大型LNG混凝土全容罐罐底絕熱用承壓泡沫玻璃磚

蘇展 揚(yáng)帆 郭琦 許佳偉

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 10028）

關(guān)鍵字：LNG；全容罐；絕熱材料；承壓；泡沫玻璃磚

1 前言

液化天然氣（LNG）是一種-160℃的低溫常壓液體，LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站中的存儲(chǔ)單元，承擔(dān)LNG貨物儲(chǔ)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵功能，LNG儲(chǔ)罐包括單容罐、雙容罐、全容罐、薄膜罐等類(lèi)型，其中LNG混凝土全容罐因其安全性和經(jīng)濟(jì)性成為世界上絕大多數(shù)LNG接收站配套存儲(chǔ)單元的主流類(lèi)型[1]。大型LNG全容儲(chǔ)罐的凈容積在16×104m3以上，超大型LNG儲(chǔ)罐可達(dá)到30×104m3[2]。由于LNG儲(chǔ)罐沒(méi)有主動(dòng)制冷功能，主要靠絕熱系統(tǒng)維持深冷狀態(tài)，其中作為罐底主要絕熱材料的泡沫玻璃磚，需要承載整個(gè)LNG全容罐的九鎳鋼內(nèi)罐及裝填LNG荷載，關(guān)乎LNG儲(chǔ)罐的絕熱性能和結(jié)構(gòu)性能，是影響LNG儲(chǔ)罐工程質(zhì)量的關(guān)鍵材料之一。

2 LNG全容罐罐底絕熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LNG混凝土全容罐由直接接觸盛裝低溫LNG的九鎳鋼內(nèi)罐主容器和具有氣-液密性的混凝土外罐次容器組成。主容器和次容器之間為儲(chǔ)罐絕熱系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)外罐起絕熱保護(hù)作用。LNG全容罐絕熱系統(tǒng)的主要絕熱材料包括罐底泡沫玻璃磚、內(nèi)罐壁側(cè)彈性玻璃棉氈、內(nèi)外罐壁環(huán)形空間膨脹珍珠巖粉末、吊頂玻璃棉等，見(jiàn)圖1。

圖1 LNG混凝土全容罐絕熱系統(tǒng)示意圖

罐底絕熱系統(tǒng)位于九鎳鋼內(nèi)罐底板以下、碳鋼外罐底板以上部位，見(jiàn)圖2，自下而上分別由混凝土找平層、泡沫玻璃磚、瀝青氈夾層、混凝土承壓環(huán)梁、填縫玻璃棉、干砂找平層和九鎳鋼二次底板等組成，其中起主要絕熱作用的材料是泡沫玻璃磚。

圖2 LNG混凝土全容罐罐底絕熱系統(tǒng)示意圖[3]

罐底絕熱用泡沫玻璃磚除了滿足-168℃的耐低溫設(shè)計(jì)溫度，還需要承載上部主容器的荷載，因此要求具有一定的承壓能力。泡沫玻璃磚是脆性材料，應(yīng)根據(jù)許用應(yīng)力理論進(jìn)行罐底絕熱系統(tǒng)力學(xué)承壓能力校核，并考慮正常操作、水壓試驗(yàn)、操作基準(zhǔn)地震（OBE）、安全停運(yùn)地震（SSE）等四種工況下對(duì)許用抗壓強(qiáng)度的要求。LNG儲(chǔ)罐罐底泡沫玻璃磚一般分為邊緣區(qū)域和中心區(qū)域兩部分，邊緣區(qū)域的泡沫玻璃磚需額外承受內(nèi)罐壁板和承壓環(huán)梁的荷載，因此需要選用更高抗壓強(qiáng)度的規(guī)格。

泡沫玻璃磚的絕熱性能與其獨(dú)特的內(nèi)部封閉微小氣孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，每個(gè)氣孔的直徑約1mm~2mm，絕熱用泡沫玻璃磚的體積閉孔率一般超過(guò)80%。高強(qiáng)度泡沫玻璃磚為了提高承載能力，需要加強(qiáng)材料內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)，閉孔率相對(duì)減小，質(zhì)地相對(duì)偏硬，密度相對(duì)偏大，絕熱性能相對(duì)減弱。因此，LNG儲(chǔ)罐罐底絕熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的相互關(guān)系進(jìn)行泡沫玻璃磚選型，常見(jiàn)的LNG全容罐罐底泡沫玻璃磚規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 LNG混凝土全容罐罐底承壓泡沫玻璃磚常見(jiàn)規(guī)格和參數(shù)指標(biāo)

3 承壓泡沫玻璃磚生產(chǎn)工藝

泡沫玻璃磚由玻璃顆粒添加發(fā)泡劑和添加劑后高溫熔化、發(fā)泡、退火而成。生產(chǎn)原料可以是成本較低的廢棄碎玻璃，也可以是利用石英砂、長(zhǎng)石、白云石、純堿等按一定配比高溫熔制、均勻無(wú)氣泡的純玻璃[4]。LNG儲(chǔ)罐承壓用泡沫玻璃磚的生產(chǎn)一般執(zhí)行ASTM C552標(biāo)準(zhǔn)，采用自制高溫玻璃液水淬形成的直徑約5mm的玻璃顆粒為原料，烘干到含水率低于0.01%后，加入以炭黑為原料的發(fā)泡劑利用球磨機(jī)進(jìn)行混合，再裝入模盒中填料并振實(shí)，送入高溫發(fā)泡窯完成預(yù)熱、燒結(jié)、發(fā)泡、冷卻，脫模后進(jìn)入退火窯退火降溫和消除應(yīng)力，退火后的泡沫玻璃毛坯按照制作要求切割成不同尺寸的泡沫玻璃磚，見(jiàn)圖3。目前的泡沫玻璃生產(chǎn)線包括烘干機(jī)、球磨機(jī)、配料輸送系統(tǒng)、模盒循環(huán)系統(tǒng)、發(fā)泡窯、退火窯、自動(dòng)切割機(jī)、除塵系統(tǒng)等，已經(jīng)發(fā)展到第5代泡沫玻璃磚生產(chǎn)線[5]，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、流水線切割和塑封包裝。

圖3 泡沫玻璃磚生產(chǎn)工藝流程示意圖

4 承壓泡沫玻璃磚出廠檢驗(yàn)要求

LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目對(duì)泡沫玻璃磚供貨需求量大，需要采用有效的抽樣檢驗(yàn)方案，確保出廠檢驗(yàn)的質(zhì)量控制水平。

LNG儲(chǔ)罐用承壓泡沫玻璃磚的一般性能指標(biāo)包括抗折強(qiáng)度、體積吸水率、透濕系數(shù)、燃燒性能等，以上參數(shù)比較穩(wěn)定，一般不作為每批次出廠產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目，但廠家進(jìn)行正常生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)每年至少一次進(jìn)行型式檢驗(yàn)，并向買(mǎi)方提供檢驗(yàn)報(bào)告[6]。

泡沫玻璃磚的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度，應(yīng)針對(duì)每個(gè)驗(yàn)收批次制定專(zhuān)門(mén)的出廠檢驗(yàn)試驗(yàn)計(jì)劃?？紤]泡沫玻璃磚的發(fā)泡制作工藝下同一規(guī)格的泡沫玻璃磚的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度值在一定的控制范圍內(nèi)服從正態(tài)分布，根據(jù)ASTM C552對(duì)泡沫玻璃磚出廠檢驗(yàn)的要求[7]，應(yīng)分別對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)按照ISO3951的規(guī)定采用以接收質(zhì)量限（AQL，Acceptance Quality Limit，指抽樣檢驗(yàn)時(shí)可接受的最低平均不合格品率）為索引的s法的驗(yàn)收抽樣方案。S法是使用標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)量驗(yàn)收抽樣方法，根據(jù)驗(yàn)收批次產(chǎn)品的數(shù)量，按照指定的檢驗(yàn)水平等級(jí)和可接收的AQL值通過(guò)ISO3951[8]確定抽樣樣品量大小和接收常數(shù)k，并以樣品的平均值、允許極限值和標(biāo)準(zhǔn)差三個(gè)值計(jì)算計(jì)量檢驗(yàn)的評(píng)判指標(biāo)-質(zhì)量統(tǒng)計(jì)量Q,對(duì)比Q和k的大小以判斷該檢驗(yàn)批產(chǎn)品的質(zhì)量是否合格[9]。對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)，ASTM C552規(guī)定了取樣數(shù)量符合ISO3951S-3檢驗(yàn)等級(jí)的要求，接收質(zhì)量限AQL取10%。對(duì)于抗壓強(qiáng)度,ASTM C552并沒(méi)有規(guī)定具體的抽樣檢驗(yàn)等級(jí)和AQL，但考慮到泡沫玻璃磚的承壓屬性，一般抽樣檢驗(yàn)等級(jí)取S-4級(jí)，增大樣本量，AQL取1%，可接受的不合格率更為苛刻。根據(jù)上述方法，通過(guò)檢索ISO3951查詢的導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度出廠檢驗(yàn)要求見(jiàn)表2。

表2 泡沫玻璃磚出廠檢驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度樣本大小及合格判定要求

導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度質(zhì)量統(tǒng)計(jì)量Q的計(jì)算公式如下：

式中Qt-驗(yàn)收批次抽樣的導(dǎo)熱系數(shù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)量；

Qc-驗(yàn)收批次抽樣的抗壓強(qiáng)度質(zhì)量統(tǒng)計(jì)量；

-驗(yàn)收批次抽樣的導(dǎo)熱系數(shù)平均值；

-驗(yàn)收批次抽樣的抗壓強(qiáng)度平均值；

U-導(dǎo)熱系數(shù)單次允許最大值（表1）；

L-抗壓強(qiáng)度單次允許最小值（表1）；

S-驗(yàn)收批次抽樣的標(biāo)準(zhǔn)差。

質(zhì)量統(tǒng)計(jì)量Q反映的是抽樣統(tǒng)計(jì)平均值與單次允許最大值或最小值的絕對(duì)值偏差與抽樣統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差的商，是一個(gè)經(jīng)無(wú)量綱化處理后能表征生產(chǎn)質(zhì)量偏差的數(shù)值，Q大于0表示統(tǒng)計(jì)平均值滿足最低極限值要求，Q大于表2中所對(duì)應(yīng)的接收常數(shù)k值，表明抽樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果的允許偏差滿足接收要求。因此，罐底承壓泡沫玻璃磚出廠驗(yàn)收導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度檢測(cè)合格判定應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)條件：①平均值滿足設(shè)計(jì)要求；②單次極限值滿足設(shè)計(jì)要求；③計(jì)量抽樣的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)量Q大于對(duì)應(yīng)的接收常數(shù)k值。

以東部沿海某LNG接收站3個(gè)LNG儲(chǔ)罐工程為例，根據(jù)施工工序，LNG儲(chǔ)罐罐底絕熱系統(tǒng)施工首先進(jìn)行邊緣區(qū)域Grade16規(guī)格承壓泡沫玻璃磚的安裝，采購(gòu)量共520m3，合計(jì)17800塊磚。買(mǎi)方代表赴生產(chǎn)廠家見(jiàn)證出廠檢驗(yàn)，除常規(guī)的外觀、尺寸和密度檢測(cè)外，重點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度計(jì)量抽樣檢驗(yàn)。按照此次采購(gòu)訂單發(fā)貨的出廠泡沫玻璃磚數(shù)量，結(jié)合表2索引要求，導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)取樣13塊，抗壓強(qiáng)度檢測(cè)取樣25塊，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。對(duì)照表1和表2指標(biāo)進(jìn)行判別，導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的抽樣檢測(cè)平均值和單次最值滿足表1要求，質(zhì)量統(tǒng)計(jì)量Q>接收常數(shù)k，檢測(cè)結(jié)果合格，通過(guò)出廠驗(yàn)收。

5 結(jié)語(yǔ)

LNG混凝土全容罐由主容器和次容器組成，中間為儲(chǔ)罐絕熱系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)外罐起絕熱保護(hù)作用。罐底絕熱系統(tǒng)的主要絕熱材料是泡沫玻璃磚，除了滿足耐低溫設(shè)計(jì)溫度，還需要承載上部主容器的荷載，因此要求具有承壓能力，特別是邊緣區(qū)域的泡沫玻璃磚需要選用更高抗壓強(qiáng)度的規(guī)格。泡沫玻璃材料由玻璃顆粒添加發(fā)泡劑和添加劑后高溫熔化、發(fā)泡、退火而成，具有封閉氣孔結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵性能指標(biāo)包括導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度，應(yīng)按照ISO3951的規(guī)定進(jìn)行出廠計(jì)量抽樣檢驗(yàn)，確保出廠檢驗(yàn)的質(zhì)量控制水平，導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度合格判定應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)條件：平均值滿足設(shè)計(jì)要求、單次極限值滿足設(shè)計(jì)要求、計(jì)量抽樣的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)量Q大于對(duì)應(yīng)的接收常數(shù)k值。

表3 Grade16承壓泡沫玻璃磚出廠抽樣檢驗(yàn)結(jié)果