外筒和顶盖结构。外瓶能接收从内瓶中泄漏的液化天然气和气体，无泄漏，安全性高。为其他设备充气时，可将蒸发气体通过罐内自身压力充入充气系统，节省了压力装置，减少了运行投资。对罐的设计选择应结合应用场所、建设资金、运行时间、环境等综合情况考量[1]。

3.LNG储罐设计

LNG储罐的设计主要涉及储罐的类型选择与设置方式二方面。

3.1 储罐选型。LNG储罐一般分成单容罐、双容罐、全容罐、球形罐等几类，罐通常由内罐与外罐构成，内、外罐内填保冷料。

3.1.1 单容罐。单容罐采用内罐顶和外观拱顶结构。内罐用于装液化天然气，外罐用于装蓄冷材料和闪蒸。单容罐通常可在避开人口密集区、不易于发生灾害性损坏(比如火灾事故等)的地方采用，即对其采用的安全距离和区域面积都有相应的要求。由于容易泄露也是实际应用中面临的一个问题，所以，对其安全检测与操作条件的要求也较高，必须设有防火堤[2]。因为单容罐的稳定性较低，所以近年来在LNG制造厂和收集站中已较少应用。

3.1.2 双容罐。双容罐由单容罐和混凝土或低温钢制成的高围堤构成。如内筒泄漏，气体会泄漏，但液体不会泄漏，增加外部安全性。相对的，在外部的隐患出现后，其内筒有一定的防护能力，安全性较高。按照国家相关标准，双罐不需要单独设置防火墙，但要求有较大的安全防护距离。事故发生时，LNG罐中大量气体泄漏，但装置控制系统仍在工作。双罐造价也略高于单罐，约为单罐的1.1倍，但低于满罐(约1/10~21/5)，施工时间也略长于单罐。

3.1.3 全容罐。内罐通常用9%镍钢制成，外罐、顶、底板用9%镍钢或混合土制成。外罐与内罐的相互间隙约为1.0~2.0m，允许内罐的LNG气体泄漏到外罐，可大大减少火灾事故的发生全容罐的外部罐体能承受从内罐泄露的LNG及其气体气，而不致向外部泄露，对比双容罐安全保护范围也小了不少。如意外出现，对设备的检测以及物料的运输依然能够持续。当使用金属材料顶罩时，全容贮罐的设计工作工作压力与单容罐和双容罐的设计要求相同。当使用混泥土顶罩(内设置铝顶板)时，虽安全性能提高，但建设投资也随之提高。全容罐具有混凝土的外壁，承受外来物体的打击和热辐射性能较强，具有良好的耐受性。目前使用的全容式LNG储罐容积多为5000m3-50000m3。

3.2 LNG储罐选择及比较。LNG罐型的选用条件是安全可靠、投资小、寿命长、工艺完善、系统具有高整体性、易于制造以及整套设备的运行投资少[3]。LNG储罐选择因素有:①单容罐的BOG处理时间较大，后期的运行费用较高。②双容罐和单容罐都要求的安装高度，并必须安装返回气鼓风机，运行费用也较高。③全容罐费用稍高于双容罐，双容罐仍优于单容罐价格。④全容罐的稳定性良好，运行时间也较低，并可带来额外的安全和技术价值(较高的操作压力)。在容积要求比较大的应用场所比如城市燃气调峰储气要求的储罐，一般都是全容罐。全容罐建造简介：地上式全容罐一般由内外两层绝热立体式平底圆柱构成。与LNG直接接触的内罐主要采用从意大利引进的9%Ni钢，外罐罐壁为顶应力钢筋混凝土，罐顶有悬挂式支撑构建，外罐与内罐之间采用珠光砂、弹性玻璃纤维保冷，罐底采用泡沫玻璃砖等材料保冷绝热。

4.LNG储罐施工

4.1 内罐罐壁施工。LNG储罐内罐要储存-163℃的液化天然气，内罐材料和焊接水平要求非常高。经过反复实践比较，现在一般使用9%Ni钢，因为9%Ni钢有很高的机械强度，良好的焊接性能和优异的超低温性能因而被广泛应用。金属罐的安装工艺分两类：正装法和倒装法，正装法是从罐壁为基础生活依次拼装焊接，最后组焊完成了顶部护墙板、抗风圈和顶端包边角钢板，包括外部脚手架安装方法和内部挂式模板安装方法；在铺设焊接好水箱底板后，先将顶部面板和角钢板组装焊接好，再将水箱顶部组装焊接好，再将每一层墙板从上到下组装焊接好，直到底板。此外，还有中心立柱安装法、侧壁倒置法、充气顶升法、水浮顶升法等。

4.2 外罐罐壁施工。LNG罐的外罐施工关键工序:桩基施工—安装塔式起重机—支承架施工—罐壁施工—外环梁施工—穹顶施工[4]。

4.2.1 桩基工程。桩基施工成为整体储罐建造的一步，必须充分考虑所在位置的地质条件。LNG储罐重量很大，如果没有牢固的岩石面基础通常必须打很深的预应力混凝土桩，通过混凝土桩和岩石地层的摩擦力成为罐体的基础。

4.2.2 塔吊及布料机布置原则。储罐结构高度较高,建筑跨度大，建筑物料的水平和垂直搬运都相对频繁，因此为了适应储罐的建筑要求，从承台浇筑起就必须投入大批的建筑施工机具。

4.2.3 承台施工。铸造过程：浇筑混凝土地面-台阶绑扎—铺设减振器橡胶垫—铺设承台—铺设木底座—安装平台模具—铺设承台—铺设承台地下室内承杆—铺设钻孔弯曲直径测量管—铺设施工缝内钢网—承台内环被分成四块，对称，浇筑混凝土与养护—铺设帽座地下室外环—铺设外竖向钢筋直径与环波纹管—铺设帽座槽壁嵌件直径与导壁挂模—铺设帽座内模—盖板外环共四块，对称浇筑混凝土并养护。

4.2.4 墙板施工。罐壁第一层浇筑，在施工完成的孔壁及导墙内固定径性钢杆—稳定外立杆及低温钢筋直径网块—安置径性钢杆及内外钢筋直径网块—安置竖向环向预应力箍筋—安置竖向环向预留洞—稳定外拉钩钢筋直径—安置多卡内钢筋支撑槽钢—安置竖向围领或剪切机架—安置内钢筋—安置定位锥—安置外钢筋—安置内对拉螺杆—模板合拢校正—浇注混泥土[5]。

4.2.5 环梁施工。模板上放置承压环F式模板,其余均同标准层。环梁施工：由机械施工单位完成承压水板环—捆扎钢径—安装波纹管—安放埋件—混凝土环梁12a混合泥土—提升内外侧多卡模板的三级过程。

4.2.6 钢穹顶气升顶施工。拆掉了内侧的多卡模板及三层平台，由机械施工单元以钢穹丘气升顶。环梁施工工艺：安装钢筋捆扎直径—安装预应力箍筋—安装施工缝扣板网—施工环梁水泥—安装环梁栏杆搀扶—拆除外侧钢筋。

4.2.7 穹顶施工。分阶段的钢筋直径绑扎—施工缝扣板网安装—混泥土浇筑，根据建筑图样规定，一般自下而上分成6~8根圆环浇筑。

4.3 外罐的护角。包边由带边缘挡板的第二个底板、垂直罐壁和带密封圈的锚板所构成。包边系统必须充分考虑由正常操作和非正常情况下的泄漏所造成的第二个底板和壁面的压缩和扩张，也必须充分考虑由环隙空间的LNG系统自动控制的从最小泄漏状况(冷量影响+液态静压)到最高泄漏状况，即外罐全面满足泄漏LNG(冷量影响+液态静压)的现象。在所有载荷状况下，包边系统均可避免液体的泄漏。包边内的空气压强应与罐的压强相平衡。用作包边的材料与内罐的钢材相同。

4.4 外罐罐底、罐壁衬板和罐顶。外罐的罐底、罐壁衬板和罐顶基础上要安装衬板层，以避免水蒸气从混泥土外罐吸入或蒸发后气体从混泥土外罐逸出。