20000m3液化天然气储罐区的安全设计

20000m3液化天然气储罐区的安全设计按容量分类（1）小型（550m3）：常用于民用LNG 汽车加注点 及民用燃气液化站等。（2）中型（50100m3）：多用于工业燃气液化站。（3）大型（1001000m3）：适用于小型LNG 生产装置。（4）大型（1000040000m3）：用于基本负荷型和调峰型液化装置。（5）特大型（40000200000m3）：用于LNG 接收站。大型LNG储罐-圆柱形设计内容l1）20000m3的储罐（含附件）选型及尺寸设计；l2）储罐区平面设计；l3）防火堤设计；l4）消防通道设计；l5）总平面设计；l6）罐区重大危险源辨识；l7）罐区危险性分析；l8）罐区的安全管理对策措施设计。LNG储罐设计LNG储罐形式按储罐的设置方式：地上储罐和地下储罐按储罐结构形式：单包容罐、双包容罐、全包容罐及膜式罐按容量分类（1）小型（550m3）：常用于民用LNG 汽车加注点 及民用燃气液化站等。（2）中型（50100m3）：多用于工业燃气液化站。（3）大型（1001000m3）：适用于小型LNG 生产装置。（4）大型（1000040000m3）：用于基本负荷型和调峰型液化装置。（5）特大型（40000200000m3）：用于LNG 接收站。储罐选型：全容罐l LNG储罐属常压、低温大型储罐按结构型式分：单包容罐、双包容罐及全包容罐安全性中中高占地多中少结构完整性低中高操作费用中中低（一）全容罐结构外罐外罐-预应力钢筋混凝土内罐内罐-9%Ni钢保冷层保冷层-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-混凝土罐顶盖；2-金属顶；3-悬挂式平台4-玻璃丝保温层；5-聚氨酯泡沫保温层；6-18Cr-8Ni不锈钢薄膜;7-混凝土侧墙;8-混凝土隔离墙；9-侧面加热系统;10-混凝土底板;11-底部加热器;12-砂砾层全容LNG储罐特点：（1）大大减小外部撞击、飞行物对罐的威胁。（2）消防的喷淋不需要覆盖整个罐顶。（3）混凝土顶储罐的内压可以设计得更高，减少了BOG的量，减少了操作费用，而且由于此压力高于LNG船舱压，BOG返回船舱不需要增压机，减少了设备投资和操作费（4）工期长1、设计要求（1）内罐）内罐设计温度：-170+60 设计压力：29kPa（真空1.5kPa）（2）外罐）外罐安全经受6h的外部火灾；承受地震加速度0.21g；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以上的平均压力；日最大蒸发率0.05%（质量）（3）设计标准储罐的基本设计规范为BS7777。其它相关规范有API620、ACI318、NFPA59A2、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。CSiMnPSMoNiCuCrAlNbVTiCr+Mo0.130.30.90.010.0050.126100.40.30.20.20.20.20.329%Ni钢板（ASTM A553M Type 1）化学成分%Rp 0.2%/MPa抗拉强度抗拉强度/MPaL0/%低温韧性/-196低温冲击功(J)试样断口侧膨胀585690-83020700.381（mm）9%Ni钢板（ASTM A553M Type 1）机械性能（2）罐底n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、热毡层和干沙层。（3）罐壁 罐壁分层安装，分层数按板材宽度而定。对于容积16104m3以上的全容罐一般有10层。最底层壁板厚度24.9mm，最上层壁板厚度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、外罐坐基式坐基式 内罐底板直接坐落在基础上，为防止罐内的低温使土壤冻胀，坐基式基础需要配置加热系统。架空形架空形 混凝土柱浇灌，可以不设加热系统（1）罐基础（2）罐墙壁全容罐的外罐墙用预应力钢筋混凝土制成。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，环向束没束围绕混凝土墙体半圈，分别锚固于布置成90o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，顶面上设有工作台，放置运行控室设备及仪表、阀等。混凝土穹顶内设有碳钢钢板内衬，施工时作为模板，使用时可以防止气体泄漏。全容罐的建造（一）外罐建造（二）内罐建造（三）焊接（四）后续工作（一）外罐建造外罐建造（一）外罐建造1、墙体浇筑 外罐墙体浇筑是混凝土工作量最大的部分。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 在浇筑最上层墙体前，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 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，另一端固定在承压环上。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。压缩空气吹升法，可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。吹顶风机启动吹顶过程中 升顶即将到位测量升顶到位固定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，预板上焊接预埋螺栓，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，将罐顶上的入孔、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。球形顶组装5、罐壁预应力张拉 预应力设计：为抵御各类荷载和作用，在外罐布置预应力筋，张拉后在罐体混凝土中建立合理的预压应力，以保证LNG不至外泄。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，竖向钢绞线两端锚固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90o的四根竖向扶壁柱上。用液压设备拉伸到设计压力后，两端固定，进行水泥灌浆。外罐罐壁的LNG液体压力储罐基础的LNG液体压力在钢制罐顶气举前先张拉罐壁的环向预应力筋；罐顶气举后，水压测试前张拉一半的竖向预应力；关闭外罐壁临时开孔后张拉剩余的竖向预应力。n预应力设计n为抵御各类荷载和作用，在外罐布置预应力筋，张拉后在罐体混凝土中建立合理的预压应力，以保证LNG不至外泄。沿罐壁环向水平布设52道有粘结预应力筋，抵御罐体中的环向拉力；设扶壁柱4个，供预应力筋后张锚固用。每道内含S15.2钢绞线12根，由2段曲线筋组成，每段的包角为180，相互在扶壁柱上交叉搭接，张拉端上下错开，有利于罐壁均匀受力。环向预应力筋分为A、B、C、D4组，AB、CD组分别在同一水平面上包围整个筒体，AB组在扶壁2、4上张拉锚固，CD组在扶壁1、3上张拉锚固，AB和CD组在高度方向上间隔布置。（二）内罐建造n1、罐底内罐底部有两层底板，均为9%镍钢。施工顺序：从下而上，由内而外，由四周到中间。先进行第二层罐底环板安装，焊接完成后，进行底板铺设。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。第一层壁板安装时，要确定在环板的准确位置，可以用专用卡具及辅助工具以调整位置保证组装质量。底板与壁板角焊缝的焊接，至少应安装完第三层壁板及第12层壁板焊缝全部焊完后方可进行。内壁板安装内罐球缝自动焊内壁罐安装3、保温层n 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，克服储罐应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。n 罐顶吊顶上安装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。首先在内罐壁外包一层纤维玻璃棉，包扎好后用专用加热设备加热到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。最后进行顶部甲板珍珠岩的铺设。灌注时注意防潮。n 储罐底部铺设泡沫玻璃砖。膨胀珍珠岩玻璃纤维泡沫玻璃砖（三）9%镍钢焊接 9%镍钢：对磁性敏感，为避免现场焊接时产生电弧偏吹，要求出厂钢材的残余磁含量不超过50高斯，同时现场施工时应远离强磁场，并准备消磁设备。1、9Ni 钢的焊接方法焊条电弧焊(SMAW)钨极氩弧焊(GTAW)熔化极惰性气体保护电弧焊(GMAW)埋弧焊(SAW)SMAW是 9Ni 钢现场焊接所使用的一种适合各种焊接位置,非常灵活且可行的焊接方法。虽然GTAW的焊接效率太低,在工程中选择此焊接方法不太经济,但能得到具有窄坡口的高质量焊接接头,所以只有在特定场合下才选择 GTAW。SAW 是熔敷速率最高的一种焊接方法,特别是在环焊缝焊接时,由于使用了环缝焊接机械系统,其优点更加突出,它几乎适于焊接所有横焊缝和水平位置焊缝。生产实践证明,SMAW 和 SAW 是 9Ni 钢储罐现场焊接效率最高,而且最常用的焊接方法。内罐壁板环缝自动焊接焊条电弧焊如图4-1所示，焊接时电源的一极接工件，另一极与焊条相接。工件和焊条之间的空间在外电场的作用下，产生电弧。该电弧的弧柱温度可高达5000-8000K,阴极温度达2400K，阳极温度达2600K。它一方面使工件接头处局部熔化，同时也使焊条端部不断熔化而滴入焊件接头空隙中，形成金属熔池。当焊条移开后，熔池金属很快冷却、凝固形成焊缝，使工件的两部分牢固的连接在一起。埋弧焊(SAW)电弧在焊剂层下电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的燃烧进行焊接的方法称为埋弧焊方法称为埋弧焊 2、焊接材料 选择焊接材料一般应考虑以下几个问题:（1）低温韧性 9Ni 钢主要用来建造低温设备,焊缝要在低温下工作,在选择焊接材料时,一定要考虑焊缝的低温韧性问题。（2）热膨胀 9Ni 钢的线膨胀系数较大,在 20196 之间,线膨胀系数为8.05 10 6-1。为了降低接头的焊接应力,在选择焊接材料时,焊缝金属的热膨胀系数应尽可能的接近 9Ni 钢的热膨胀系数。（3）电弧磁偏吹 尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。9Ni钢在电弧焊中常用的焊接材料有 4 种,即 w(Ni)=11%的铁素体型 w(Ni)=13%和 w(Cr)=16%的奥氏体不锈钢型 w(Ni)60%的镍基型(Ni-Cr-Mo 系合金)w(Ni)40%的 Fe-Ni 基型(Fe-Ni-Cr 系合金)。虽然高镍合金焊材将增加成本,但使用高镍合金焊材是解决性能和结构完整性等首要问题的最适合的选择。3、焊接方法 用9Ni 钢建造的设备要在-100 低温,甚至-196 的超低温下工作,故其焊接接头必须有良好的低温韧性,所以必须避免接头过热和晶粒长大。（1）焊前不预热且须严格控制层间温度。因为预热温度和层间温度直接影响焊后冷却速度,冷却速度越慢,有助于晶粒长大,所以 9Ni 钢焊前一般不预热,层间温度不宜超过 100。（2）选择合适的线能量。因为焊接热循环的正确与否直接关系到接头组织、晶粒大小和性能。焊接线能量应控制在 45 kJ/cm 以下,通常为 735kJ/cm。（3）进行多层多道焊,避免单道焊。实验发现,即使小线能量(15 kJ/cm)单道热循环CGHAZ(粗晶热影响区)的低温(-196 )冲击功也非常低,经过800 或 900 二次热循环后,低温冲击功明显提高;三次热循环能进一步改善其低温韧性。所以,焊接 9Ni 钢时应进行多层多道焊。（4）尽量选用交流极性的电流。由于 9Ni 钢是一种强磁性材料,极易被磁化,采用直流电源时易出现磁偏吹现象,影响焊接工艺的稳定性,直接影响接头质量。（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PT、RT、PMI和真空试验等必要的检验。（1）PT检验-焊缝，焊道检验（EN571-1标准）（2）RT检验-镍钢壁板与环板的对接焊缝进行射线探伤（3）真空试验-确保焊缝气密性（4）PMI检验-焊缝抽检，合金成分鉴定，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 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。试验完成后，第二次对焊缝进行真空检验。（2）气压试验 内罐盛水试漏合格后，将外罐开口大门复位合格后，进行外罐气密性试验，气压试验压力36.25kPa，保持1h以上，负压500Pa检测真空性。3、干燥和冷却1）干燥：）干燥：采用液氮循环冷却的方式，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。2）冷却：）冷却：罐内喷射LNG，缓慢，均匀进行。珍珠岩混凝土角保护Wall X-Section不锈钢内衬1mm全容LNG储罐特点：（1）大大减小外部撞击、飞行物对罐的威胁。（2）消防的喷淋不需要覆盖整个罐顶。（3）混凝土顶储罐的内压可以设计得更高，减少了BOG的量，减少了操作费用，而且由于此压力高于LNG船舱压，BOG返回船舱不需要增压机，减少了设备投资和操作费（4）工期长尺寸计算设全容罐的高径比为1：2，则（3.14/4）*d2*h=20000,得Di=38m附件据SH/T3007-2007石油化工储运系统灌区设计规范压力储罐除应设置人孔，放水管、进出口接合管、梯子及操作平台外，应尽量减少开口数量。l一、支柱l根据全容罐罐储量，采用8根支柱l二、人孔结构l一般选用DN500较适宜。通常全容罐上设有两个人孔l三、接管结构l接管应按有关规定进行补强。l四、梯子平台l全容罐外部设有顶部平台、中间平台以及从地面进入平台的斜梯、直梯或盘梯。l五、水喷淋装置 全容罐罐上装设水喷淋装置是为了内盛的液化天然气的隔热需要，同时也可起消防保护作用。l六、液位计 应设置两个液位计，全容罐采用的液位计主要有浮子-齿带液位计、玻璃板式液位计、雷达液位计、超声波液位计l七、压力表 应在罐壳的上部和下部各设一个以上的压力表，压力表的最大刻度为正常运转压力的1.5倍以上（不要超过3倍）。l八、安全阀 在气相部分设置一个以上的安全阀和辅助的火灾安全阀。安全阀的形式通常采用直接载荷弹簧式l九、温度计 在全容罐上安装1个以上的温度计。防火堤设计 根据石油化工企业设计防火规范 6.2.12.1、6.2.17.2、6.2.17.6，以及根据储罐区防火堤设计规范（GB50351-2005）中3.31防火堤、防护墙及隔堤、隔墙的设计高度，应符合下列规定：l1.防火堤内的有效容积不应小于一个最大储罐的容积；l2.应在防火堤的不同方位上设置不少于两个人行台阶或梯子,确定防火堤的高度为2.2m消防道路设计 根据石油化工企业设计防火规范（GB50160-2008）中5.2.10和消防信 道设计规范装置内消防道路的设置应符合下列规定：l1.装置内应设贯通式道路，道路应有不少于两个出入口，且两个出入口宜位于不同方位。当装置外两侧消防道路间距不大于120m时，装置内可不设贯通式道路；l2.道路的路面宽度不应小于4m，路面上的净空高度不应小于4.5m；路面内缘转弯半径不宜小于6m。罐区危险性分析 LNG的危险性:储存过程中的沸腾与翻滚;低温冻伤;泄露;低温麻醉;窒息;冷爆炸;火灾。可燃气体泄漏后与空气混合达到爆炸极限时，遇到引火源就会发生燃烧或爆炸。泄漏后起火的时间不同，泄漏后果也不同：(1)立即起火可燃气体从容器中往外泄出时即被点燃，发生扩散燃烧，产生喷射性火焰或形成火球，能迅速地危及泄漏现场，但很少影响到厂区的外部。（2）滞后起火。可燃气体泄出后与空气混合形成可燃蒸汽云团，并随风漂移，遇火源发生爆燃或爆炸，能引起较大范围的破坏。CNG储罐破裂蒸汽云爆炸蒸汽云爆炸蒸汽云爆炸持续泄漏储罐整体破裂立刻点火可燃气团立刻点火可燃气团延迟点燃延迟点燃没有点燃没有点燃喷射火闪火无火灾无火灾闪火 LNG泄漏后果分析泄漏后果分析翻滚 翻滚现象是指两层不同密度的LNG在储罐内迅速上下翻动混合,瞬间产生大量气化气的现象。此时罐内LNG的气化量为平时自然 蒸发量的1050倍,将导致储罐内的气压迅速上升并超过设定的安全压力,使储罐出现超压现象。如果不及时通过安全阀排放,就可能造成贮槽的机械损伤,带来经济上的损失及环境污染。翻滚现象发生的根本原因是储罐中不同层的液体密度不同,存在分层（图1）,组分对于蒸发、翻滚产生的时间和严重性具有重要的影响。PID图总平面布置图A0A0.0 0A A04040 0A A06060 0A A08080 0A A1 10000A A12120 0A A14140 0B0.0B0.0B B02020 0B B04040 0B B06060 0B B08080 0B B1 10000B B12120 06 6编编号号1 12 29 93 34 41 12 27 75 59 98 8注注 释释3 34 46 68 87 75 5总变配电所总变配电所生产调度中心生产调度中心 消防水泵站消防水泵站 中央控制室中央控制室 人人 进出进出 行政楼行政楼 物物 进进 全容罐全容罐 物物 出出B B14140 0B B16160 0B B18180 0A A02020 0A1A16 60 0