液化天然气储罐的设计与建造LPG储罐

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一、全容罐的结构及发展
(一) 全容罐的结构
地上式全容罐一般为平底双壁圆柱形。与LNG直接接触的内罐为9%镍钢，外罐为预应力钢筋混凝土，罐顶有悬挂式绝热支撑平台，内外罐之间用膨胀珍珠岩、弹性玻璃纤维或泡沫玻璃砖等材料绝热保温。
1. 设计条件
(1) 内罐
设计温度：-170～+60℃；
设计压力：29kPa(真空1.5kPa)。
(2) 外罐
安全经受6h的外部火灾；
承受地震加速度0.219；
承受风力70m/s；
抗渗性：当发生内罐LNG溢出时，外罐混凝土墙至少要保持10cm厚不开裂并保持2MPa以上的平均压应力。
日大蒸发率≤0.05%(质量)。
(3) 设计标准
储罐的基本设计规范为BS7777。其他相关规范有API620、ACI318、NFPA59A等。
2. 内罐
(1) 板材
内罐壁板材料为含镍9%的合金钢板，如广东大鹏LNG接收站采用ASTM A553M Type 1，其化学成分和机械性能见表4-5和表4-6[2]。
表4-5 9%镍钢板(ASTM A553M Type 1)化学成分 %
C Si Mn P S Mo Ni Cu Cr Ai Nb V Ti Cr+Mo
≤0.13 ≤0.3 ≤0.9 ≤0.01 ≤0.005 ≤0.12 6～10 ≤0.4 ≤0.3 ≥0.2 ≤0.2 ≤0.2 ≤0.2 ≤0.32
Si
Mn
Mo
Ni
Cu
Cr
Ai
Nb
Ti
Cr+Mo
≤0.13
≤0.3
≤0.9
≤0.01
≤0.005
≤0.12
6～10
≤0.4
≤0.3
≥0.2
≤0.2
≤0.2
≤0.2
≤0.32
表4-6 9%镍钢板(ASTM A553M Type 1)机械性能
RP0.2%/MPa Rm/MPa L0/% 低温韧性/-196℃
K(J) 侧膨胀
≤585 690～830 ≤20 75min.100ave 0.381(m)
RP0.2%/MPa
Rm/MPa
L0/%
低温韧性/-196℃
K(J)
侧膨胀
≤585
690～830
≤20
75min.100ave
0.381(m)
(2) 罐底
罐底铺设两层9%Ni钢板，厚度为6mm和5mm。底板外圈为环板，两层底板中间为保温层、混凝土层、垫毡层和干沙层。
(3) 罐壁
罐壁分层安装，分层数按板材宽度而定。对于容积16×104m。以上的全容罐一般有10层。底层壁板厚度24.9mm，上层壁板厚度12mm。内罐外壁用保温钉固定绝热保温材料。
(4) 罐顶
内罐顶部为悬挂式铝合金吊顶，以支撑罐顶膨胀珍珠岩保温层。
3. 外罐
(1) 罐基础
全容罐的基础应按储罐建造场地的土壤条件，通过工程地质调查研究后确定。一般可以采用坐基式基础或架空形基础。坐基式基础内罐底板直接坐落在基础上，为防止罐内液体的低温使土壤冻胀，坐基式基础需要配置加热系统。架空形基础可以不设加热系统。
(2) 罐墙壁
全容罐的外罐墙用预应力钢筋混凝土制成。容积为16×104m3左右的全容罐外罐内径约80m、墙高约38m。混凝土墙体竖向采用VSL预应力后张束，两端锚固于混凝土墙底和顶部。墙体环向采用同样规格的钢绞线组成的VSL预应力后张束，环向束每束围绕混凝土墙体半圈，分别锚固于布置成900的四根竖向扶壁柱上。墙体内置入预埋件以固定防潮衬板及罐顶承压环。
(3) 罐顶
罐顶盖为钢筋混凝土球面穹顶，支承于预应力钢筋混凝土圆形墙体上。球面穹顶混凝土由H钢梁、顶板及钢筋构成加强结构，顶面上设有工作平台，放置运行控制设备及仪表、阀等。混凝土穹顶内设有碳钢钢板内衬，施工时作为模板，使用时可用以防止气体渗漏。
(二) 全容式储罐的发展
典型的全容式储罐由预应力钢筋混凝土外层罐和9%Ni钢内层罐组成，罐顶为钢筋混凝土制成。随着全容罐需求的不断增加，储罐结构设计和材料应用的不断改进，一方面储罐的容量越来越大，容积达20×104m3的地上全容罐已在建造；另一方面设计和建造技术的发展，储罐建设费用下降，建造周期缩短。
(1) 储罐内罐材料9%Ni钢板的制造、焊接、检验技术进步迅速：日本已可制造50mm厚度的钢板；焊缝NDE检验采用可记录数据的AUT方法，比现用的RT检验在安全性、质量可靠性、缩短检验时间等方面优点明显。
(2) 预应力外罐材料采用60MPa高强度混凝土，是通常混凝土强度的1.5倍，减少壁厚30%左右，从而减少了施工工作量。
(3) 增加9%Ni钢内罐壁板的宽度达到4.3m，减少圈数，既减少了焊接和检验工作量，也提高了板材整体性能及尺寸度的一致性。
(4) 混凝土外罐壁应用液压提升装置，滑模施工，提高劳动生产率，缩短工期。
(5) 采用多参数控制混凝土质量。对原料质量、含水率、搅拌器载荷值等参数实时检测，及时调配。
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二、全容罐的建造
(一) 外罐建造
1. 墙体浇筑
外罐墙体浇筑是混凝土工作量大的部分。按照通常钢筋混凝土施工程序，在布置钢筋，安装预应力护套、预埋件和模板后，进行混凝土浇筑、养护。对于近40m高的墙体，需要分层从下至上逐层浇筑。
2. 安装承压环
在浇筑上层墙体前，安装承压环。在按照承压环结构分段预制，预埋螺栓焊接完成后，吊装于罐壁顶部组装焊接，检验合格后进行混凝土浇筑。
3. 气升罐顶
储罐顶部是钢结构的半球形拱顶，采用大型圆柱形储罐惯用的压缩空气吹升法施工，可以减少高空作业工作量，所需施工机具和设备少，对施工进度和安全有利。罐顶结构在罐底预制完成后与罐壁密封，为防止气升过程的倾斜、偏移，罐顶上均布平衡钢索，一端固定在罐底中心，另一端固定于承压环上。使用鼓风机鼓风，在空气压力下，罐顶匀速、平稳升起。罐顶到位后，与预埋于墙体的顶部承压环固定、焊接。
4. 罐顶建造
罐顶为球面结构，H型钢作为钢梁，顶部铺碳钢板，顶板上焊接预埋螺栓，升顶后固定于浇筑在混凝土罐壁顶部的承压环上。同时在罐底预制铝合金吊顶，吊顶杆用螺栓连接于罐顶钢梁上，然后将预制好的铝合金吊顶提升与吊顶杆连接。气升前，将罐顶上的人孔、接管、电缆托架等附件一块安装上去，以减少高空作业工作量。布钢筋完成后，分两次浇筑混凝土。
5. 罐壁预应力张拉
混凝土墙体浇筑、养护完成后，将钢绞线穿进预埋于墙体的护套中，竖向钢绞线两端锚于混凝土墙底部及顶部；墙体环向的钢绞线每束围绕混凝土墙体半圈，分别锚固于布置成900的四根竖向扶壁柱上。用液压设备拉伸到设计应力后，固定两端，进行水泥灌浆。
(二) 内罐建造菏泽
1. 罐底LPG储罐
内罐底部有两层底板，均为9%镍钢。按照从下而上、由内而外、由四周到中间的顺序施工。行第二层罐底环板安装、焊接完成后，进行底板铺设。焊缝搭接采用手工焊，为防止变形，应注意焊接顺序：环板→横向焊缝→纵向焊缝→环板与边缘板焊缝→边缘板之间焊缝→边缘板与中心板焊缝。
2. 罐壁
内罐罐壁的施工由下而上，逐层安装和焊接。每层板的卷制、坡口准备应预先加工完成。现场吊装采用吊车和罐顶电动绞车。层壁板安装时，要确定在环板的准确位置，可以用卡具及辅助工具以调整位置组装质量。底板与壁板角焊缝的焊接，至少应安装完第三层壁板及第1～2层壁板焊缝全部焊完后方可进行。
3. 保温
液化天然气的低温特性要求储罐具有完善的保温隔热性能，以防止外界热量的漏入，确保储罐的日蒸发率控制在0.05%以内。
通常在内罐和外罐之间的环形空间填充膨胀珍珠岩。内层罐壁的外侧安装弹性玻璃纤维保温毯，保温毯为珍珠岩提供弹性，克服储罐因温度变化而产生的收缩，防止珍珠岩的沉降。保温毯还对储罐惰化处理过程中，吹扫气体的流动有利。
为了防止储罐罐顶的热泄漏，在吊顶上安装保温材料，铺设厚度1.2m的膨胀珍珠岩。气密性试验合格后，进行内顶保温层的安装及夹层珍珠岩的填充。在内罐壁外包一层纤维玻璃棉，包扎好后用加热设备加热到900%，然后从顶部往下装填珍珠岩，分层装填，分层夯实，直至到顶。后进行顶部甲板珍珠岩的铺设。在进行珍珠岩灌注时要注意防潮。
储罐底部保温层采用泡沫玻璃砖。这是因为罐底保温材料除了保温性能外，还要求有足够的机械强度以承受上部的液体载荷。
(三) 9%镍钢的焊接
对于9%镍钢的焊接是内罐建造的主要工作量，由于9%镍钢对磁性很敏感，为避免现场焊接时产生电弧偏吹，要求出厂钢材残余磁含量不超过50高斯，同时现场施工时远离强磁场，并准备消磁设备。
(1) 对于焊缝的焊接：对接焊缝，厚度大于14.7mm的壁板采用双面坡口，厚度小于14.7mm的壁板采用单面坡口；环向焊缝采用背面焊剂保护埋弧自动焊；其他焊缝采用手工电弧焊工艺。
(2) 焊材的选用除满足机械性能要求外，更重要的是焊缝金属线膨胀系数要与9%镍钢接近，以避免焊缝受热循环在低温服役时产生应力集中而疲劳破坏。资料表明，手工焊工艺的AWS A5.11M/ENiCrMo-6；伊萨OK92.55焊条及埋弧焊工艺的AWS A5.14/A5.14M ERNiCrMo-4，法国Btihler Thyssen Themanit Nimo C276焊丝，匹配EN760/SA FB255AC H5/Marathon 104焊剂，线膨胀系数接近母材，并按照设计要求及BS EN ISO 15614标准进行焊接工艺评定。所要求的焊材化学成分见表4-7[2]。
表4-7 焊材合金成分及机械性能
焊材名称 合金成分PMI/% 拉伸性能(焊缝金属)
Ni Cr Mo RP0.2%/MPa Rm/MPa L0/%
ENiCrMo-6 48～73 9.5～20 2.5～lO.5 400 611 35
ERNiCrMo-4 40～65 12～19.5 12.5～18.5 320 489 35
焊材名称 低温韧性/-196℃
Ve(J) 侧膨胀/mm
ENiCrMo-6 50ave.38min O.381 min
ERNiCrMo-4 50ave.38min 0.381 min
焊材名称
合金成分PMI/%
拉伸性能(焊缝金属)
Ni
Cr
Mo
RP0.2%/MPa
Rm/MPa
L0/%
ENiCrMo-6
48～73
9.5～20
2.5～lO.5
400
611
35
ERNiCrMo-4
40～65
12～19.5
12.5～18.5
320
489
35
焊材名称
低温韧性/-196℃
Ve(J)
侧膨胀/mm
ENiCrMo-6
50ave.38min
O.381 min
ERNiCrMo-4
50ave.38min
0.381 min
(3) 9%镍钢的焊接性能良好，对冷裂纹的敏感性很低。为焊缝的高强度及低温韧性，焊接时要严格控制焊接参数，特别是预热、层间温度和热输入。通常厚度小于50mm的板材无需预热，焊前温度10℃即可。层间温度控制在150℃以下，以避免焊缝热影响区韧性的下降，同时焊缝金属属于奥氏体材料可避免热裂纹的产生。热输入的控制是焊缝机械性能的关键，在1～3kJ/mm范围，采用直焊道技术，特别是立焊不能摆动过宽。焊缝返修对焊缝性能产生不利影响，因此返修操作应按照返修程序的要求进行，并且相同位置的返修一次。
(四) 后续工作
1. 检验
储罐的检验工作主要是围绕焊缝进行的。按照相关标准，储罐需要进行包括卵、RT、PMI和真空试验等项必要的检验。
(1) 订检验
按照EN571-1的标准，对罐底环板焊缝、壁板与环板焊缝的根部焊道和盖面焊道、罐壁板焊缝进行检验。
(2) RT检验
按照BS7777标准，对内罐所有9%镍钢壁板与环板的对接焊缝进行射线探伤(RT)。要求焊缝检验。
(3) 真空试验
按照BS7777标准，为了确保焊缝的气密性，对储罐的所有焊道进行的真空试验。环板对接焊缝需要在水压试验前、后检验两次。
(4) PMI检验
对每条焊缝抽检一点，进行焊缝合金成分鉴定(PMI)，确认焊缝金属的Ni、Cr、Mo含量在规定的范围内。
2. 试验
(1) 水压试验液化天然气储罐的设计与建造
内罐充水，进行盛水试验，在空罐、1/4、1/2、3/4液位高度和盛满水时分别进行基础沉降、环向位移、径向位移和倾斜的测量。水压试验完成后，对罐底板搭接焊缝、环板的对接焊缝及罐壁板与环板的T型焊缝进行第二次真空检验。
(2) 气压试验LPG储罐
内罐盛水试漏合格后，将外罐开口大门复位合格后，进行外罐气密试验，气压试验压力36.25kPa，保持1h以上，用肥皂水检查外罐壁、罐顶。
负压500Pa检测真空阀(VSV)、安全阀(PSV)的性能。
3. 干燥与冷却液化天然气储罐的设计与建造LPG储罐
采用液氮循环的方式，进行储罐的干燥和惰化，降低罐内湿度和含氧量到规定的要求。降温可以采用向储罐内喷射液化天然气来实现。但是，储罐的冷却降温操作在储罐技术要求规定的限值范围内，缓慢、均匀地进行，以能在罐内形成温阶。储罐吊顶下的喷射环可以均匀喷射，而分布在储罐内足够数量的热电偶可以全面监控降温过程。