大型LNG 薄膜罐建設(shè)與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)

張奕 艾紹平 汶建偉 馬春艷 王浩 陳曉賢

1北京燃?xì)饧瘓F(tuán)（天津）液化天然氣有限公司

2華北油田公司第四采油廠

3法吉泰工程技術(shù)（上海）有限公司（GTT 中國）

我國已建投運(yùn)的LNG 接收站共有20 余座，LNG 儲(chǔ)罐作為接收站關(guān)鍵設(shè)備，其類型大多數(shù)屬于傳統(tǒng)的9%鎳鋼全包容儲(chǔ)罐[1]。隨著接收站數(shù)量的增加、商業(yè)定位的不同，儲(chǔ)罐的建設(shè)技術(shù)也出現(xiàn)了多類型化、大型化的發(fā)展趨勢(shì)[2]。LNG 薄膜罐在國外應(yīng)用較為成熟，全球已有約100 座薄膜罐建成投產(chǎn)，但在我國尚無投用先例。當(dāng)前國內(nèi)已有正在進(jìn)行大型LNG 薄膜罐的建設(shè)項(xiàng)目，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，對(duì)薄膜罐的建設(shè)和運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 LNG 薄膜罐的結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

9%鎳鋼全容罐一般由混凝土外罐、絕緣填充層（包括襯板、膨脹珍珠巖、彈性棉氈等）和9%鎳鋼內(nèi)罐組成。而薄膜罐主要由混凝土外罐、薄膜內(nèi)罐、穹頂、絕熱系統(tǒng)、吊頂?shù)冉M成（圖1）[3-4]。

圖1 薄膜型儲(chǔ)罐的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of membrane tank

1.2 混凝土外罐

薄膜罐與9%鎳鋼全容罐外罐類似，均為混凝土外罐，但9%鎳鋼罐外罐內(nèi)壁是圓弧，而薄膜罐外罐內(nèi)壁一般為正五十六邊形，每個(gè)平面之間的夾角是173.6°，這種特殊的多邊形結(jié)構(gòu)是為了后續(xù)安裝平面絕熱板而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

1.3 薄膜內(nèi)罐

薄膜內(nèi)罐由不銹鋼薄膜組成，分為主屏蔽薄膜和次屏蔽薄膜，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。薄膜最小厚度為1.2 mm。主屏蔽薄膜應(yīng)用于罐壁和罐底，薄膜為雙向正交波紋網(wǎng)格，允許在冷/熱負(fù)荷下進(jìn)行雙向的自由收縮/擴(kuò)張（圖3）。薄膜罐內(nèi)罐不承壓，僅有自由伸縮的作用，因此更易實(shí)現(xiàn)大型化。次屏蔽薄膜設(shè)置在罐底和罐壁底部區(qū)域（罐壁5 m 以下熱角保護(hù)系統(tǒng)）絕熱系統(tǒng)中，主要用于可能出現(xiàn)的泄漏保護(hù)。次屏蔽薄膜結(jié)構(gòu)如圖4 所示，它是一種非波紋狀的由玻璃布和鋁片組成的復(fù)合材料。

圖2 薄膜罐罐壁結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of membrane tank wall

圖3 主屏蔽薄膜結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of main shielding membrane

圖4 次屏蔽薄膜結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of secondary shielding membrane

1.4 絕熱系統(tǒng)

9%鎳鋼全容罐絕熱層一般由泡沫玻璃磚、膨脹珍珠巖和彈性棉氈等材料構(gòu)成[5-6]，而薄膜罐絕熱系統(tǒng)由防潮層和絕熱板構(gòu)成。絕熱板是一種加強(qiáng)聚氨酯泡沫材料，罐壁5 m 以上和5 m 以下的絕熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。9%鎳鋼罐絕熱層厚度一般在1 m 以上，而薄膜罐的絕熱層厚度僅有320 mm 左右，對(duì)于相同外觀尺寸的儲(chǔ)罐來講，薄膜罐比9%鎳鋼罐的有效容積就增大了10%。

圖5 罐壁絕熱系統(tǒng)Fig.5 Tank wall insulation system

防潮層的主要作用是防止水蒸氣進(jìn)入罐體絕熱系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)氣密性，又可以防止絕熱材料受潮，通常選用聚合物防潮層或金屬襯里[7-8]。

薄膜罐除了具備與9%鎳鋼罐相同的溫度監(jiān)測(cè)外，還有氣體泄漏監(jiān)測(cè)，形成了雙保護(hù)系統(tǒng)。整個(gè)絕熱系統(tǒng)內(nèi)是充滿氮?dú)獾模⑶覍?duì)氣體進(jìn)行連續(xù)取樣分析，對(duì)內(nèi)罐系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。通過氣體分析、溫度監(jiān)測(cè)、氣壓控制，保證對(duì)隔熱空間的永久性控制。當(dāng)甲烷泄漏至絕熱層，其含量超過30%LEL（爆炸下限）時(shí)，氮?dú)獯祾吣Ｊ綄㈤_啟，以此來降低甲烷的濃度。

2 薄膜罐建造

2.1 LNG 薄膜罐的建造流程

LNG 薄膜罐樁基施工與9%鎳鋼儲(chǔ)罐類似，從承臺(tái)開始施工，薄膜罐的建造流程如圖6 所示。薄膜罐與9%鎳鋼儲(chǔ)罐相比較有諸多不同點(diǎn)，應(yīng)對(duì)其建造和運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注[9-10]。薄膜罐由于絕熱板和波紋板等主要材料的可預(yù)制性，大大縮短現(xiàn)場(chǎng)施工工期，因此工期與9%鎳鋼儲(chǔ)罐工期相比可節(jié)省至少2 個(gè)月。

圖6 LNG 薄膜罐建造流程Fig.6 LNG membrane tank construction process

2.2 LNG 薄膜罐建造關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 大體積混凝土平整度

薄膜罐混凝土外罐施工與9%鎳鋼罐不同點(diǎn)在于承臺(tái)和外罐內(nèi)壁的混凝土平整度要求非常高。由于薄膜罐內(nèi)罐絕熱板安裝前需要涂膠，并且絕熱板安裝平整度要求較高，如果混凝土表面平整度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，就會(huì)對(duì)后續(xù)施工產(chǎn)生影響。可通過現(xiàn)場(chǎng)樣板試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)施工精準(zhǔn)控制，平整度測(cè)試采用直尺檢查。承臺(tái)和罐壁關(guān)鍵控制尺寸偏差質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 承臺(tái)和罐壁關(guān)鍵控制尺寸偏差質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)（20×104 m3薄膜罐為例）Tab.1 Quality reference standard for deviation of key control dimensions of bearing platform and tank wall(20×104 m3 membrane tank as an example)

2.2.2 外罐內(nèi)壁角度控制

薄膜罐由于外罐內(nèi)壁是正五十六邊形，這與9%鎳鋼罐的內(nèi)外壁都是圓弧狀是不同的。薄膜罐的混凝土墻體澆筑模板外罐外壁依然是圓弧，內(nèi)罐壁每個(gè)面之間的夾角為173.6°，其混凝土墻體澆筑模板的預(yù)制形狀也需與其保持一致，并需精準(zhǔn)控制。薄膜罐混凝土墻體澆筑模板（外罐內(nèi)壁）如圖7 所示。

圖7 薄膜罐外罐內(nèi)壁混凝土澆筑模板Fig.7 Concrete pouring formwork for inner wall of outer tank of membrane tank

2.2.3 恒溫恒濕環(huán)境要求

由于薄膜罐內(nèi)罐施工對(duì)環(huán)境溫度和濕度要求較高，尤其是防潮層施工和膠泥的配比及涂覆過程。其中對(duì)膠泥的黏度有精準(zhǔn)的溫度和時(shí)間控制。環(huán)境溫度要求在20～30 ℃之間，相對(duì)濕度小于60%，極限不超過70%。如防潮層和膠泥的涂抹工期安排剛好在冬季或夏季，則需要進(jìn)行精準(zhǔn)的換熱計(jì)算，在罐內(nèi)采用大型空調(diào)機(jī)組進(jìn)行恒溫恒濕控制。以20×104m3儲(chǔ)罐為例，冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度-10 ℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度34 ℃，依據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算熱負(fù)荷約為1 800 kW/罐，根據(jù)選用的空調(diào)機(jī)性能參數(shù)，即可得出每臺(tái)儲(chǔ)罐所需空調(diào)數(shù)量。

2.2.4 防潮層施工

防潮層作為內(nèi)外罐與外界防止水汽交換的一層復(fù)合聚合物涂層，涂覆在混凝土外罐的內(nèi)壁上，在此施工前混凝土的打磨預(yù)處理和涂覆的厚度是防潮層施工的關(guān)鍵。混凝土的打磨預(yù)處理應(yīng)滿足以下要求：①養(yǎng)護(hù)期應(yīng)不少于28 天，表面致密平整，無直徑大于0.5 mm 的孔洞；②混凝土表面粗糙度應(yīng)為75～150 μm（CSP3～CSP6 級(jí)），否則防潮層的涂抹會(huì)不均勻且抗拉強(qiáng)度不符合要求；③混凝土表面上含水率應(yīng)不大于4%；④混凝土基面應(yīng)堅(jiān)固，抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于30 MPa，抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于1.5 MPa。

防潮層施工時(shí)需要在混凝土基層上涂刷兩層漆，一層為底漆，一層為面漆。所用防潮層涂料的防潮系數(shù)每24 h 應(yīng)小于3 g/m2，其成膜厚度需控制在2.5～3 mm 且均勻，否則后期膠泥涂抹量會(huì)超標(biāo)或絕熱板安裝達(dá)不到精度要求。防潮層的施工環(huán)境要求如下：①環(huán)境溫度10～35 ℃；②濕度不大于80%；③基層溫度不小于10 ℃，且不小于露點(diǎn)溫度3 ℃。

2.2.5 腳手架搭建和絕熱板安裝

由于儲(chǔ)罐內(nèi)罐絕熱板和波紋板施工高度高達(dá)40 m，屬于高空作業(yè)，需要在罐內(nèi)搭建滿堂腳手架（也可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際選擇吊籃方式），因此腳手架的搭建施工難度高，風(fēng)險(xiǎn)大。通過比較，40 m 高空腳手架比吊籃更易施工且不易晃動(dòng)，施工質(zhì)量更有保證。

絕熱板的安裝是基于防潮層施工后進(jìn)行的基準(zhǔn)劃線工作，劃線工作完成后，可以確定每塊絕熱板安裝的位置，對(duì)每塊板進(jìn)行編號(hào)，與劃線的編號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。絕熱板按照編號(hào)進(jìn)行拼裝，但由于絕熱板數(shù)量多達(dá)14 000 余塊（以20×104m3儲(chǔ)罐為例），每塊都需要控制在安裝精度內(nèi)（±1.5 mm），如有一塊偏差較大，就會(huì)影響后面的絕熱板安裝，影響施工質(zhì)量和工期。

2.2.6 波紋板焊接

內(nèi)罐不銹鋼波紋板極薄，厚度僅有1.2 mm，因此不能用焊絲焊劑焊接，只能采用熱熔焊。這對(duì)焊工的焊接技術(shù)要求極高，在波紋板之間進(jìn)行搭接，采用點(diǎn)焊—間斷焊—連續(xù)焊的方式進(jìn)行焊接。焊接速度、時(shí)間控制都有嚴(yán)格要求，焊接不符合要求很容易焊穿，強(qiáng)度達(dá)不到容易泄漏。

兩個(gè)平直主屏蔽膜之間應(yīng)先焊接波紋區(qū)域，后焊接平直區(qū)域。波紋區(qū)域焊接宜先右后左，從波紋底部至波紋頂部。平直區(qū)域焊接宜先左后右（罐底），從下往上（絕熱層）。罐底薄膜的安裝從底部中心環(huán)開始，接著安裝第二個(gè)、第三個(gè)環(huán)，然后再安裝從中心到絕熱層方向的各個(gè)彼此沒有關(guān)聯(lián)的扇區(qū)。

2.2.7 氣密測(cè)試

傳統(tǒng)9%鎳鋼儲(chǔ)罐的無損檢測(cè)方式已不再適用于薄膜罐，薄膜罐的主屏蔽氣密測(cè)試采用氨或氦進(jìn)行測(cè)試。氨測(cè)試（有用氮?dú)?氨氣）是在絕熱層空間先抽真空（-80 kPa），抽出空氣和空氣中的水分，便于氮?dú)?氨氣混合物在絕熱層實(shí)現(xiàn)均勻沖洗，并防止氨氣被水分吸收，然后注入含氨量為（25±5）%的氮?dú)?氨氣混合物（為了向絕熱層空間中填充氮?dú)?氨氣混合物，在絕熱系統(tǒng)安裝過程中，將氣體輸送管道和連接件預(yù)先安裝在絕熱層中）。在波紋板表面涂抹顯影劑，如果焊接質(zhì)量欠佳（有泄漏），氨氮混合氣會(huì)與顯影劑發(fā)生反應(yīng)，由黃色變?yōu)樗{(lán)紫色，從而判斷波紋板漏點(diǎn)位置（圖8）。

圖8 主屏蔽波紋板氣密測(cè)試Fig.8 Air-tightness test of main shielding corrugated plate

3 LNG 薄膜罐運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)

3.1 呼吸模式與掃氣模式

薄膜罐與9%鎳鋼儲(chǔ)罐運(yùn)行期間的不同點(diǎn)在于薄膜罐的氮?dú)庀到y(tǒng)運(yùn)行。LNG 薄膜罐氮?dú)庀到y(tǒng)運(yùn)行模式分為呼吸模式和掃氣模式兩種。儲(chǔ)罐正常運(yùn)行時(shí)開啟呼吸模式，當(dāng)泄漏量超過一定值（即絕熱空間中甲烷含量超標(biāo)，如30%爆炸極限），則啟動(dòng)掃氣模式。運(yùn)行模式主管線流程如圖9 所示。

圖9 薄膜罐氮?dú)庀到y(tǒng)運(yùn)行模式管線流程Fig.9 Pipeline flow of membrane tank nitrogen system operation mode

以20×104m3的薄膜罐氮?dú)夤芫€布置為例，罐頂兩個(gè)環(huán)形總管分別為呼吸管線和吹掃管線，由4組半環(huán)形總管組成。兩個(gè)外半環(huán)組成外圓環(huán)呼吸管線總管，兩個(gè)內(nèi)半環(huán)組成內(nèi)圓吹掃管線總管，每個(gè)半圓環(huán)上都有7 組縱向氮?dú)夤艽┤牍薇趦?nèi)，并且在罐壁上有不同高度的預(yù)埋件穿出，進(jìn)入絕熱層。每組管線有兩根分支，一根進(jìn)入罐底一級(jí)絕熱層——內(nèi)屏蔽空間（IBS），一根進(jìn)入罐底二級(jí)絕熱層——絕熱層空間（IS），并且在管線上設(shè)置取樣口可進(jìn)行取樣分析。

3.2 氮?dú)獾娜颖O(jiān)測(cè)

氮?dú)庀到y(tǒng)的取樣設(shè)置臨時(shí)取樣和固定取樣。臨時(shí)取樣是在該管線上設(shè)置取樣口，可通過軟管連接取樣。固定取樣設(shè)置在一級(jí)絕熱層和二級(jí)絕熱層的氮?dú)庾⑷肟谏希淙訑?shù)量約為氮?dú)庾⑷肟诘囊话搿５獨(dú)馊颖O(jiān)測(cè)工藝流程見圖10 所示。

圖10 氮?dú)庀到y(tǒng)取樣工藝流程Fig.10 Sampling process flow of nitrogen system

3.3 氮?dú)庀?/h3>

氮?dú)庀到y(tǒng)所使用的氮?dú)庖笃浼兌冗_(dá)到97%（體積分?jǐn)?shù)）以上，大氣壓下露點(diǎn)在-60 ℃以下。對(duì)于20×104m3的儲(chǔ)罐，氮?dú)庹＿\(yùn)行情況下每個(gè)儲(chǔ)罐每年的消耗量為10 000 m3(標(biāo)況)，運(yùn)營成本約每年2 萬元/罐。

4 結(jié)束語

LNG 薄膜罐的建設(shè)和應(yīng)用逐漸成為當(dāng)前LNG儲(chǔ)罐研究的方向，我國對(duì)薄膜罐的建設(shè)和運(yùn)行技術(shù)的研究剛起步，還有許多關(guān)鍵控制點(diǎn)需要去研究、優(yōu)化，并形成標(biāo)準(zhǔn)體系，從而為新型儲(chǔ)罐的建設(shè)和運(yùn)行提供參考。

（1）薄膜罐與傳統(tǒng)9%鎳鋼儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在內(nèi)罐絕熱系統(tǒng)，同樣外觀尺寸下薄膜罐比9%鎳鋼罐的有效容積增大了10%，具有溫度監(jiān)測(cè)和氣體監(jiān)測(cè)雙保護(hù)系統(tǒng)。

（2）薄膜罐建造關(guān)鍵技術(shù)包括混凝土平整度控制、外罐內(nèi)壁角度控制、內(nèi)罐施工環(huán)境溫濕度要求、防潮層的施工預(yù)處理和涂刷精度控制、絕熱系統(tǒng)的安裝和焊接，內(nèi)罐的氣密性檢驗(yàn)成為薄膜罐建設(shè)的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

（3）薄膜罐與9%鎳鋼儲(chǔ)罐在運(yùn)行期間的最大不同點(diǎn)主要在于氮?dú)庀到y(tǒng)運(yùn)行，正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的呼吸模式和掃氣模式的在線分析檢測(cè)是運(yùn)行期監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)參數(shù)。