液化天然气卧式储罐设计探讨.pdf

石 油化 工设 计 P e t r o c h e mi c a l De s i g n 液化天然气卧式储罐设计探讨 练 金 池 中海石油惠州新能源有限公司，广东 惠州5 1 6 0 0 0 摘要 近年来绿 色能源L N G 液化天然气 加气行业发展迅猛。在 L N G加气站的建设 中， 真空绝热深 冷储罐是其中最关键的设备之一。从介质组成、 容器的结构、 材料选择、 应变强化设计 以及容器的建造等 方面， 对容器的设计和制造进行了论述， 并重点对 L N G低温储罐设计中的应变强化理论应用进行 了探讨， 该理论的应用使容器制造的材料成本大幅下降， 节约了传统理论设计值的5 0 ％左右， 同时其运输成本和 安装成 本的显著降低 。该项技 术 已经成功应用 于近 百个加 气站项 目。 关键词 真 空绝 热低 温储罐材料应 变强化 低碳交通是保护环境 、 应对全球气候变化 的 需要 。天然气是一种清洁能 源， 推广使用液化 天 然气 L N G 车辆 ， 采用液化天然气替代燃油 ， 不但 可以降低车辆运行燃料成本 ， 延长发动机寿命 ， 运 行安全可靠 ， 而且可 以大幅度减少汽车有 害尾气 排放 ， 减少温室 气体 C O 排放 。天然气在液 化前 必须经过严格的预净化 ， 因而 L N G中的杂质含量 远远低于 C N G， 为汽车尾气或作为燃料使用时排 放满足更加严格的标 准 如 “ 欧 Ⅳ” 甚至 “ 欧 V” 创造了条件。 随着新能源汽 车的发展 ， 液化天然气 L N G 汽车加气站正迅速在国 内兴 起 ， L N G加气产业正 处于蓬勃发展 阶段。作为 L N G加气 站的关键设 备L N c真空绝热深冷容器 ， 近年来在设计 、 制 造等方面的技术不断发展进步。本文 以L N G加气 站最为常见 6 0 m 卧式 L N G储罐为例， 对 L N G真 空绝热深冷容器的设计进行探讨 。 1容器 结构 由于 L N G加气站的储罐为低温 、 低中压容器 ， 所以它的结构形式通常采取如下设计 容器 的形 式为卧式双鞍座低温储罐 ， 由外容器与 内容器 以 及中间的抽真空夹层组成。夹层采用真空粉末绝 热。夹层封结真空度 ≤5 P a 。内容器 2 5 0 0 mm 7 mm采用椭 圆形封头 E H A ， 外容器 的直径 4 , 3 0 0 0 mm1 0 m m采用碟形封头 T H A 。内与 外容器之间的支承件为环氧玻璃钢管 左 右各 4 个 ， b 2 0 0 m m 3 0 mm 。 容器的设计参数 工作压力 1 ． 2 0 MP a ； 3 作温 度 一1 6 2 o C， L N G密度 0 ． 4 5 g ／ c m ； L N G组分 以 大鹏接收站 L N G为例 详见表 l 。 表 1 L N G组分 ％ m o 1 2 容 器材 料选 择 由表 1看 出L N G的硫化氢含 量较低 ， 比较 清洁 ， 介质成 分对钢板的腐蚀性很低。考 虑工作 温度以及工作压力等因素 ， 内容器材料可 以选择 3 0 4 0 8或者 X 5 C r N i l 81 0 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 71 5 。 作者简介 练金池， 男， 1 9 8 9年毕业于中国石油大学 华东 油品储运专业， 学士， 现任 总经理， 高级工程 师， 现主要从事液化天然 气储运工作。联 系电话 0 7 5 2 2 3 0 1 6 9 8 ； Em a i l L l j c h 1 2 6 ． c o rn 2 6 石 油 化 工 设 计 2 0 1 5 年第 2 期 第 3 2 卷 5 3 0 4 0 8是 G B 2 4 5 1 l 一2 0 】 9 承压设备用不锈 钢钢板及钢带 的不锈钢牌号 ， X 5 C r N i l 8 ． 1 0是 E N 1 0 0 2 8 7 中的材料牌号。2种材料属于相近 牌号。 2种牌号材料在化学成分和力学性能等方 面 的对比详见表 2和表 3 。 表 2 材料化学成分对 比 化学成分 质量 分数 ， ％ 钢材牌号或代号 C S i Mn P S Ni Cr Mo N Cu S 3 O 4 O 8 O． O 8 0． 7 5 2． o o O． o 3 5 O． O 2 O 8 ． 0 0 ～l 0． 5 O 1 8． o 0 2 O． 0 o O． 1 O X5 Cr Ni 1 8 1 O ≤0． 0 7 ≤ 1 ． 0 0 2． 0 0 0． 0 4 5 0． 01 5 8． O ～l O． 5 1 7． 5 ～l 9． 5 ≤O． 1 O 表 3 材料力学性 能对 比 规定非比例 规定非比例 抗拉强度 最小冲击能量／ k V 厂 耐晶闯腐蚀 钢材牌号 类型 延 伸强度 延伸强度 延长率 A， ％ 2 0 ℃ 2 O ℃ 或代号 R m 一1 9 6℃ R p 0． 2 ／ MPa Rp 0 ． 1 ／MP a L o n g ． T r ． S 3 O 4 O 8 H 2 O 5 2 5 0 5 2 0 4 0 按 合同 X 5 C r N i 1 81 0 H 2 1 0 2 5 0 5 2 0～ 7 2 0 4 5 l o 0 6 0 6 0 有 由表2和表 3比较可知 这两种相近牌号的 奥 氏体不锈钢 ， 在 P的含量方面 ， G B 2 4 5 1 1中的规 定优于欧洲标准 E N 1 0 0 2 8 ． 7 ， 但是 3 0 4 0 8 在机械 性能指标上 ， 与 X 5 C r N i l 81 0还有一定差距。因 为本容器运用 了应变强化理论设计 ， 采用 了较 常 规设计高的许用应力 ， 对材 料的机械性能等要求 较高 ， 因此内容器的材料选用 X 5 C r N i l 81 0更为 合理一些 。 容器的材料可以采用境内材料制造单位制造 的境外牌号钢板。按容规 规定 ， 在材料 要求 中应 增加技术要求 ， 使 X 5 C r N i l 81 0的技术指标不低 于 G B 2 4 5 1 l 2 0 0 9中 3 0 4 0 8的要求。用于该容器 的材 料 X 5 C r N i l 81 0实 测 P含 量 为 0 ． 0 2 8～ 0 ． 0 3 4 ， 亦满足 G B 2 4 5 1 1中对 P含量的较高要求 。 3 低温容器强度设计遵循的规范和标准 容器的设计规范 、 标准有 G B 1 5 0 ． 1～1 5 0 ． 4 2 0 1 1 压力容器 [ 3 1 、 T S G R 0 0 4 --2 0 0 9 固定式压 力容器安全技术监察规程 j 、 G B ／ T 1 8 4 4 2 ． 1～ 1 8 4 4 2 ． 6 固定式真空绝热深冷压力容器 ， 以及 经过容标委技术评审的奥 氏体不锈钢应变强化深 冷固定容器的企业标准。 规范 G B 1 5 0 ． 11 5 0 ． 4 2 0 l 1中不考虑低温 对奥氏体不锈钢的强度影响 ， 在 G B 1 5 0 ． 2的表 5 高合金钢板许用应力中， 奥氏体不锈钢 的许用应力 在 ≤2 0℃的温度条件下， 均为 2 0 时的许用应力。 比如 3 0 4 0 8在≤2 0 c I 时 ， 许用应力均为 1 3 7 M P a 。 随着温度降低 ， 奥 氏体不锈钢的强度会提高。 奥氏体不锈钢 的屈强 比相对较低 ， 按照传统 压力 容器许用应力确定方法 ， 不能充分发挥奥 氏体钢 的优 良综合性能。可采用应变强化技术来提高其 屈服强 度 ] 。本 容 器 采用 室 温 应 变 强 化 技 术 ， X 5 C r N i l 81 0的许 用应 力 取 值 为 2 7 3 MP a ， 比 5 3 0 4 0 8在 ≤2 0℃的许用应力要提高较多， 按应变 强化许用 应力设 计 的容器 壁厚 下降 ， 质量 减轻 。 具体数值 比较如表 4 。 表 4 不 同设计方法得 到的许用应力 、 壁厚 、 重量及其 比较 应变强化设计 不属于容规规定 的设计 方法 ， 按照容规 1 ． 9条 j ， 对于不符合规 程时 的特殊处 理规定 中指 出， 相关 单位 应 当将 有关 的设计 、 研 究、 试验等依据 、 数 据 、 结果及 其检验检测报告等 技术资料报 国家质量监督检验 检疫 总局 ， 由质检 总局委托有关的技术组织或者技术机构进行技术 评 审 。 技术评审的结果经过 国家质 检总局批 准后 ， 采用新材料 、 新技术 、 新工艺 的压力容器方可进行 试制 、 试用。所 以按照室温强化技术设计 制造 的 容器 ， 其设计准则 ， 制造资格均应经质检总局技术 评审 ， 并批准备案。 2 0 1 5年第2期 第 3 2卷 练金池． 液化天然气卧式储罐设计探讨 ‘2 7 4 容器的建造 按照 G B 1 5 0 ． 1中 3 ． 1 ． 1 5条中对低温容器的 定义 ， “ 设计 温度低 于 一2 0 c I 二 的碳 素钢 、 低合金 钢 、 双向不锈钢和铁素体不锈钢制容器 ， 以及设计 温度低于 一1 9 6 o C的奥 氏体 不锈钢容器 ” 。按 此 定义 ， L N G真空绝热深冷储罐不属于 G B 1 5 0 ． 1规 定 的低温容器 ， 不需要按照 G B 1 5 0 ． 3 关于低温压 力容器的基本设计要求 附录 E进行建造。本容 器设计温度等 于 一1 9 6 o C， 应按 照 G B 1 5 0 ． 4 制 造 、 检验和验收 标准建造 J 。因为容器采用真 空绝热结 构 ， 建造标 准还应遵照 G B ／ T 1 8 4 4 2 ． 1 1 8 4 4 2 ． 6 _2 0 1 1 固定式真空绝热深冷压力容器 ， 该标准和 G B 1 5 0同属与压力容器系列标准 ， 并对 低温绝热容器做 了进一步规定 。 。 。低温绝热容器 的夹层封结真空度 ， 容器液体蒸发率 ， 真空夹层漏 率 ， 真空夹层漏放速率等均应遵守 G B ／ T 1 8 4 4 2的 规定。 由于 L N G真空绝热深冷容器采用应变强化技 术 ， 其制造 的过程 中有应变强化 的工序。容器 的 制造 、 检验 以及验收等 ， 需要 区分应变强化前与应 变强化后 2种状态。例如焊缝 的返修 ， 焊接工艺 评定拉伸试验结果合格指标 等， 均应 区分强化前 后的不同情况。 综上所述 ， 随着近年来 国内天然气产业 的迅 速发展 ， 液化天然气 真空绝热深冷容器 的数量不 断增加 。该容器 的设计 和制造技术越来越成熟 ， 而应变强化理论在深 冷容器的设 计 、 应变强化工 艺 、 制造等方面的广泛应用 ， 使奥 氏体不锈钢深冷 容器的壁厚大大减薄， 产品材料成本大 幅下降 ， 在 节能降耗方面产生了显著的效益。 参考文献 [ 1 ] G B 2 4 5 1 1 _2 0 0 9承压设 备用不锈钢钢板及 钢带 [ S ] ． [ 2 ] E N 1 0 0 2 87 2 0 0 7 F l a t p r o d u c t s m a d e o f s t e e l s f o r p r e s s u r e p u r p o s e p a r t 7 s t a i n l e s s s t e e l s[ S ] ． [ 3 ] G B 1 5 0 ． 1 1 5 0 ． 4 2 O 1 1压力容器[ S ] ． [ 4 ] T S G R 0 0 4 --2 0 0 9固定式 压力容器安全技术监察 规程 [ S ] ． [ 5 ] G B ／ T 1 8 4 4 2 ． 1 1 8 442 ． 6固定式真空绝热深冷压力 容器[ S ] ． [ 6 ] 郑津洋， 缪存坚， 寿比南． 轻型化 一压力容器的发展 方向[ J ] ． 2 0 0 9 ， 2 6 6 4 2 4 8 ． [ 7 ] 陈朝晖， 徐峰 ， 杨国义． G B 1 5 0 _2 0 1 1 压力容器 问 题解答 [ M] ． 北京 新华出版社 ， 2 0 1 3 ． 上接第 2 4页 表 6 动作 时序 时间 m s I D I f k A T 1 f ms I ．2 f m s 条件 4 4 O 0． 4 k V C B1 38 ． 8l 9 3 6 0 4 4 0 P h a s e 6 0 o R e l e 、 r2 7 1 ． 7 9 2 6 0 o 相 一O C 25 0 6 5 5 H A 0 4 5 5 ． 0 脱扣 由 Re l a y 2 7相 一O C 2 5 0 R e l a y 2 0 1 ． 7 2 9 1 6 7 2 相 一O Ct 一5 1 1 7 2 7 H A O l 5 5 ． 0 脱扣 由 Re l a y 2 0相 一O C 1 5 1 R e l a y 2 7 1 ． 7 2 9 2 0 7 2 相 一O C1 5 1 2 1 2 7 H A 0 4 5 5 ． O 脱扣 由 R e l a y 2 7相 一O C 1 5 1 2 7 8 6 R e l a v l 8 1 ． 7 2 9 2 7 8 6 相 一OC 1 5 1 2 8 41 上级 出线 C B 1 5 5 ． O 脱扣由 R e l a y l 8相 一O C 1 5 1 4结语 随着石化装置规模 的不断扩大 ， 对供 电的可 靠性和稳定性要求更加 苛刻 ， 由此带来 的继 电保 护整定和校验工作也越来 越复杂 ， 传统 手绘继 电 保护配合曲线工作量将会 大大增加 ， 而且 定值调 整后更新配 合曲线 非常复杂 ； 而利用 工程软件可 以方便准确地输出 T C C曲线 ， 定值整定及 曲线调 整方便直观 ， 能显著减少工作量。采 用工程软件 进行继 电保 护整定及 曲线配合分析 ， 可 以极 大地 提高整定效率和质量。 参考文献 [ 1 ] 中国航空工业规划设计研究院组 ， 编． 工业 与 民用配 电设计手册 3版 [ M] ． 北京 中国电力 出版社， 2 00 5．