液化天然气作为燃料与煤和石油相比,除N含量低和几乎不含硫等特性外并具有以下优点:天然气液化后,方便可靠,便于运输节约成本;储存效率高,占地少,投资省;与燃油相比、抗爆性好、燃烧完全、排气污染少;生产使用比较安全,稍有泄漏立即挥发飞散了,不致引起自然爆炸;有利于环境保护,减少城市污染。随着能源资源的多样化,未来国内对LNG储罐终端结构材料的需求量将会非常大。
1LNG储罐的结构与特殊要求
LNG储罐的设计温度为-165℃由于设计时必须考虑到用氮气冷凝时可能出现的温度,故设计温度范围在-165~-195℃。LNG储罐属常压、低温大型储罐,分为地上式与地下式两类,通常为平底双壁圆柱形。储罐内壁与LNG储罐直接接触,一般采用含镍9%的合金钢,也可为全铝、不锈钢薄膜或预应力混凝土,外壁为碳钢或预应力混凝土。壁顶的悬挂式绝热支撑平台为铝制,罐顶则由碳钢或混凝土制成。罐内绝热材料主要为膨胀珍珠岩、弹性玻璃纤维毡及泡沫玻璃砖等。
LNG储罐又有单容(单封闭)罐、双容(双封闭)罐及全容(全封闭)罐、薄膜罐四种。由于LNG储罐的特殊性也就决定了设计中的难度与特殊要求:
(1)耐低温。由于其设计是将天然气液化并采用常压或是稍高于常压的方式存储与高压常温储存方式相比,可以大大降低罐壁厚度,提高安全性能,同时也就要求其必须耐低温。
(2)安全要求高。由于罐内储存的是低温液体,储存量大(目前大部分是16万立方米的大型储罐),储罐一旦出现意外,大量挥发的冷藏液体将会在大气中形成会自动引爆的气团。因此,APIEN14620等规范都要求储罐采用双层壁结构,运用封拦理念确保储存安全。
(3)材料特殊。内罐壁要求耐低温,一般选用9Ni钢,外罐壁为预应力钢筋混凝土,一般设计抗拉强度≥20kPa。
(4)保温措施严格。由于罐内外温差较高可达200℃,要使罐内温度保持在-162℃,罐体就要具有良好的保冷性能,在内罐和外罐之间填充高性能的保冷材料。罐底保冷材料还要有足够承压能力。
(5)抗震性能好。为保证安全对低温储罐要求在规定地震荷载下不倒也不裂。因此必须选择合适的地方避开地震带,施工前必须对储罐做抗震试验。
2LNG储罐关键结构设计中的难点
(1)风载荷和地震载荷引起的倾覆力矩、储罐内压都有可能引起罐体向上抬升从而导致罐体的不稳定。
(2)罐底边缘板受力复杂且计算应力值较高特别是在罐壁与罐底的角焊缝处应力较大且该值不是定值,它随液位变化而变,虽然频率很底,但应力值高,如果这一区域存在裂纹,容易产生断裂事故。
(3)由于计算公式中所考虑的腐蚀裕度只涉及到了介质的均匀腐蚀,没有考虑实际上LNG内含有的水和其它杂质大部分积存于储罐底部,会造成底圈壁板局部严重腐蚀,因而要适当增加底圈壁板的厚度。
(4)罐体受力在罐壁底圈壁板和罐底边缘板上,除了承受液体的静压力外,还承受着较大的边缘应力。
我国有丰富的天然气资源,但是还没有大规模液化天然气系统工程实践。在沿海建设LNG接收站将有利于缓解东部沿海地区能源紧缺。目前我国暂时没有关于大型LNG储罐设计的国家标准和自行设计的大型常压LNG储罐,与发达国家相比还存在很大的差距。随着液化天然气工业的发展,我国对液化天然气储罐的研究也越来越重视并不断加快发展。目前,LNG接收站的LNG新增储罐项目已经完成了总进度的80以上。浙江省等部分沿海省市也在积极筹划LNG引进事宜并建设接收站。在大型低温液体储罐领域,如液氧、液氮储罐国内已有成熟的设计、建造技术。从20世纪80年代开始吸收外国设计和建造大型储罐的先进技术,近年来自主开发了许多大型低温液体储罐。压力罐在容量小的场合是可行的,但随着容量增大其投资成本增大,发展大型常压LNG储罐,尤其是10000m³以上LNG储罐已是大势所趋。
纵观LNG储罐的发展历程可以看出,储罐大型化是必然趋势,由于储罐越大,越节省钢材、节省投资,布局紧凑,占地面积小。在总容积相同的情况下,几台大设备要比一群小设备占地面积节省得多;便于操作管理,几台大设备比一台小设备在检测、维修和管理等方面都比较方便这些显著优点。当然LNG储罐的大型化也是要适度的,而LNG储罐的常压化可以使LNG储罐在建造过程中可以节省更多的人力、物力,并且也降低了在LNG准用过程中的危险。由此可见综合考虑各方面因素,大型常压储罐是大势所趋。目前国内在天然气储罐的材料方面,太钢已有资质生产9Ni钢,但还没有与钢板匹配的锻件、管件和焊材等。国内已经有能力建造大型LNG项目,但是在焊接工艺的选择方面,还只是单纯的停留在手工焊和埋弧自动焊这两种成熟的焊接工艺上,但对于钨极氢弧焊和CO2气体保焊研究尚未有所突破。在设计标准方面目前已有很多研究机构研究,且国外已经有完整的设计标准,国内也有许多关于储罐的设计标准与规范,相信国内在不久也会形成自己的关于大型LNG储罐设计与建造的标准。
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