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1500m3液化天然氣球罐設(shè)計(jì)

文檔作者：劉福錄李曉明冀峰王萬磊高中穩(wěn) 左韌鄭智陽文檔來源： 1．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司 2．河北新地市政建設(shè)工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年02月28日
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第38卷第5期
2009年9月
石油化工設(shè)備
PETR( CHEMICAI EQUIPMENT
Vol_38 No．5
Sept． 2009
文章編號(hào)：1000—7466(2009)05 0029 03
1 500 Ill3液化天然氣球罐設(shè)計(jì)
劉福錄 ，李曉明 ，冀 峰 ，王萬磊 ，
高中穩(wěn) ，左 韌。，鄭智陽
(1．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070；
2．河北新地市政建設(shè)工程有限公司，河北廊坊065001)
摘要：介紹了l 500 m。液化天然氣球罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)，總結(jié)了利用球罐作為低溫絕熱壓力容器的優(yōu)點(diǎn)
及使用前景。
關(guān)鍵詞：球罐；液化天然氣；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TQ 053．2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Design of 1 500 in Liquefied Natural Gas Storage Tank
LIU Fu—lu ，LI Xiao-ming ，Jl Feng ，
W ANG W an—lei ． GAO Zhong—wen ， ZUO Ren ． ZHENG Zhi—yang2
(1．I anpec Technologies Limited， I anzhou 730070， China；
2．Hebei Xindi M unicipal Engineering Co． Ltd．，Langfang 065001，China)
Abstract：The key points on design of 1 500 m。liquefied natural gas spherical tank were de—
scribed，and the advantages and prospects of the spherical storage tank were summ ed up，which
was used as an inside tank for the low—tem perature thermal insulation pressure vessels．
Key words：spherical tank； liquefied natural gas；design
在液化天然氣(以下簡稱I NG)的應(yīng)用中，其儲(chǔ)
存和運(yùn)輸是兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。LNG儲(chǔ)罐的類型較多，
但作為中型、帶壓儲(chǔ)存的低溫絕熱設(shè)備來說，LNG
球罐屬于新型設(shè)備。
LNG球罐在低溫狀態(tài)(一162℃)下工作，在其
運(yùn)行中，外部熱量侵入或充裝時(shí)的沖擊都將使儲(chǔ)罐
中的LNG氣化 。為此，在LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中必須
考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、絕熱保冷、接管變形、支撐隔熱及基
·—— 卜“+ --4-“■ 一-—-卜” — “+ 一+ 一—卜“+ 一+ 一+ “+ ”+ 一十一+ 一+ 一十 + 一-4-_+ + ”十一+ 一+ ”+ 一+
(3)對(duì)雙程套管換熱系統(tǒng)，順流效率始終大于逆 [4]
流效率，說明雙程套管換熱系統(tǒng)應(yīng)采用順流形式。
Es]
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(杜編)
收稿日期：2009—04—28
基金項(xiàng)目：甘肅省科技重大專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)日(0801GKDA040)
作者簡介：劉福錄(1963一)，男，甘肅武威人，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)開發(fā)、制造的相關(guān)工作。
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石油化工設(shè)備 2009年第38卷
礎(chǔ)隔冷等問題。文中以1 500 m。LNG球罐為例介
紹LNG球罐的設(shè)計(jì)情況。
1 設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)
1 500 m。LNG球罐以GB 150 1998《鋼制壓
力容器》及其附錄C《低溫壓力容器》為主要依據(jù)口]，
參照國內(nèi)球罐、立式圓筒形儲(chǔ)罐、低溫容器等相關(guān)設(shè)
計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)法規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，1 500 m。
LNG球罐也借鑒了BS 7777~低溫工作條件下的立
式平底圓筒形儲(chǔ)罐》¨3]、NFPA 59A《液化天然氣
(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》以及EN1473：1997
《液化天然氣設(shè)備與安裝、陸上裝置設(shè)計(jì)》等相關(guān)建
造標(biāo)準(zhǔn)l4 ]。
2 設(shè)計(jì)
2．1 設(shè)計(jì)方案
1 500 m。LNG 球罐采用地上式單容罐結(jié)構(gòu)
(內(nèi)、外罐結(jié)構(gòu))。內(nèi)罐為儲(chǔ)存LNG的球罐，外罐為
用低合金壓力容器鋼板制造的自支撐拱頂結(jié)構(gòu)的立
式圓筒形儲(chǔ)罐。外罐與內(nèi)罐之間的夾層空間為絕熱
層，絕熱層采用普通堆積絕熱的方式，充填膨脹珠光
砂，使球罐達(dá)到低溫絕熱的目的，以便儲(chǔ)存LNG。
絕熱層的厚度通過絕熱計(jì)算確定。
2．2 設(shè)計(jì)參數(shù)
1 500 m。LNG球罐公稱體積為1 500 m。，公稱
直徑14 200 mm，內(nèi)罐設(shè)計(jì)壓力0．42 MPa，設(shè)計(jì)溫
度一196℃ ；外罐設(shè)計(jì)壓力0．003 MPa，工作壓力為
0．002 MPa，設(shè)計(jì)溫度一19／50℃ 。
2．3 選材
內(nèi)罐材質(zhì)0Crl8Ni9，其R。0．¨≥205 MPa，R ≥
515 MPa，在使用溫度范圍內(nèi)有足夠的低溫韌性。
此外，0Crl8Ni9不僅加工性和焊接性較好，而且也
比較經(jīng)濟(jì)。
內(nèi)罐材質(zhì)沒有選擇9Ni鋼的原因：①9Ni鋼易
磁化，對(duì)焊接不利。②9Ni鋼在正火+正火+ 回火
供貨狀態(tài)下具有較好的低溫韌性，但在焊接和熱循
環(huán)的作用下，熔合線的成分及熱影響區(qū)的組織會(huì)發(fā)
生變化，破壞材料原始的熱處理狀態(tài)，使低溫性能下
降，脆性組織生成，呈現(xiàn)較大的冷裂傾向 。由于
Ni元素是奧氏體化形成元素，焊縫金屬中幾乎全部
為奧氏體，無鐵素體等第二相存在，因此，9Ni鋼抗
裂性較差，其焊接過程中要嚴(yán)格控制焊接線能量。
③9Ni的鋼韌性比奧氏體不銹鋼差，對(duì)9Ni鋼要求
做一196℃下的低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊功最低值大于
35 ，一般通過焊接工藝評(píng)定比較困難。相對(duì)而
言，奧氏體不銹鋼在一196℃ 下的線膨脹系數(shù)只有
14．67×1O ℃ l2]，其焊接性更好。在低溫下有良
好的韌性，奧氏體不銹鋼的沖擊值隨溫度的降低減
小較緩慢，并且不存在脆性轉(zhuǎn)變溫度。④ 奧氏體不
銹鋼的價(jià)格也要比9Ni鋼低。1 500 m。LNG球罐
設(shè)計(jì)壓力較低，經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算，壁厚較小，故不需要強(qiáng)
度更高的材料，而希望有較高的剛性余量，選用強(qiáng)度
級(jí)別較低的0Crl8Ni9比較合理。
外罐僅用來保護(hù)和支撐絕熱材料，所以選擇低
合金壓力容器鋼板16MnR，外罐材料與最低設(shè)計(jì)溫
度有直接的聯(lián)系，最低設(shè)計(jì)溫度按設(shè)備安裝地歷年
來月均最低氣溫的最低值進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)最低設(shè)計(jì)
溫度確定外罐材料的類別。
球罐進(jìn)、出液管道等工藝管件在工作狀態(tài)下應(yīng)
具有低溫韌性要求，管道材料選用0Crl8Ni9制無
縫鋼管。
2．4 結(jié)構(gòu)
考慮不銹鋼材料的板幅限制，球殼結(jié)構(gòu)選為4
帶12柱混合式，利用球罐自身表面積最小的優(yōu)勢(shì)，
可以最大幅度降低LNG的蒸發(fā)損失。球罐采用支
柱支撐，與低溫工作下的立式平底圓筒形儲(chǔ)罐相比，
低溫物料的大部分冷能不能直接傳導(dǎo)，避免了對(duì)基
礎(chǔ)的冷凍破壞。但考慮到1 500 m。LNG球罐屬首
臺(tái)產(chǎn)品，支座部分的冷傳導(dǎo)所形成的溫度梯度只有
數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，沒有可靠的T程數(shù)據(jù)作參考，為
了避免非不銹鋼材料發(fā)生冷脆，支座及其部件全部
采用不銹鋼材料。但是全部采用不銹鋼從經(jīng)濟(jì)上不
合理，為此，在本次工程設(shè)計(jì)中考慮對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行
采集和總結(jié)，即在產(chǎn)品投運(yùn)后，利用設(shè)置在支柱上的
測(cè)溫點(diǎn)來監(jiān)測(cè)溫度，通過對(duì)這些溫度參數(shù)的收集和
分析，可以在今后的設(shè)計(jì)中，把影響不大的支柱部分
材質(zhì)換成低合金鋼材料，從而降低造價(jià)。
內(nèi)罐接管根據(jù)工藝充裝需要確定，分別設(shè)置有
上下進(jìn)液管、氣相管、壓力和液位測(cè)量取樣管等。工
藝管道的管徑通過水力學(xué)計(jì)算確定，厚度根據(jù)壓力
確定，選用標(biāo)準(zhǔn)系列。上進(jìn)液管伸人球罐內(nèi)的管道
為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，物料通過分布在環(huán)管上的通孔注入內(nèi)
罐，此結(jié)構(gòu)可以在第一次充裝時(shí)起到預(yù)冷儲(chǔ)罐的作
用，也可以對(duì)有溫度差異的物料從上向下充裝時(shí)起
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第5期 劉福錄，等：1 500 m。液化天然氣球罐設(shè)計(jì)
冷卻作用。考慮液封性及液位測(cè)量的全液位問題，
將下進(jìn)液管設(shè)置成彎管。為了隔斷管道漏熱和管道
的收縮膨脹量，管道 外罐的連接采用帶膨脹收縮
的裝置并填充絕熱材料 ]。
依據(jù)文獻(xiàn)Ez]附錄B中的相關(guān)條款，可以不直
接在容器L安裝安全閥，所以在內(nèi)罐上不設(shè)安全閥。
這主要是從保冷效果考慮，若在內(nèi)罐上設(shè)安全閥，由
于其在絕熱空間與外罐的連接處結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，若結(jié)
構(gòu)不合理及施 不當(dāng)，會(huì)使這個(gè)部位形成最大的漏
熱點(diǎn)，從而影響儲(chǔ)罐的保冷效果，既對(duì)儲(chǔ)罐的安全運(yùn)
行不利，也不便于現(xiàn)場(chǎng)施 一I 。因此，將安全閥設(shè)置在
與內(nèi)罐頂相通的氣相管線上。
2．5 絕熱方式
由于內(nèi)、外罐夾層的體積大于2 000 m。，空間
大，現(xiàn)有的真空設(shè)施無法確保如此大空間的真空度，
不能采用真空方式來保冷，因此，選用普通粉末正壓
堆積絕熱，絕熱材料為珠光砂。通過傳熱計(jì)算確定
絕熱層厚度(內(nèi)、外罐間距)后再按此進(jìn)行核算。本
例核算結(jié)果為，LNG球罐的日蒸發(fā)率小于0．15 ，
其結(jié)果滿足建設(shè)單位的要求。此蒸發(fā)率只有目前使
用相同體積的子母罐的～ 半。
為了使絕熱材料保持絕熱效果，對(duì)絕熱空間充
入2 o00 Pa微正壓的氮?dú)?，其作用是：?防止潮濕
空氣滲入夾層，使珠光砂吸潮后絕熱效果減弱。②
排出夾層【lfj空氣，將夾層中的含氧量降至最低，防止
I NG泄漏后與氧氣混合后發(fā)生危險(xiǎn)。③ 可通過測(cè)
定夾層宅間中的烴組分來判斷內(nèi)罐是否泄漏。
2．6 基6出
外罐立式平底圓筒形儲(chǔ)罐需要的是平面圓形基
礎(chǔ)面，而內(nèi)罐球罐需要的是滿足支柱支撐的環(huán)形梁
基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)底板結(jié)構(gòu)時(shí)，采用兀型結(jié)構(gòu)，避免了軟
硬基礎(chǔ)不均勻沉降的問題。
2．7 其它
I NG的密度差異等會(huì)造成充裝過程的分層和
渦旋等不利現(xiàn)象。在球罐外罐壁設(shè)置測(cè)量溫度的熱
電偶，以監(jiān)測(cè)不同儲(chǔ)存深度的LNG 的溫度，使操作
者能夠及時(shí)采取合適的充裝程序。在絕熱空間中也
分散設(shè)置了相應(yīng)的測(cè)溫裝置，絕熱層的暖側(cè)和冷側(cè)
及過度空間中的測(cè)溫裝置可以將異常的溫度變化反
饋給操作者 j，以便判斷是否存在漏熱等，從而采取
有效的控制措施。在支柱不同的高度上也設(shè)置了熱
電偶，以反饋外界是否通過支撐系統(tǒng)向球罐漏熱的
信息。
3 球罐作低溫絕熱容器的優(yōu)點(diǎn)
采用內(nèi)罐為球罐的LNG儲(chǔ)罐有以下優(yōu)點(diǎn)：①
相同體積下，球罐具有最小的表面積，設(shè)備質(zhì)量和造
價(jià)降低。內(nèi)殼的傳熱面積可以最小，可很有效降低
設(shè)備的蒸發(fā)率。② 球罐的結(jié)構(gòu)使其具有更好的耐
內(nèi)、外壓的能力，即正常氣化產(chǎn)生的氣體壓力不致于
對(duì)儲(chǔ)存設(shè)備造成危害。③ 球罐可以帶壓儲(chǔ)存，提高
設(shè)備內(nèi)LNG 的自排泄能力。④ 球罐采用支柱支
撐，柱腿結(jié)構(gòu)可阻斷內(nèi)殼冷能向基礎(chǔ)傳遞，不用考慮
基礎(chǔ)隔冷。⑤ 球罐的體積可以在400～10 000 m。
選擇，充分解決I NG的生產(chǎn)裝置、調(diào)峰型液化裝置
等工況下液化天然氣的儲(chǔ)存問題。
4 結(jié)語
1 500 m。I NG球罐是國內(nèi)首次采用球罐作為
低溫絕熱壓力容器用于儲(chǔ)存LNG，也是國內(nèi)首例采
用不銹鋼制造的球罐。在其設(shè)計(jì)、制造的過程中，解
決了作為低溫絕熱壓力容器存在的傳熱計(jì)算、絕熱
體熱模擬及優(yōu)化計(jì)算、低溫下設(shè)備及管道收縮變形
的控制、軟硬基礎(chǔ)的互補(bǔ)、測(cè)溫系統(tǒng)和液位控制系統(tǒng)
的可靠性、支撐結(jié)構(gòu)的可行性以及接管變形結(jié)構(gòu)等
工程實(shí)際問題，對(duì)以后同類項(xiàng)目的實(shí)施有一定的示
范作用。
1 500 m。LNG球罐的成功設(shè)計(jì)和應(yīng)用，拓寬了
球罐以往的帶壓氣態(tài)、液態(tài)儲(chǔ)存范圍，不僅對(duì)帶壓低
溫液態(tài)儲(chǔ)存液化天然氣工廠以及調(diào)峰型液化裝置的
儲(chǔ)存設(shè)備進(jìn)行了探索，而且也為其它低溫液態(tài)碳?xì)?
化合物、液態(tài)一氧化碳、液態(tài)氧氣、液態(tài)氮?dú)庖约耙?
態(tài)氬氣等低溫液化氣體的儲(chǔ)存設(shè)備提供了新的
選擇 。
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