LNG低溫儲罐的設(shè)計及建造技術(shù)要點分析

吳樹勤

（中建電力建設(shè)有限公司，北京 100000）

近年來伴隨非可再生能源量的日漸緊缺，全球的天然氣消費量顯著增加，截止到目前，天然氣已經(jīng)成為全球能源消費結(jié)構(gòu)中占比37.2%的重要能源，而對于天然氣的存儲技術(shù)與設(shè)備也被各國所重視。考慮到傳統(tǒng)LNG低溫儲罐消耗空間小、安全性能顯著，所以必須把握儲罐建造技術(shù)要點，滿足其設(shè)計要求。

1 LNG低溫儲罐的基本結(jié)構(gòu)特點與設(shè)計要求

1.1 LNG低溫儲罐的基本結(jié)構(gòu)特點

LNG低溫儲罐中包含單容罐、雙容罐以及全容罐三大結(jié)構(gòu)類型。它們一般都應(yīng)用到了鋼制材料，主容器部分主要用于存儲液態(tài)天然氣，而穹頂空間則主要存儲蒸汽，另外還有次容器用于收集存儲液態(tài)泄漏物。通常情況下，LNG低溫儲罐的儲藏安全性能表現(xiàn)良好，不過其儲藏花費成本也相對偏高，因此有必要對其基本結(jié)構(gòu)進行改造，例如可采用低成本的型鋼骨架，在骨架上再焊接一層薄鋼板即可。

1.2 LNG低溫儲罐設(shè)計要求

1.2.1 材料要求

LNG屬于低溫液化后的天然氣，它被儲存于常壓絕熱容器之中，以液體形式存在，而使用時則需要進行氣化處理。因此一般情況下LNG低溫儲罐的設(shè)計溫度在-170℃左右，設(shè)計過程中應(yīng)該首先使用氮氣材料進行冷凝處理，調(diào)整其溫度至低溫狀態(tài)，實際設(shè)計時可將溫度調(diào)節(jié)到最低-195℃。而為了保證天然氣常壓液化儲存，需要適當降低儲罐壁厚，同時也要保證其安全性能，設(shè)計制造時選擇9Ni鋼，外部材料則選擇鋼筋混凝土，確保其抗拉強度可保持在至少25kPa以上。當然，考慮到LNG低溫儲罐中所儲存的是低溫液體，所以要避免液體泄漏導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生，考慮到罐體內(nèi)外溫差最高可達到200℃，所以必須保證罐體具有極佳的承壓能力，避免其過度損壞，在罐體設(shè)計制作過程中應(yīng)該做好抗壓與抗震實驗。

1.2.2 壓力實驗要求

要采用氣壓實驗對儲罐設(shè)計壓力進行合理控制，確保其能夠承受正壓力的1.25倍。氣壓實驗要與水壓實驗并行展開，水壓實驗一般在罐體蒸汽儲存空間展開，在實驗過程中要控制好壓力值，例如可打開釋放閥，在保證一段高壓力值后再將壓力降低，此時也要對所有焊接頭展開肥皂溶液實驗，配合焊接接頭真空實驗展開，滿足儲罐在承壓狀態(tài)下也能合理設(shè)定壓力，充分考慮儲罐外壓入空氣與蒸汽空間之間的相互關(guān)系。最后在實驗完畢后需要進行排空檢查，確保空罐使用滿足設(shè)計壓力中的空氣壓力要求，同時在底部焊接部分對混凝土結(jié)構(gòu)進行全面檢查。

目前國內(nèi)在建造LNG低溫儲罐過程中會實施氣壓升頂實驗，即技術(shù)人員準確把控儲罐內(nèi)外壓力差（在儲罐穹頂位置操作）。舉例來說，在針對總重量為800t的低溫儲罐時，需要參考300mm/min速度對穹頂結(jié)構(gòu)與儲罐頂部指定位置進行氣壓升頂實驗，保證在3h限定范圍內(nèi)實驗至少50m的升頂距離，測試穹頂承壓環(huán)能力，看其是否能夠合理化聚合，如此是為保證儲罐建造成果更加穩(wěn)固，建造形式實施到位。

1.2.3 抗震要求

一旦出現(xiàn)地震災(zāi)害，LNG低溫儲罐就會面臨巨大風(fēng)險，即在地震巨大作用力的沖擊下，儲罐會被破壞（一般為儲罐壁下部分被破壞）。在這一過程中需要展開抗震實驗，計算地震所帶來實際影響，結(jié)合地區(qū)內(nèi)的抗震設(shè)防等級與場地類別展開分析判定。這其中要參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，進而展開LNG低溫儲罐分析與設(shè)計。

1.2.4 成本要求

在LNG低溫儲罐設(shè)計與建造過程中需要滿足設(shè)計方案的強度與安全性條件，同時盡量控制其設(shè)計建造成本，減少材料消耗。這里需要分析到材料設(shè)計成本問題，考慮到目前采用國外鋼材的價格偏高，所以國內(nèi)的LNG低溫儲罐一般會選擇采用國內(nèi)太鋼、鎳鋼材料，這些材料都能在超低溫狀態(tài)下作為壓力容器的主要材料存在，它們在焊接性與韌性表現(xiàn)方面非常突出，且消耗成本更低，可為LNG低溫儲罐生產(chǎn)提供較大利潤空間，滿足液化天然氣生產(chǎn)經(jīng)濟性要求。

結(jié)合上述針對LNG低溫儲罐的設(shè)計要求，可了解到目前全球范圍內(nèi)的LNG低溫儲罐設(shè)計形式是非常豐富的，例如我國就提出了一系列的自主設(shè)計形式，希望借此機會體現(xiàn)LNG低溫儲罐建造技術(shù)優(yōu)勢，保證其建造過程中經(jīng)濟性與安全性有所提高。在國內(nèi)，擁有30 000m3容積的大型LNG低溫儲罐已經(jīng)建成，且其建造技術(shù)正在趨于成熟。例如國內(nèi)某省的LNG低溫儲罐項目，其總?cè)莘e達到18×104m3，其中擁有堅固的混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力筋穿束，在張拉類型與灌漿方法方面表現(xiàn)突出。在保證儲罐建造結(jié)構(gòu)合理方面，它采用到了優(yōu)化過的絕熱結(jié)構(gòu)，配合專業(yè)機械設(shè)備實現(xiàn)了對工藝流程的全面整合，從整體上提高了建造技術(shù)的應(yīng)用效果。另外，其它地區(qū)的LNG低溫儲罐建造項目也建造了罐體高度為51m的儲罐，其在設(shè)計過程中就采用到了型鋼球狀骨架，大幅提高了儲罐的內(nèi)部襯板強度，它在設(shè)計建造過程中采用到了氣吹頂升實驗實現(xiàn)有效加固，同時增加罐體密實度。總體來講，目前國內(nèi)針對LNG低溫儲罐的自主設(shè)計形式還是頗為豐富的，他們在設(shè)計建造過程中增設(shè)加強筋，如此可達到較好的加固效果，同時確保關(guān)注導(dǎo)管接頭與外徑照比鋼筋籠內(nèi)徑尺寸縮小至少100mm，如此可滿足儲罐基本建造標準，確保LNG低溫儲罐設(shè)計合理化。

2 LNG低溫儲罐的建造技術(shù)要點實踐應(yīng)用分析

LNG低溫儲罐的建造技術(shù)要點豐富，它在實踐應(yīng)用方面表現(xiàn)多元，主要針對儲罐管口的傳熱優(yōu)化建造技術(shù)進行分析。

2.1 LNG低溫儲罐罐頂管口傳熱有限元的分析

LNG低溫儲罐均采用金屬雙鋼壁，需要對罐頂管口進行傳熱分析，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，主要是對環(huán)板、熱套管外表面溫度進行測量，避免其出現(xiàn)結(jié)露或結(jié)冰現(xiàn)象，并在熱套管外側(cè)設(shè)置保冷層，控制結(jié)點處溫度過度下降。所以說在罐頂管口設(shè)計時，需要保證其熱套管與罐頂結(jié)合位置溫度滿足材質(zhì)性能要求，基于此設(shè)計罐頂管口傳熱有限元，滿足結(jié)露、結(jié)冰設(shè)計要求，最大限度減少外界影響因素對罐頂板網(wǎng)殼所產(chǎn)生的過度承載影響。

2.2 LNG低溫儲罐套管防結(jié)露結(jié)冰設(shè)計

LNG罐頂內(nèi)表面氣相空間溫度一般會控制在13℃左右，其露點溫度則可控制在11.50℃左右，如果環(huán)境溫度降低，套管外保冷層厚度也會有所減小，如此對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常有利的，所以在設(shè)計建造過程中應(yīng)該參考當?shù)囟緶囟葘嶋H情況條件進行分析、設(shè)計與建造，確保管口結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)合理，并提出具體的計算模型網(wǎng)格。在滿足套管防結(jié)冰設(shè)計過程中，需要確保管口結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足兩個基本條件：①保證熱套管罐頂結(jié)合位置設(shè)計溫度在-15℃以上；②保證熱套管外側(cè)與保冷層表面溫度控制在0℃以上。在這一過程中，需要采用到穩(wěn)態(tài)傳熱計算實驗，分析優(yōu)化其管口結(jié)構(gòu)溫度場內(nèi)容，保證熱套管與罐頂板交接位置最高溫度控制在5.0℃以上。另外在結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計方面需要滿足罐頂板材質(zhì)要求，確保最低耐溫限值為≥-15℃。在這一建造過程中，需要了解到熱套管外表面會出現(xiàn)結(jié)露問題，所以要將其表面溫度控制在環(huán)境冰點溫度之上，避免套管外側(cè)發(fā)生結(jié)冰問題，即要建設(shè)套管防結(jié)冰設(shè)計體系。

2.3 LNG低溫儲罐罐頂管口結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

在優(yōu)化LNG低溫儲罐罐頂管口結(jié)構(gòu)尺寸過程中，需要了解其管口傳熱過程，分析環(huán)形空間背景下的保冷層厚度，避免其對管口傳熱產(chǎn)生影響，具體來說就要分析其中的耦合關(guān)聯(lián)與制約關(guān)系，合理滿足材料耐溫與防結(jié)冰設(shè)計要求。總體來說，確保參數(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸滿足最小值優(yōu)化，設(shè)置管口載荷最小限值，如此對儲罐罐頂網(wǎng)殼的設(shè)計優(yōu)化有好處。在設(shè)計過程中，也要采用到ANSYS Workbench軟件，了解Design Exploration工具內(nèi)容，結(jié)合多變量、多目標優(yōu)化設(shè)計相應(yīng)管口平臺，優(yōu)化管口設(shè)計建造算法。具體來說，可通過尺寸變化搜索分析約束條件，明確管口設(shè)計的最小值與最優(yōu)解。

在LNG低溫儲罐罐頂管口結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計過程中，也要采用到Screening Optimization Method實施優(yōu)化設(shè)計，并建立敏感性分析技術(shù)體系，確保不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對罐頂板結(jié)合溫度設(shè)計到位。同時也要了解熱套管變化，分析其影響大小，結(jié)合客觀分析規(guī)律對管口結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，特別要關(guān)注在設(shè)計建造過程中的幾個重要的敏感性參數(shù)，比如說熱套管的爆冷厚度、外側(cè)表面溫度等。在建造環(huán)節(jié)，需要結(jié)合罐頂管口結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)尺寸進行溫度場建造分析，結(jié)合分析結(jié)果進行圓整處理，以滿足罐頂防結(jié)冰設(shè)計要求，確保LNG低溫儲罐建造科學(xué)合理到位。

整體來說，要充分運用ANSYS有限元分析軟件對LNG儲罐罐頂管口進行設(shè)計與建造，了解ANSYS軟件模塊優(yōu)化設(shè)計過程，確保套筒高度合理化，同時改善套筒以及罐頂管口的保冷厚度與保冷段長度。在建造過程中，可了解到影響熱套管與罐頂管口的主要參數(shù)因素就是套筒高度，所以在建造過程中必須提前做好參數(shù)調(diào)整工作，結(jié)合設(shè)計建造方法與分析結(jié)果了解低溫儲罐管口結(jié)構(gòu)基本內(nèi)容，確保設(shè)計建造過程具有參考指導(dǎo)價值意義。

3 結(jié)束語

詳細解讀了當前液化天然氣生產(chǎn)中的核心項目——LNG低溫儲罐的設(shè)計與建造技術(shù)要點相關(guān)內(nèi)容。在研究中基本明確了其設(shè)計標準與理論依據(jù)，希望結(jié)合不同技術(shù)要求分析其技術(shù)標準規(guī)范與改良關(guān)鍵要點，形成儲罐建造技術(shù)體系。具體來講就是結(jié)合所選用材料分析影響LNG低溫儲罐強度的諸多設(shè)計要求條件，結(jié)合科學(xué)理性分析確保罐體滿足設(shè)計要求，并能夠順利建造。確保液化天然氣存儲與供應(yīng)滿足生產(chǎn)需要，也為其安全生產(chǎn)提供可靠技術(shù)支持與保障。