LNG薄膜罐技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其在國內(nèi)推廣的前景

張丹，許佳偉，明紅芳，鐘曦(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

近幾十年以來，隨著天然氣液化技術(shù)的不斷成熟，全球天然氣消費(fèi)量持續(xù)提升。大型偏遠(yuǎn)氣田的天然氣液化后可輸送至管線無法到達(dá)的市場(chǎng)，已發(fā)展形成全套產(chǎn)業(yè)鏈[1]。作為液化天然氣(liquef ied natural gas，LNG)產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的存儲(chǔ)設(shè)施，也是LNG接收站建設(shè)投資最高、工期最長(zhǎng)、技術(shù)最先進(jìn)、難點(diǎn)最多的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]，LNG儲(chǔ)罐的技術(shù)發(fā)展備受業(yè)界關(guān)注。近年來，LNG儲(chǔ)罐呈現(xiàn)大型化的發(fā)展趨勢(shì)，薄膜型儲(chǔ)罐的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯[3]。文章將從國內(nèi)外薄膜罐技術(shù)研究現(xiàn)狀、薄膜罐與全容罐對(duì)比及可行性分析等方面展開論證，以明晰其在國內(nèi)的推廣應(yīng)用前景。

1 LNG儲(chǔ)罐的發(fā)展情況

按照結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行劃分，LNG儲(chǔ)罐有單容罐、雙容罐、全容罐及薄膜罐四種。在早期建設(shè)的儲(chǔ)罐多為單容罐，從1985年以后，雙容罐的建造數(shù)量增加。從2000年開始，各個(gè)國家全容罐的建設(shè)數(shù)量大幅增長(zhǎng)，很少再建設(shè)單容罐和雙容罐。目前國內(nèi)的大型LNG儲(chǔ)罐均為全容罐[4]。相比其他幾種結(jié)構(gòu)形式的儲(chǔ)罐，薄膜罐的研發(fā)應(yīng)用較晚，其優(yōu)勢(shì)在于理論上罐容沒有極限，可以設(shè)計(jì)出超大型儲(chǔ)罐[5]。

近幾十年來，隨著設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步以及相關(guān)材料的不斷發(fā)展，大型儲(chǔ)罐數(shù)量大幅增加，韓國KOGAS的Samcheok LNG接收站擴(kuò)建項(xiàng)目的儲(chǔ)罐容積達(dá)到了27萬m3[3]。目前各個(gè)國家在建的LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目中，容積在20萬m3及以上的儲(chǔ)罐所占比例越來越大，LNG儲(chǔ)罐正在向大型化不斷發(fā)展[4]。

2 薄膜型儲(chǔ)罐的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

最早的不銹鋼薄膜系統(tǒng)是由一項(xiàng)挪威專利開發(fā)而來的，該薄膜系統(tǒng)采用了正交的波紋薄膜。這些波紋薄膜應(yīng)用褶皺形式，讓薄膜對(duì)可能造成平面薄膜拉伸冷熱應(yīng)力進(jìn)行吸收。1964年，這種液體儲(chǔ)罐系統(tǒng)獲得了首個(gè)專利。該薄膜儲(chǔ)罐最初多見于LNG運(yùn)輸船上，后期慢慢轉(zhuǎn)向陸基儲(chǔ)罐。世界上第一座陸基薄膜儲(chǔ)罐位于日本根岸接收站，是容積為 10萬m3的地下罐，采用IHI技術(shù)，建于1971年。20世紀(jì)90年代日本IHI、川崎重工和法國GTT等公司就已成功進(jìn)行了20萬m3薄膜儲(chǔ)罐的技術(shù)研發(fā)工作[2]。1996年某國外機(jī)構(gòu)在分別對(duì)薄膜型儲(chǔ)罐和9%Ni鋼全容罐進(jìn)行了性能測(cè)試后作出了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。直到2006年，一些歐洲標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可了薄膜型儲(chǔ)罐與9%Ni鋼全容罐在安全性能方面同樣可靠之后，薄膜型儲(chǔ)罐才真正得到了認(rèn)證且批準(zhǔn)。

截至目前，LNG薄膜儲(chǔ)罐已成為L(zhǎng)NG行業(yè)近20年來除全容儲(chǔ)罐外另外一種市場(chǎng)占有率較高的罐型。在多個(gè)國家和地區(qū)已有近百座薄膜型儲(chǔ)罐建成，目前法國GTT、韓國KOGAS、日本IHI、MHI、KHI等多家公司，均有成功建造陸上薄膜罐(含地下儲(chǔ)罐)的工程業(yè)績(jī)。自投產(chǎn)以來，韓國KOGAS的 10座10萬m3薄膜型儲(chǔ)罐、法國GDF Suez(現(xiàn)已更名為Engie集團(tuán))的2座1.2萬m3薄膜型儲(chǔ)罐、日本Tokyo Gas的2座1.2萬m3薄膜型儲(chǔ)罐目前均正常運(yùn)行，未出現(xiàn)安全事故[6]。

3 薄膜儲(chǔ)罐與9%Ni鋼全容儲(chǔ)罐的差異

國內(nèi)常見的9%Ni鋼全容儲(chǔ)罐一般包括主容器(內(nèi)罐)和次容器(外罐)。主容器內(nèi)罐由底板、壁板組成，內(nèi)罐材料為9%Ni鋼板；外罐可主要分為樁基礎(chǔ)、鋼筋混凝土承臺(tái)、預(yù)應(yīng)力混凝土罐壁、鋼筋混凝土罐頂以及襯里五部分。內(nèi)、外罐間用絕熱材料(包括膨脹珍珠巖、彈性棉氈等)進(jìn)行絕熱保冷，控制儲(chǔ)罐LNG日蒸發(fā)率為儲(chǔ)罐總儲(chǔ)存量的0.05%。

與9%Ni鋼全容罐相比，薄膜罐的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，如圖1所示，其外罐與9%Ni鋼全容罐大致相同，均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，但絕緣填充層、罐底和內(nèi)罐結(jié)構(gòu)與全容罐均存在較大差異。薄膜罐主要包括1.2～2mm的304不銹鋼薄膜做成的主容器、絕熱層和一個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土次容器三部分。內(nèi)罐只承擔(dān)液密、氣密作用，液重等荷載通過PUF(聚氨酯泡沫)保冷材料傳遞到混凝土外罐由外罐承受。預(yù)應(yīng)力混凝土外罐需保證當(dāng)薄膜破損泄漏時(shí)能夠裝存所有液體使其不致泄漏到空氣中。理論上薄膜罐不存在罐容大小的限制問題，法國GTT也進(jìn)行了相關(guān)研究，證明了罐容在32萬m3及以上的超大型儲(chǔ)罐在技術(shù)上以及理論上的可行性。

圖1 薄膜型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意圖

由于內(nèi)罐結(jié)構(gòu)和保冷層的差異，使得薄膜儲(chǔ)罐與9%Ni鋼全容罐相比在某些方面存在一定優(yōu)勢(shì)。如薄膜罐理論上沒有容積上限；內(nèi)罐采用薄膜結(jié)構(gòu)，可降低材料消耗量和施工安裝量，一定程度上縮短工期和成本；薄膜罐保冷結(jié)構(gòu)采用大量場(chǎng)外預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)施工量較少，可縮短安裝工期2～3個(gè)月。

但薄膜型LNG儲(chǔ)罐也存在一些不利的方面，如：標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范暫時(shí)欠缺；薄膜罐內(nèi)罐一般采用船級(jí)社或?qū)＠狡髽I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無成套內(nèi)罐驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，增加了項(xiàng)目特檢和驗(yàn)收難度；專利技術(shù)來源相對(duì)單一，專利費(fèi)較高；主要材料供貨商較少，選擇受限；內(nèi)罐安裝施工條件要求苛刻。

4 薄膜罐技術(shù)在國內(nèi)推廣的前景及思考

4.1 設(shè)計(jì)

我國已具備全容罐設(shè)計(jì)能力，但在內(nèi)罐和保冷設(shè)計(jì)方面薄膜罐和常規(guī)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)方法大為不同，國內(nèi)尚沒有薄膜型LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的相關(guān)案例。在具備獨(dú)立設(shè)計(jì)能力前，需與其他已有薄膜罐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的國際公司合作，逐步實(shí)現(xiàn)獨(dú)立設(shè)計(jì)。

4.2 采購

一般來說，儲(chǔ)罐主要材料的費(fèi)用能占到整個(gè)LNG儲(chǔ)罐建造成本的一半以上，另外，材料供應(yīng)周期也直接影響施工進(jìn)度的快慢[7]。近年來，我國正在逐步擴(kuò)大國內(nèi)的LNG儲(chǔ)罐材料供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，而生產(chǎn)薄膜罐相關(guān)材料的廠家屈指可數(shù)。

4.3 施工

薄膜罐內(nèi)罐焊接難度較大，薄膜本身比較脆弱，任一損傷均有可能導(dǎo)致薄膜罐整體失效，因此對(duì)焊接技術(shù)要求較高，而且僅有80%的部位可采用自動(dòng)焊接。目前我國已有一些施工隊(duì)伍有較好的薄膜焊接技術(shù)，但對(duì)于薄膜型LNG儲(chǔ)罐的焊接仍然缺乏經(jīng)驗(yàn)。另外，薄膜罐的絕熱系統(tǒng)主要采用標(biāo)準(zhǔn)件拼裝而成，我國尚未有成熟施工隊(duì)伍可以完成絕熱系統(tǒng)部分的施工。此外，具備完整安裝陸基薄膜儲(chǔ)罐工程經(jīng)驗(yàn)的成熟施工隊(duì)伍也較為匱乏。結(jié)合采購方面的制約，上述因素可能導(dǎo)致實(shí)際施工工期和費(fèi)用突破工程計(jì)劃。

5 結(jié)語

薄膜罐相對(duì)傳統(tǒng)的9%Ni鋼全容罐在結(jié)構(gòu)、施工、建造成本等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但在國內(nèi)推廣尚存在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范欠缺、技術(shù)來源單一及材料供應(yīng)、施工經(jīng)驗(yàn)等方面的不足。若直接在國內(nèi)推廣大型陸基薄膜儲(chǔ)罐還存在一定的技術(shù)、質(zhì)量、工期和成本方面的不可控風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于薄膜罐技術(shù)在國內(nèi)推廣的模式，建議集中國內(nèi)設(shè)計(jì)、供貨、施工、檢驗(yàn)等方面的優(yōu)勢(shì)力量，依托特定工程項(xiàng)目，先進(jìn)行小型薄膜儲(chǔ)罐的工程化，并在工程化過程中積累經(jīng)驗(yàn)，待經(jīng)驗(yàn)成熟、市場(chǎng)成熟之后，再將薄膜罐技術(shù)推廣應(yīng)用至大型LNG儲(chǔ)罐。