液化天然气球罐设计及建造.pdf

第 4 O 卷第 1 期 2 0 1 1年 1月 石油化工设备 P ETRO CHEMI CAI EQUI P MENT Vo 1 ． 4 0 No ．1 J a n ． 2 o 1 1 ， “ ” ” “ ． 卜 ” “ 、 i 经验交流i ．． ． ． ． ． ． ． ． 文 章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 1 0 1 0 0 8 7 0 3 液化天然气球 罐设计及建造 李晓明 ，刘福录 ，王文江 ，韩夏蓓 甘肃蓝科 石化高新 装备股份有限公司 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 摘 要 液化 天 然气球罐 为 国 内首例 产 品 ， 简述 了其设 计及 建造 的要 点 ， 以期对 同类设 备 有一 定的指 导作 用 。 关 键词 球罐；液化天然气 ；设计；建造 中图分类 号 T Q 0 5 0 ． 2 ；TE 9 7 2 ． 1 文 献标 志码 B De s i g n a n d M a n u f a c t u r i ng o f Li qu e f i e d Na t u r a l Ga s S p he r i c a l Ta n k LI Xi a o - mi n g，LI U F u l u，WANG We n - j i a n g ，HAN Xi a b e i La n pe c Te c hn ol o g i e s Li m i t e d，La n z h ou 7 3 0 07 0，Ch i na Ab s t r a c t Li q u e f i e d n a t u r a l g a s s p h e r i c a l t a n k i s t h e f i r s t o n d o me s t i c ．Th e k e y p o i n t s o n d e s i g n a nd c o ns t r uc t i o n we r e d e s c r i be d，t he e xp e r i e nc e c o ul d be us e f ul t o s i mi l a r m a nuf a c t ur e p r o d uc t s ． Ke y wo r d s s p h e r i c a l t a n k；l i q u e f i e d n a t u r a l g a s ；d e s i g n；f a b r i c a t i o n 液 化天然 气 简称 L NG 以其 安全 可 靠 、 节 能环 保 、 经 济高效 的显 著 优 点 ， 被 广 泛用 做 工 业 燃 料 、 民 用燃 料及 化工 产 品原 料 等 。 由于特 殊 的物 理 性质 ， L NG通 常在 超 低 温 一 1 6 2 ℃ 状 态 下 储 存 。随 着 储罐运行时间的延长 ， 罐 内不断产生的蒸发气会增 加储 罐 的压力 。因此 ， L NG储 罐设计 不 仅要 求 设 备 具有 一定 的承 压能 力 ， 而 且 更 是要 求 储 罐 的绝 热保 冷性 能 良好 。 子母 罐作 为 L NG 储 罐 中 的 一种 形 式 ， 由 于 受 到制造和运输条件的限制 ， 不能 向大型化发展 。而 低压储罐也不能带压储 存， 这些原 因或多或少制约 着我 国 L NG 工业 链 的 发 展 。为 此 ， 需 要 建 造 新 型 L NG储 罐来 更好 地解 决 L NG 的安全 储存 。文 中对 具有 带压储 存 、 日蒸 发 率 低 以及 设 备 无 损 失储 存 时 问长等显著优点 的国内首创 L NG不锈钢球罐进行 了简单 介绍 。 1 L N G球罐简介 L NG球 罐 为 国 内 首 次 采 用 球 罐 形 式 来 储 存 L NG 的低温 绝热 压力 容器 ， 也是 国 内首例 采用 不 锈 钢材质制造的球罐 。 在 L NG球罐的设计 、 建造过程 中， 笔者主要解 决了传热及优化计算、 设备及管道收缩变形的控制 、 软硬 基础 结构 的互 补 、 温度 测 量 、 液 位 控 制 、 支 撑结 构 的可 行性 以及 接 管 变形 结 构 的控 制 等 工 程 实 际 问题 。 L NG球 罐与立 式 平 底 圆筒 型 双 壁 储 罐 相 比具 有耐压能力强、 投资及维护费用小、 漏热率小、 无损 失储 存时 间长 等显著 特点 。 L N G 球罐 与子 母 罐 相 比具 有 适 用 的 容积 范 围 宽、 日蒸发率小 、 设备投资少 、 底部 隔热保冷措施优 等 显著 特点 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 3 O 基金项 目甘 肃省科技 重大专项计划 项 目 0 8 0 1 G KD A0 4 0 作者简介 李 晓明 1 9 8 0 一 ， 男 ， 陕西宝鸡人 ， 工程师 ， 学士 ， 主要从 事压力容器设计开发 、 工程项 目管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 1 年第 4 O卷 2 L NG球罐设计 2 ． 1 设计规 范 L NG球 罐设 计参 考 以下标准 ] 。 1 GB 1 5 0 1 9 9 8 4 钢制 压力 容器 ， 附 录 C。 2API 6 2 0 2 00 9De s i g n a n d Co n s t r u c t i o n o f La r ge，W e l d e d，Lo w pr e s s u r e St o r a ge Ta nk s }。 3BS ENl 46 2 0 20 06De s i g n a n d M a nu f a c t ur e o f Si t e Bu i l t ，Ve r t i c a l ，Cy l i nd r i c a l ，Fl a t bo t t o m e d S t e e l Ta nk s f or t he St o r a ge o f Re f r i g e r a t e d， Li q ue f i e d Ga s e s wi t h Ope r a t i n g Te m p e r a t u r e s Be t we e n 0 。C a nd 1 6 5 。C 。 4 NFPA 59 A 2 0 09 St a n da r d f or t he Pr o du c t i o n，St o r a g e，a nd H a n dl i n g o f Li qu e f i e d Na t u r a l Ga s LNG 。 5 EN1 4 7 3 2 0 0 7I ns t a l l a t i o n a n d Eq ui p m e nt f or Li q ue f i e d Na t ur a l Ga s De s i g n of Ons h o r e I n s t a l l a t i on s 。 2 ． 2 结构设计 L NG球罐采用地上式单容罐结构。内罐为储 存 L NG 的球 罐 ， 外 罐 为 包 容 绝 热 体 的 立 式 圆筒 形 储 罐 。外罐 与 内罐 之 间 的夹层 空 间为 绝 热 层 ， 绝 热 层采用 普通 堆积绝 热 的方 式 ， 填 充 膨胀 珠 光 砂 以 达 到低温 绝热 的 目的[ 6 ] 。 2 ． 3 设计参数 I NG球 罐 内 罐 的 公 称 体 积 及 直 径 应 当 按 照 GB ／ T 1 7 2 6 1 1 9 9 8 4 钢 制 球 形 储 罐 型 式 与 基 本 参 数 选用常规球罐的标准直径和公称体积 ] 。 内罐介质为 L N G， 设计压力小于 1 ． 0 MP a ， 设计温 度为一1 9 6。C。外罐体 积及直径 依据绝 热计算进行 确 定， 外罐填充绝热体及氮气， 设计压力0 ． 0 0 3 MP a ， 工作 压力 0 ． 0 0 2 MP a ， 设计温度一1 9 ／ 5 0。C。 2 ． 4主体材 料 内罐 材 质 0 C r l 8 Ni 9 ， 主 要 特性 ① 低 温 下 有 良 好 的韧性 。② 冲击 值 随温 度 的 降低 减 小 缓 慢 ， 且 不 存在脆性转变温度。③在一1 9 6。 C下的线膨胀 系数 小， 设备在低温下的冷收缩量小。④加工性、 焊接性 比较好。⑤经济性较好 ] 。⑥实际板材的设计厚度 较 小 。因此 ， 不需 要选用 屈强 比较 大 的低 温材 料 。 外罐起 到 包 容 绝 热 材 料 的 作 用 ， 材 质 选 用 Q3 4 5 R。 2 ． 5 绝热方式 根据 L NG球罐蒸发率要求计算 出的夹层空间 比较大 ， 无法用常规抽取真空的方式来保冷 。因此 ， 绝 热形式 选 用普通 粉末 正 压 堆 积绝 热 ， 绝 热 材 料 为 珠 光砂 。 为 了使 绝 热 材料 保 持 良好 的绝 热效 果 ， 对 绝热 空 间充人 工作 压力 为 0 ． 0 0 2 MP a 微 正压 的氮气 ， 其 作用如下 ①防止潮湿空气渗入夹层 ， 使得珠光砂吸 潮后 增加 了导 热率 ， 进 而使 得 绝 热 效 果减 弱 。②可 以排出夹层 中空气 ， 使得夹层 中的氧含量降至最低 ， 以防止 L NG 泄 漏后 与 氧气 混 合 后 发 生 爆 炸 危 险 。 ③可 以通过 测定 夹层 空 间中 的气体 组分含 量来 判断 是否有 泄漏 [ 9 ] 。 2 ． 6接管结构 内罐壳 体上 工艺 管线有 上下 进液 口、 气 相 口、 压 力 及液 位测 量取 源 口 。上 进 液 管 、 气 相 管及 气 相 取 源管 口分别设 置 在球 罐 顶 部 ， 上 进 液 管 伸入 球 罐 内 的管道 为环状 结 构 ， 物 料通 过 分 布 在 环 管 上 的通 孔 注入 内壳 。考 虑液 封性及 液 位测量 的全 液位 问题对 下进 液 管设置 弯管 结构 。 为 了 隔断 管 道 漏热 和 吸 收管 道 的 收缩 膨 胀量 ， 管道 出外罐的连接采用带膨胀收缩 的装置解决 ， 并 填充 绝热 材料 。考 虑 到 管道 的泄 漏 问 题 ， 设 备顶 部 不建议 设 置溢 流管 。 3 L N G球罐建造 3 ． 1 球壳板压制 不 锈钢 球壳 板 采 用 冷 压 成 型 。在 压 制 过 程 中， 球壳板与模具接触面不断发生变化 ， 接触面挤压力 和摩擦力分布很不均匀 。随着接触面的变化 ， 球壳 板 由弹 性变形 向塑性 变 形 转 变 ， 最 终 球 壳板 与 模 具 全 面接 触 ， 弹塑性 变 形 区域 达 到一 次 压 制 的最 大 值 后 不再 扩大 。卸 载后 ， 弹性 变形部 分将 发生 回弹 ， 塑 性 变形 部分将 得 到保 留 。 0 C r l 8 Ni 9 硬 度较 高 ， L NG 球 罐 的球 壳 板较 薄 ， 模具 的 曲率半 径较 小 ， 回弹率 大 ， 成型 时需要 更大 的 压力 。 3 ． 2 焊接工艺评定及焊接材料选用 焊接工艺评定低温韧性的项 目主要包括焊缝金 属及热影响区全尺寸试样在一1 9 6℃的低温冲击值 及侧向膨胀量。文献 [ 1 ] 中给出奥氏体钢焊缝金属 全尺 寸 3个 试 样 的 平 均 值 KV2 ≥ 3 1 J ，经 过 对 E 3 0 8 1 5 及 E 3 0 8 1 6焊条 的工 艺评定 ， 选 用 E 3 0 8 1 6 焊 条 作 为 L NG 球 罐 的 焊 接 材 料 ， 焊 接 接 头 部 位 低 温 韧性 较好 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 李晓明 ， 等 液化天然气 球罐设计及建造 3 ． 3 L NG球罐组焊 3 ． 3 ． 1 内罐 L NG球 罐组 装 采 用 以赤 道带 为 基 准 的散 装 法 工艺 。鉴于不 锈钢 球壳 板壁 薄 ， 且 球壳 板面 积大 ， 吊 装过程中易发生塑性变形 ， 因此采取有效加 固球壳 板刚度的措施并检查被加固板的曲率 ， 同时在 吊装 过程中采用二 吊点的方式 ， 使 吊点均匀受力 ， 防止单 根 吊索受 力 引起 球 壳板变 形 。 不锈 钢 球 罐 焊 接 重 点 在 防 止 焊 接 变 形 。焊 接 前 ， 应 增加 各焊 缝龙 门板 的数量 、 点 固焊 的数量 及长 度 。焊接 过程 中 ， 应 采取 分段退 焊 ， 并在对 称 焊接 中 通过严 格控 制焊 接热 输入 来控制 焊 接变形 。 3 ． 3 ． 2 外 罐 外罐安装应在 内罐完成后进行 ， 并采用倒装法 加正装 法进 行安 装 。拱 顶 在地 面完成 钢结 构组 焊和 检测后 进行 ， 同时利 用 安装 在 夹 层 中的桅 杆 逐 圈从 上到下 安装 罐壁 板 。检 测 完 成 后 ， 使 用 汽 车 吊将 焊 好 的拱 顶安装 在储 罐顶 部 。还可 以在壁 板完 或安 装 后 ， 直 接在顶 部安 装罐顶 钢结 构 。 3 ． 4 耐压试验及泄漏性试验 内罐无损 检 测 合 格 后 ， 装 入 与 L NG 等 效 质 量 的水进行沉降试验 ， 观测基础的沉降值是否满足要 求 。L NG球罐 的耐 压试 验采用 气压 试 验 ， 耐压 试验 合格 后进行 泄 漏性试 验 。 外罐无损检测结束后进行气密性试验 ， 确保外 罐焊 缝 的严 密性 。 3 ． 5 内罐的酸洗钝化 完成 内罐基 础沉 降试验 后再 进行 表 面处理 。 球壳板 及其 部 件 在成 型 、 组 装 、 焊 接 、 焊 缝 检 查 等过程 中带来 表 面 油 污 、 铁锈 、 非金 属 污物 、 低 熔 点 金属污染物 、 油漆 、 焊渣及飞溅物等， 影响了不锈钢 设备与部件表 面质量， 破坏了其表面的氧化膜， 降低 了钢板的耐腐蚀性能。同时由于球壳板在建造过程 中形 成 的微 小 凹坑 及 夹 杂增 大 了低 温 容 器 的反 射 率 ， 进 而影响 低温绝 热容 器 的保冷 性能 ， 故在 不锈 钢 球 罐建造 结束 后 ， 对 不锈 钢 内外 表 面进行 抛光 处理 ， 然后 进行 酸洗 钝化处 理 。 3 ． 6 夹层测温元件的安装 L NG球罐外罐壁 、 绝热空 间的过渡空间、 球 罐 支柱及外罐底板安装的测温元件可以检测设备是否 正常运行 。各测温点的安装位置严格按照给定 的位 置进行固定安装 ， 才能真实反馈各温度点的实际示 值与理论示值的偏差值， 以便判断储罐是否安全 运 行 。测 温元 件宜 选 用 双 支热 电阻 ， 以保 证 热 电 阻 的 可靠工 作性 。 3 ． 7绝热材料充填 现场应对珠光砂进行发泡以保持绝热材料的干 燥 ， 然 后填充 到夹 层空 间 。对于普 通粉 末堆 积绝 热 ， 珠 光砂 的堆 积 密度 保 持 在 4 0 ～ 6 0 k g ／ m。 。在 此 密 度范围内， 珠光砂颗粒之间的空隙率及压紧率适中， 进而减少空隙之间气体的对流导热和颗粒之间的传 递导 热 。此密 度范 围内的堆 积绝 热具有 的绝 热效果 最好 ， 充装 过程 可 以采 用 分 层 捣 实或 是 利 用 安装 在 罐外 的激 振器 来保 持合适 的充 装 密度 。 在珠 光 砂充 填 过 程 中 ， 应对 绝 热材 料 进 行抽 样 检测以确定其实际含水率及导热率是否满足相应的 设计 要求 。 3 ． 8 涂装 外 罐外 表 面涂装 隔热胶 可 以有效 增加 低温 绝热 设 备 的热反 射并 减少 罐体 的吸 收热 。 4 结 语 L NG球罐 的技术、 经济价值优势 明显， 不仅可 以用 来储 存液 化 天然 气 ， 而且 还 可 以 用 于储 存 其 它 低温液态碳氢化合物、 液态氧气、 液态氩气及液态氮 气等低温液化气体 ， 具有广阔的市场前景。 参 考 文 献 [ 1 ] GB 1 5 O 一 1 9 9 8 ， 钢制压力容器[ s ] ． [ 2 ] AP I 6 2 0 --2 0 0 9 ， D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n o f L a r g e ， We l d e d ，L o w p r e s s u r e S t o r a g e T a n k s [ S ] ． [ 3 ] B S E N1 4 6 2 0 -- 2 0 0 6 ， D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r e o f S i t e Bu i l t ， Ve r t i c a l ， Cy l i nd r i c a l ， Fl a t b ot t o me d St e e l Ta nks f or t he St o r a g e of Re f r i ge r a t e d，Li que f i e d Ga s e s wi t h Ope r a t i ng Te mpe r a t ur e s Be t we e n 0℃a nd 1 6 5。 c E s ] ． [ 4 ] N F P A 5 9 A 2 O 。 9 ， S t a n d a r d f o r t h e P r o d u c t i o n ，S t o r a g e ， a n d Ha n d l i n g o f L iq u e f i e d N a t u r a l G a s L N G[ S ] ． [ 5 ] E N 1 4 7 3 2 0 0 7 ， I n s t a l l a t i o n a n d E q u i p m e n t f o r L i q u e f ie d N a t u r a l G a s D e s i g n o f O n s h o r e I n s t a l l a t i o n s [- S ] ． [ 6 ] 刘 福录 ， 李 晓明， 冀峰 ， 等． 1 5 0 0 m。 液化天然气球罐 设计 [ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 0 9 ， 3 8 5 2 9 3 1 ． [ 7 ] G B ／ T 1 7 2 6 1 --1 9 9 8 ， 钢 制球 形 储 罐 型式 与 基 本参 数 I S ] ． [ 8 ] 化学 工业 部第 四设计 院． 深冷 手册下 [ M] ． 北 京 化学 工业 出版社 ， 1 9 7 9 5 0 7 ． [ 9 ] 朱保 国， 李晓明 ， 宋启祥 ， 等． 液化 天然气储罐安 全技术 分析 『 J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 8 6 8 9 ． 许 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m