LNG储罐构造及建设技术.ppt

LNG储罐 LNG储罐属常压 低温大型储罐 LNG低温储罐的特殊要求 1 耐低温 常压下液化天然气的沸点为 160 LNG选择低温常压储存方式 将天然气的温度降到沸点以下 使储液罐的操作压力稍高于常压 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 因此 LNG要求储液罐体具有良好的耐低温性能和优异的保冷性能 2 安全要求高 由于罐内储存的是低温液体 储罐一旦出现意外 冷藏的液体会大量挥发 气化量大约是原来冷藏状态下的300倍 在大气中形成会自动引爆的气团 因此 API BS等规范都要求储罐采用双层壁结构 运用封拦理念 在第一层罐体泄漏时 第二层罐体可对泄漏液体与蒸发气实现完全封拦 确保储存安全 3 材料特殊 内罐壁要求耐低温 一般选用9Ni钢或铝合金等材料 外罐壁为预应力钢筋混凝土 4 保温措施严格 由于罐内外温差最高可达200 要使罐内温度保持在 160 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的承压性能 5 抗震性能好一般建筑物的抗震要求是在规定地震荷载下裂而不倒 为确保储罐在意外荷载作用下的安全 储罐必须具有良好的抗震性能 对LNG储罐则要求在规定地震荷载下不倒也不裂 因次 选择的建造场地一般要避开地震断裂带 在施工前要对储罐做抗震试验 分析动态条件下储罐的结构性能 确保在给定地震烈度下罐体不损坏 6 施工要求严格储罐焊缝必须进行100 磁粉检测 MT 及100 真空气密检测 VBT 要严格选择保冷材料 施工中应遵循规定的程序 为防止混凝土出现裂纹 均采用后张拉预应力施工 对罐壁垂直度控制十分严格 混凝土外罐顶应具备较高的抗压 抗拉能力 能抵御一般坠落物的击打 由于罐底混凝土较厚 浇注时要控制水化温度 防止因温度应力产生的开裂 1 内罐壁内罐壁是低温储罐的主要构件 由耐低温 具有较好机械性能的钢板焊接而成 一般选用A5372级 A516Gr 60 Gr18Ni9 ASME的304等特种钢材 如某罐内罐底板和环板选用厚16mm 材质为A537CL2的钢板 其余板则可选用厚6 35mm 材质为A537CL1的钢板 2 保冷层 1 罐壁保冷 外罐衬板内侧喷涂聚氨酯泡沫 一般要求聚氨酯泡沫导热系数 0 03W m K 密度40 60kg m3 厚度150mm左右 2 罐顶保冷 内罐顶采用悬吊式岩棉保冷层 如某罐罐顶设置了4层玻璃纤维保冷层 每层厚100mm 玻璃纤维棉的密度为16kg m3 导热系数为0 04W m K 3 罐底保冷罐底保冷比较复杂 除了钢板下喷涂聚氨酯泡沫外 还要设计防水结构 下图是某罐罐底的保冷结构 包括65mm厚的垫层 60mm厚的密实混凝土 2mm厚的防水油毡 2层各100mm厚的发泡玻璃 最后用70mm厚混凝土覆盖 以保护外罐混凝土不受过低温度的影响 3 混凝土外罐混凝土外罐壁 外罐顶由预应力钢筋混凝土及耐低温钢衬板构成 混凝土强度应 25MPa 外罐顶和罐壁要能承受气体意外泄漏产生的内压力 因此 钢筋混凝土要具备足够的抗拉强度 对于大型储罐 为使预应力混凝土罐壁均衡受力 可采用等强不等厚或等厚不等强的设计方法 低温绝热技术 绝热 减少或抑制热流从高温流向低温 绝热方式 1 堆积绝热2 高真空绝热3 真空粉末绝热4 高真空多层绝热5 高真空多屏绝热 堆积绝热 选择导热系数小的绝热材料装填在在需要绝热的部位上以达到绝热的目的 堆积绝热材料的种类 1 泡沫型聚氨酯 聚苯乙烯 橡胶等 2 粉末型珠光砂 3 纤维型玻璃纤维 矿棉 石棉 2 和 3 共同使用 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 5 50m3 常用于民用LNG汽车加注点及民用燃气液化站等 2 中型 50 100m3 多用于工业燃气液化站 3 大型 100 1000m3 适用于小型LNG生产装置 4 大型 10000 40000m3 用于基本负荷型和调峰型液化装置 5 特大型 40000 200000m3 用于LNG接收站 LNG储罐 球形 按形状分类 LNG储罐 圆柱形 大型LNG储罐 圆柱形 按LNG储罐设置方式 按结构型式分 单包容罐 双包容罐及全包容罐 储罐主要技术参数 外罐内径82000mm 内罐直径80000mm 外罐总高度49925mm 内罐总高度35430mm 第二节储罐的结构与建造 由于全容罐具有更高的安全性 在LNG储存越来越大型化并且对储存安全性要求越来越高的今天 全容罐得到更多的采用也是必然的 地上 地下 一 全容罐结构 外罐 预应力钢筋混凝土内罐 9 Ni钢保冷层 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 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 NFPA59A 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ASTMA553MType1 9 Ni钢板 ASTMA553MType1 化学成分 9 Ni钢板 ASTMA553MType1 机械性能 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 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16 104m3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 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 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 1 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1 2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 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 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 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 电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称为埋弧焊 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20 196 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45kJ cm以下 通常为7 35kJ cm 3 进行多层多道焊 避免单道焊 实验发现 即使小线能量 15kJ 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 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 罐内喷射LNG 缓慢 均匀进行 珍珠岩 混凝土 角保护 WallX Section 不锈钢内衬1mm 第三节LNG的储存安全 液化天然气储存安全技术主要有以下几个方面 1 储罐材料 2 LNG充注 3 储罐的地基 4 储罐的隔热 5 安全保护系统 一 LNG的储存特性 一 液体分层LNG是多组分混合物 因温度和组分的变化 液体密度的差异使储罐内的LNG可能发生分层 一般罐内液体垂直方向上温差大于0 2 密度大于0 5kg m3时 即认为罐内液体发生了分层 二 老化LNG是一种多组分混合物 在储存过程中 各组分的蒸发量不同 导致LNG的组分和密度发生变化 这一过程称为老化 三 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10 50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 1 LNG储罐在长期储存中 因其中较轻的组分 主要是N2和CH4 首先蒸发 自发形成翻滚 2 LNG储罐中原来留有LNG 在充装密度不同 温度不同的新LNG一段时间 几个小时甚至几十天 后 突然产生翻滚的现象 对于连续生产运营的接收站 储罐产生翻滚的现象主要属于第二类 船上LNG密度小 而储罐底部LNG密度大 当储罐内LNG产生分层后 随着外部热量的导入 底层LNG温度升高 密度变小 顶层LNG由于BOG的挥发而变重 经过传质 下部LNG上升到上部 压力减小 成为过饱和液体 积蓄的能量迅速释放 产生大量的BOG 即产生翻滚现象 LNG分层是引发翻滚的前提检测分层的方法 1 温度监控 2 密度监控 3 BOG监测 4 消除分层及预防翻滚 储罐一旦产生分层后 在外输时首先泵出储罐底部的LNG LNG分层后 应采用顶部进入装置进行循环作业 以促进储罐内LNG的混合 避免发生翻滚 但同时增加了蒸发气量以及处理这些增加的蒸发气的费用 见图4 卸船时 当船上的LNG密度比储罐内LNG密度重时 从顶部卸料管进罐 反之 从底部卸料管进罐 这样可以促进不同密度的LNG在储罐内自行混合 消除分层