大型C2 、C3低溫儲罐與LNG儲罐換存可行性分析*

揚 帆 張 超 范嘉堃 張博超 李安琪

(中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100028)

隨著中國“十四五”期間對地下儲氣庫、液化天然氣(LNG)接收站等儲氣設施建設的推進，LNG接收站儲氣設施的建設步伐逐步加快。然而受沿海港口通航能力限制和碼頭規劃影響，LNG接收站項目選址難度增大[1]，將C2(乙烷、乙烯) 、C3(丙烷)烴類項目碼頭改造成為LNG碼頭成為一種可行的選擇[2]，目前廣東等地區已開始了類似項目的規劃改造[3]。本文開展對大型C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐在材料、設計、施工等方面的對比分析，旨在為大型C2、C3低溫儲罐換存為LNG儲罐提供建設技術參考。

1 C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐材料標準對比

大型LNG儲罐是LNG接收站項目的核心裝備。在2012年前，國內LNG儲罐項目的設計、建造均采用國外技術；隨著大型LNG儲罐技術的發展，在2012年后，國內LNG儲罐項目開始采用自主技術[4]，例如2021年開工的中國海油江蘇LNG一期擴建項目，建設了6座27萬m3LNG儲罐，其單罐容積的增大提高了土地利用率并形成規模效應[5]。2010年后，中國市場對C2、C3等原料的需求不斷增長[6]，C2、C3烴類項目建設加快，其低溫儲罐的設計建造均采用的是國外技術。2012年后，大型C2、C3低溫儲罐項目開始采用國內技術建造，截至2022年初，采用國內技術建造的C2烴類低溫儲罐的最大單罐罐容已達16萬m3，C3烴類儲罐國內目前已建的最大單罐罐容已達12萬m3，均刷新了世界最大單罐罐容。

1) 國外標準采用方面，大型LNG、C2、C3烴類儲罐設計建造美國采用美國石油協會標準API 620[7]；其他地區早期采用英國標準BS 7777[8]，2006年BS 7777廢除后，開始采用歐盟標準EN14620[9]。

2) 國內標準采用方面，2011年以前大型LNG、C2、C3烴類儲罐設計建造采用國外標準，2011年之后設計建造開始采用中國標準。目前國內主流的烴類低溫儲罐設計建造標準為GB/T 26978—2011[10](由EN14620采標)，輔助參考標準為SY/T 0608—2014(由API 620采標)，2021年修訂后的GB/T 26978—2021適用范圍由LNG拓寬到適用所有低溫冷凍烴。根據儲罐設計標準，C2低溫儲罐理論上應采用06Ni9DR(9%Ni鋼)或08Ni3DR(低鎳鋼)，由于08Ni3DR產量較小，因此目前國內C2低溫罐項目內罐材料大多數采用06Ni9DR[11]。C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐設計標準與材料選擇見表1[12]。

表1 C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐設計標準與材料選擇Table 1 Design standard and material selection of C2，C3 cryogenic storage tanks and LNG storage tanks

2 C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐設計建造差異分析

2.1 工藝設計

1) 壓力與溫度。C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐設計壓力基本一致，其設計負壓下限、正壓上限、正常操作壓力通常為表壓力-1.0、29.0、15.0～24.0 kPa[13]；3類低溫儲罐設計溫度差別較大，LNG儲罐的設計溫度通常為-165 ℃，而C2、C3低溫儲罐設計溫度通常為-50～-106 ℃。C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐工藝參數對比見表2。

表2 C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐工藝參數Table 2 Process design parameters of C2, C3 cryogenic storage tanks and LNG storage tanks

2) 罐外管道冷態及冷循環保持。C2、C3低溫介質輸送溫度高于LNG，因而C2、C3低溫儲罐配套低溫管道冷循環所用流量要低于LNG儲罐配套管道。

3) 進出料低溫管道操作壓力。雖然3類低溫儲罐的儲存壓力通常不超過50 kPa，但C2、C3低溫儲罐的站場來船壓力可高達0.7 MPa，而常規LNG站場來船壓力僅為0.4 MPa。因而C2、C3低溫儲罐配套管道輸送系統、泵設備及閥門設計壓力略高于LNG儲罐相應設施。

4) 蒸發氣體處理。由于外界熱輸入、進料及罐內泵外輸等因素，C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐內部均會有少量低溫液體蒸發，由于C2、C3與LNG的密度、溫度不同，因而在蒸發氣處理時，蒸發氣壓縮機能力配置、材質有一定差別[12]。

2.2 結構設計

2.2.1儲罐類型和尺寸

C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐的罐型包括單容罐、雙容罐、全容罐、薄膜罐4類，其中全容罐又包括雙金屬全容罐、混凝土全容罐。全容罐、薄膜罐由于能夠減少儲罐占地、提高儲罐的安全性，因而成為目前世界范圍內應用最為普遍的罐型[13]。

1) 儲罐類型差異。目前國內已建和在建的大型LNG儲罐，除了近期北京燃氣集團等個別項目選擇了薄膜罐外，其他多數為混凝土全容罐罐型；近年來國內建設的C2、C3低溫儲罐少部分為雙金屬全容罐，而大部分儲罐(尤其是10萬m3以上容積儲罐)，多采用安全性較高的混凝土全容罐。

2) 儲罐尺寸差異。由于C2、C3密度大于LNG，同樣條件下，C2、C3低溫儲罐需要更大的內罐壁厚、外罐配筋量、儲罐本體結構承載力等以增加其地震荷載。因此在相同儲罐容積和站址條件下，可考慮適當加大C2、C3低溫儲罐直徑，降低儲罐高度，從而提高儲罐的結構抗震性能。

2.2.2儲罐樁基設計

由于C2、C3密度大于LNG，因此儲罐在正常運行和地震工況下的豎向和水平荷載均更大。在相同的罐容條件下，需增加C2、C3儲罐樁基數量以提高樁基承載力。以儲罐抗震設防烈度7度為例，其樁基水平承載力特征值和群樁綜合效應系數為[14]

(1)

ηh=ηiηr+ηl

(2)

式(1)、(2)中：Rha為樁基水平承載力特征值，kN；α為樁水平變形系數，無量綱；EI為樁身抗彎剛度，N/m；vx為樁頂水平位移系數，無量綱；x0a為樁頂水平位移，mm；ηh為群樁綜合效應系數，無量綱；ηi為樁的相互影響效應系數，無量綱；ηr為樁頂約束效應系數，無量綱；ηl為承臺側向土抗力效應系數，無量綱。

2.2.3內罐設計

C2、C3低溫儲罐內儲存的低溫介質密度大于LNG儲罐，因此在相同的罐容條件下，其內罐壁板厚度更大。根據GB/T 26978，儲罐內罐壁板厚度計算為[10]

(3)

式(3)中：e為儲罐內罐壁板厚度，mm；D為內罐直徑，m；S為壁板許用設計應力，N/mm2；W為介質密度，kg/m3；P為設計壓力，Pa；c為腐蝕余量，mm；H為內罐最大設計液位高度，m。

2.2.4外罐設計

C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐外罐設計的主要差異在于密度引起的液體質量荷載不同，在結構受力較大的部位，C2、C3儲罐配筋及預應力設計結果將略大于LNG儲罐；而整體上鋼筋及預應力系統布置方案相同，外罐設計方法和計算內容差異不明顯。以混凝土全容罐為例，C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐通常根據其儲罐荷載及組合工況，對混凝土全容罐本體結構開展三維有限元分析，提取外罐最不利工況下外罐的軸力、剪力和彎矩，再根據 GB50010—2010《混凝土結構設計規范》計算每個單元的主筋配筋面積、剪力筋的面距比、混凝土裂縫寬度[15]。

2.2.5保冷設計

C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐保冷設計方法和流程相同。由于C2、C3烴類介質低溫儲存的溫度高于LNG，因此在同樣的保冷性能要求下，C2、C3低溫儲罐所用的保冷材料量較LNG儲罐要少。以混凝土全容罐為例，儲罐底部的絕熱材料一般為具有承壓強度的泡沫玻璃磚[16]；內外罐之間的絕熱保冷層由內側彈性氈和外側的膨脹珍珠巖組成。

2.2.6管道設計

1) 在儲罐外部管道設計方面，由于C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐的設計溫度的不同，其配套低溫管道應力收縮補償也不同，LNG儲罐低溫收縮量最大，C2次之，C3最小；管道保冷厚度和應力補償膨脹彎設置數量也依次減少。

2) 在儲罐罐內的管道設計方面，設計時需重點考慮穿過混凝土穹頂、鋁吊頂2個重要位置處的低溫不同步收縮對管道結構設計的影響。在混凝土穹頂位置，一般采用雙層不銹鋼套管結構[17]，以避免低溫收縮對混凝土穹頂的破壞；在鋁吊頂位置，當儲罐內部承裝低溫介質后，鋁吊頂將朝儲罐中心位置徑向收縮，進而對豎向穿過吊頂的管道造成擠壓破壞。因此管道常溫安裝時，鋁吊頂與管道須呈“偏心”結構，這樣儲罐在承裝低溫介質后，鋁吊頂將在豎向與管道成為“同心”結構，如圖1所示。

圖1 鋁吊頂與罐內管道連接位置冷收縮偏移量示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cold shrinkage offset of the connection position between the aluminum ceiling and the pipeline in the tank

管道與吊頂安裝時的預留偏移量為

Loffset=ΔTαR/2

(4)

式(4)中：Loffset為管嘴與吊頂套筒之間的冷縮偏移量，mm；α為鋁合金的熱膨脹系數，取值1.85×10-5℃-1；ΔT為操作溫度與環境溫度之間的溫差，℃；R為該管嘴中心距離儲罐中心的距離，mm。

2.3 施工與開車調試

2.3.1儲罐施工

1) 在施工順序方面，C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐由于結構形式相同，因此整體施工順序基本一致：先進行樁基施工，然后進行外罐施工，在儲罐拱頂氣壓升頂后再進行罐底保冷施工和內罐安裝，最后在內罐水壓試驗后進行儲罐罐壁、罐頂保冷施工。

2) 在焊接工藝方面，C2低溫儲罐與LNG儲罐內罐材料為06Ni9DR鋼板，其焊接技術難度較大；而C3低溫儲罐內罐為普通碳鋼Q355NF，其焊接技術難度相對較小。

3) 在保冷安裝工期方面，C2、C3低溫儲罐的保冷材料比LNG儲罐更薄，因而其保冷安裝工期一般少于LNG儲罐。

2.3.2預試車與開車調試

C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐預試車、開車調試流程類似。在儲罐進液前，需要采用高純度N2對儲罐進行干燥、惰化；開車調試過程中，需要嚴格控制預冷速率，以防止預冷過程出現溫降過快或不均勻帶來局部低溫應力過大進而破壞內罐結構。

根據低溫儲罐設計建造規范GB/T 26978—2021[10]對C2、C3低溫儲罐與LNG儲罐的預試車、開車調試要求，預試車階段N2置換后儲罐中心區域最大露點溫度低于-20 ℃；開車調試階段內罐冷卻速度在3 ℃/h左右，相鄰罐壁與底部任意2個熱電偶溫差不超過30 ℃。

由于C2、C3低溫儲罐設計溫度高于LNG儲罐，因此在預冷介質用量會存在差別，但均可采用噴淋式預冷方案，預冷過程中可改變預冷調節閥尺寸以提高預冷溫降的控制精度，或采用間歇噴灑的方式降低各點溫降差距。

3 結論與建議

1) 大型LNG、C2、C3烴類儲罐在主要設計建造標準、設計流程、外罐與保冷材料等方面是相同的，但由于其內罐材料、介質密度、溫度等方面存在差異，因此在工藝、結構、施工與開車調試等方面的設計有所不同。

2) C2低溫儲罐可換存為LNG儲罐，換存時需根據密度換算并調整液位、機泵參數，改造儲罐外部管道(膨脹彎、保冷厚度等)的技術參數，同時在設計初期考慮足夠的吊頂管道冷收縮偏移量；而C3低溫儲罐由于內罐材料設計溫度較高，不適合換存為LNG儲罐。