液化天然氣球罐設(shè)計(jì)及建造注意要點(diǎn)

朱永根（怡豐能源集團(tuán)有限公司，廣東　廣州　510610）

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液化天然氣球罐設(shè)計(jì)及建造注意要點(diǎn)

朱永根
（怡豐能源集團(tuán)有限公司，廣東廣州510610）

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及能源結(jié)構(gòu)的改變，液化天然氣（LNG）這一高效、節(jié)能環(huán)保的能源在居民生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來越廣泛。液化天然氣生產(chǎn)工藝復(fù)雜，其生產(chǎn)制備中最主要的是需要通過對(duì)原料氣進(jìn)行低溫冷卻使其液化，為便于液化天然氣的存儲(chǔ)與運(yùn)輸，液化天然氣需要保持在超低溫（-162℃）的條件下進(jìn)行儲(chǔ)存與運(yùn)輸。在液化天然氣的儲(chǔ)藏罐的形式中，液化天然氣球罐是一種能夠在超低溫情況下完成對(duì)于液化天然氣存儲(chǔ)的絕熱設(shè)備，由于需要保持在超低溫狀態(tài)下，因此在液化天然氣球罐的設(shè)計(jì)與建造過程中需要從液化天然氣球罐的結(jié)構(gòu)的可靠性、絕熱效果以及支撐隔熱等多個(gè)環(huán)節(jié)入手，做好液化天然氣球罐的設(shè)計(jì)與建造。

關(guān)鍵詞：液化天然氣球罐；設(shè)計(jì)；建造

0. 前言

天然氣是一種清潔、高效的能源，尤其是在完成對(duì)于天然氣的液化后，相較于氣態(tài)天然氣，液化后的天然氣體積僅為氣態(tài)條件下的1/625，因此做好天然氣的液化及存儲(chǔ)對(duì)于確保天然氣的利用有著積極的作用。液化天然氣在存儲(chǔ)的過程中需要保持在低溫條件下，同時(shí)隨著儲(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)間的延長，儲(chǔ)罐內(nèi)會(huì)不斷地產(chǎn)生蒸發(fā)氣并堆積在儲(chǔ)罐內(nèi)，從而使得儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力在不斷地?cái)U(kuò)大，因此在對(duì)液化天然氣球罐設(shè)計(jì)時(shí)要確保液化天然氣球罐的承壓能力，并確保液化天然氣球罐具有良好的絕熱保溫性能。

1. 液化天然氣的儲(chǔ)藏形式

在液化天然氣的儲(chǔ)藏形式中，子母罐是液化天然儲(chǔ)罐中的一種重要的形式，但是其受制于制造水平和運(yùn)輸條件的限制，使得子母罐這一液化天然氣儲(chǔ)藏形式無法完成大型化的發(fā)展與應(yīng)用。因此，需要設(shè)計(jì)建造一種新型的液化天然氣儲(chǔ)存形式，通過設(shè)計(jì)并建造大型的液化天然氣球罐來作為天然氣的儲(chǔ)存形式，其通過使用不銹鋼作為液化天然氣球罐的主要材質(zhì)完成對(duì)于儲(chǔ)存液化天然氣的低溫絕熱壓力容器的建造，為確保液化天然氣球罐的儲(chǔ)存效果，需要做好液化天然氣球罐儲(chǔ)存時(shí)的傳熱優(yōu)化、設(shè)備及管道收縮變形等的控制、液位控制以及支撐結(jié)構(gòu)的可靠性等方面的設(shè)計(jì)計(jì)算，以確保液化天然氣球罐的設(shè)計(jì)及建造質(zhì)量。采用液化天然氣球罐設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)的立式平底圓筒型雙壁液化天然氣儲(chǔ)藏罐不論是在耐壓能力、資金投入、漏熱率等方面都有著不小的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在無損儲(chǔ)存時(shí)間明顯較長，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)于液化天然氣的存儲(chǔ)。同時(shí)液化天然氣球罐相比于子母罐在容積范圍、日蒸發(fā)率以及設(shè)備投資等方面都有著較大的優(yōu)勢(shì)。液化天然氣子母罐的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2. 液化天然氣球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1液化天然氣球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

液化天然氣球罐罐體采用的是地上式單容罐的整體結(jié)構(gòu)，在罐體中分為（內(nèi)、外罐），其中，內(nèi)罐設(shè)計(jì)為完成對(duì)于液化天然氣的存儲(chǔ)，外罐采用使用低壓合金壓力容器鋼板所制造的自支撐拱頂結(jié)構(gòu)的立式圓筒型儲(chǔ)罐，為確保液化天然氣球罐的絕熱保冷效果，在液化天然氣球罐中的內(nèi)、外罐夾層之間使用膨脹珠光砂進(jìn)行填充，以確保液化天然氣球罐的低溫絕熱效果，整體式的內(nèi)罐結(jié)構(gòu)能夠更好地提高在高壓下的液化天然氣的存儲(chǔ)效果。對(duì)于液化天然氣球罐內(nèi)、外罐之間的絕熱層厚度需要在完成相應(yīng)的熱計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行確定。

在液化天然氣球罐內(nèi)徑參數(shù)的設(shè)計(jì)中，其球體內(nèi)罐的公稱直徑及體積需要根據(jù)國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成對(duì)于液化天然氣球罐罐體直徑的選取。在液化天然氣球罐內(nèi)罐存儲(chǔ)的主要是低溫液態(tài)天然氣，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)壓力小于1.0MPa，為確保液化天然氣能夠在球罐中進(jìn)行低溫存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)低溫保冷溫度為-192℃，對(duì)于液化天然氣球罐外罐的公稱直徑及體積在需要在完成對(duì)于絕熱計(jì)算的基礎(chǔ)上來進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的確定，在外罐填充絕熱體及氮?dú)猓畛錃怏w的壓力設(shè)計(jì)為0.003MPa，設(shè)計(jì)工作溫度為-19℃～50℃。液化天然氣球罐的外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

在液化天然氣球罐主體材料的選擇上，由于內(nèi)罐需要存儲(chǔ)極低溫度的液態(tài)天然氣，需要確保內(nèi)罐所使用的金屬材料在低溫下還具有良好的使用性能，在材料的選擇上選用的是0Cr18Ni9，這種材料能夠在極低溫度下仍然具有良好的韌性，其抗沖擊能力隨著溫度的降低而影響較小，同時(shí)不存在脆性轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)在低溫條件下此種材料的收縮量較小，易于加工和焊接，材料的性價(jià)比較高，因此無需選擇較厚的板材厚度。對(duì)于液化天然氣球罐外罐板材的選擇使用的是Q345R以確保其能夠取得良好的包容及絕熱效果。

液化天然氣球罐最主要的是需要確保球罐能夠保持低溫條件下的存儲(chǔ)效果，因此需要使得液化天然氣球罐的絕熱保冷的效果較為突出，液化天然氣球罐內(nèi)、外罐之間選用的是通過填充珠光砂的方式來進(jìn)行正壓堆積絕而不是抽真空的方式來進(jìn)行絕熱。為提高液化天然氣球罐內(nèi)、外罐間填充層的絕熱效果，在絕熱層內(nèi)填充微正壓的氮?dú)庖员苊獬睗竦目諝鉂B入夾層影響珠光砂的導(dǎo)熱率，同時(shí)通過在液化天然氣球罐絕熱層內(nèi)沖入微正壓的氮?dú)饪梢詫⒔^熱層內(nèi)的空氣盡量地排出以降低液化天然氣球罐泄露后天然氣與氧氣混合產(chǎn)生爆炸的幾率，同時(shí)，在液化天然氣球罐夾層中沖入氮?dú)獗阌谝夯烊粴馇蚬捱\(yùn)行時(shí)對(duì)于氣體成分的測(cè)量完成對(duì)于液化天然氣球罐的泄露監(jiān)控。

在液化天然氣球罐的接口設(shè)計(jì)上采用的是內(nèi)罐上、下進(jìn)液口與氣相口，壓力及液位測(cè)量取液口等，其中，上進(jìn)液管、氣體管及氣相取液管口主要分布在液化天然氣球罐的頂部，上進(jìn)液管在液化天然氣球罐內(nèi)部呈環(huán)裝結(jié)構(gòu)分布，物料在注入時(shí)通過分布在環(huán)裝管上的通孔進(jìn)入到液化天然氣球罐內(nèi)部，在下進(jìn)液管中需要設(shè)置相應(yīng)的彎管結(jié)構(gòu)以確保液化天然氣球罐下進(jìn)液管的液封效果。液化天然氣球罐外罐口的接口采用的是具有吸收膨脹收縮能力的裝置，以避免液化天然氣球罐外接口因內(nèi)外溫度差而導(dǎo)致的熱膨脹量變形，在接口上還需要填充絕熱材料以確保保溫效果。

在液化天然氣球罐的支撐結(jié)構(gòu)形式的選擇上使用的是4帶12的柱式混合結(jié)構(gòu)，以減少液化天然氣球罐的蒸發(fā)損失，在支撐結(jié)構(gòu)上使用支柱進(jìn)行支撐，在液化天然氣球罐的支座部分使用的是低溫合金材料以降低液化天然氣球罐的建造成本。

3. 液化天然氣球罐建造注意要點(diǎn)

3.1液化天然氣球罐板的制造

液化天然氣球罐板殼采用的是冷壓成型加工工藝，為確保液化天然氣球罐板殼的加工效果，避免球殼板在與模具之間因接觸和擠壓力分布不均而影響壓制效果，減少液化天然氣球罐壓制后板材的彈性回彈，應(yīng)在液化天然氣球罐壓制過程中施加較大的壓制壓力以減少板材的彈性回彈。

3.2液化天然氣球罐罐體的焊接

液化天然氣球罐罐體需要在低溫下進(jìn)行工作，為確保液化天然氣球罐罐體的密封性，在液化天然氣球罐罐體的焊接時(shí)需要對(duì)焊接后的低溫韌性效果進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量液化天然氣球罐焊縫在低溫沖擊下的性能及膨脹量。通過全尺寸的焊縫測(cè)試及焊縫的性能分析，決定采用E308-16的焊條作為主要的焊接材料，通過使用此種焊接作為焊接材料能夠取得較為良好的焊縫低溫特性。

3.3液化天然氣球罐內(nèi)罐的安裝焊接

液化天然氣球罐采用的是散裝拼接法進(jìn)行建造，由于液化天然氣球罐的內(nèi)罐的殼板屬于薄壁型，同時(shí)球殼板的面積較大，因此為吊裝安裝帶來了較大的難度，吊裝過程中極易因受力不均而導(dǎo)致殼板出現(xiàn)塑形變形，因此為避免出現(xiàn)吊裝變形，需要對(duì)液化天然氣球罐內(nèi)罐殼板進(jìn)行加固以提高其剛度，在液化天然氣球罐內(nèi)罐殼板的吊裝中需要采用二吊點(diǎn)的方式進(jìn)行吊裝以確保吊裝時(shí)的受力均勻性。在液化天然氣球罐內(nèi)罐的焊接過程中需要確保焊縫的密封性，同時(shí)要注意避免出現(xiàn)焊接變形影響焊接的質(zhì)量，在液化天然氣球罐內(nèi)罐焊接之前需要增加各焊縫龍門板的數(shù)量、點(diǎn)固焊的數(shù)量以及長度，在液化天然氣球罐內(nèi)罐的焊接過程中，可以通過采取分段退焊的方式進(jìn)行焊接，同時(shí)在對(duì)稱焊接的過程中要嚴(yán)格控制焊接熱的輸入以控制焊縫的變形量。在完成對(duì)于液化天然氣球罐內(nèi)罐的焊接與無損檢測(cè)后，在液化天然氣球罐內(nèi)罐中裝入與設(shè)計(jì)存儲(chǔ)液化天然氣等重量的水檢測(cè)液化天然氣球罐的沉降量，同時(shí)還需要做好對(duì)于液化天然氣球罐內(nèi)罐的耐壓氣密檢驗(yàn)，以確保液化天然氣球罐內(nèi)罐的密封效果。

3.4液化天然氣球罐的安裝

液化天然氣球罐外罐安裝在內(nèi)罐完成后進(jìn)行，在液化天然氣球罐外罐的安裝中采用倒裝法與正裝法相結(jié)合的方式進(jìn)行，拱頂在地面完成鋼結(jié)構(gòu)組焊核檢測(cè)后進(jìn)行，同時(shí)可以依靠安裝在夾層中的桅桿逐圈從頂部到底部進(jìn)行液化天然氣球罐罐壁板的安裝。

3.5液化天然氣球罐內(nèi)罐的酸洗

在液化天然氣球罐內(nèi)罐建造完成后需要對(duì)內(nèi)罐進(jìn)行酸洗以去除在液化天然氣球罐建造過程中所造成的表面污染，這些表面污染會(huì)破壞液化天然氣球罐內(nèi)罐表面的氧化膜，從而使得液化天然氣球罐內(nèi)罐的金屬板材的抗腐蝕能力大幅下降，不利于液化天然氣球罐的液化天然氣的儲(chǔ)存。同時(shí)在液化天然氣球罐建造過程中所形成的微小凹坑及夾雜會(huì)使得低溫容器的反射率大幅提高，影響液化天然氣球罐內(nèi)罐低溫容器的保溫性能。因此，在完成了對(duì)于液化天然氣球罐內(nèi)罐的建造后需要對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行拋光處理，而后對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行酸洗鈍化。

圖1液化天然氣子母儲(chǔ)存罐結(jié)構(gòu)圖

圖2液化天然氣球罐外形結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)語

液化天然氣球罐是液化天然氣的重要儲(chǔ)存形式，液化天然氣球罐儲(chǔ)存具有較強(qiáng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，尤其是在低溫溶液的存儲(chǔ)上更是具有較強(qiáng)的效果，除了能夠存儲(chǔ)液化天然氣外還能夠存儲(chǔ)其他的低溫溶液。本文在分析液化天然氣球罐結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)液化天然氣球罐建造過程中的注意要點(diǎn)進(jìn)行了分析闡述。

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中圖分類號(hào)：TQ050

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