液化天然气球罐设计建造

【摘 要】随着液化天然气的发展,液化天然气的储存和运输越来越得到人们的重视.本文针对液化天然气球罐进行了详细的介绍和设计,简述了2000m3LNG球罐的设计及建造的要点,球罐的设计对同类的设备有着重要的指导意义.

【关 键 词】液化气球罐设计制造

1前言

储存和运输是液化天然气（LNG）应用过程中重要的两个环节中.虽然有很多类型的LNG储罐,但是对于LNG球罐这种中型的、在压力下储存且绝热低温的设备而言还是比较前言的,本文设计了一套2000m3的LNG球罐.

2天然气球罐设计、建造标准

本文设计的2000m3LNG球罐的依据主要是《钢制压力容器》?（GB150―1998）和《低温压力容器》,并参照国内相关的圆筒储罐、球罐以及低温容器等设计、施工法规和标准.另外2000m3的LNG球罐借鉴的标准还有《液化天然气（LNG）生产、储存标准》、《低温立式平底圆筒形储罐》以及《液化天然气设备、陆上装置设计》等相关

标准[1-2].

3球罐设计方案

本文设计的2000m3LNG球罐使用的结构为地上式单容罐.球罐的外罐是一个立式圆筒形储罐,该储罐使用的材料为低合金压力容器钢板,结构为自支撑拱顶.球罐的外罐LNG球罐,外罐和内罐的夹层是一个绝热的空间,这个绝热层的绝热方式是普通堆积绝热,在空隙中填充珠光砂,我们通常利用绝热计算来确定此层的厚度.

4球罐设计参数

本文设计的2000m3LNG球罐储罐公称体积2000m3,直径18200mm.球罐外罐的设计温度-20/50℃,压力0.003MPa,工作压力0.002MPa；内罐的设计温度-200℃,压力0.42MPa.

5球罐材料

本文设计的LNG球形储罐采用的内罐材质为0Cr18Ni9,Rm≥515MPa、Rp0.2≥205MPa,选择这样的材料可以使的球罐在使用的温度范围内低温韧性足够.0Cr18Ni9还具有较好的加工、焊接性,经济性也比较好.

9Ni钢是常用的储罐材料,本文设计的球罐内罐没有选择它是由于：首先,型号为9Ni的钢容易磁化,不利于焊接.其次,型号为9Ni的钢虽在正火、回火的状态下有低温韧性,可知当遇到热循环或者焊接时,热影响以及熔合线的等区域的组织就会受到破坏,材料原始热状态被破坏,低温性能降低,脆性增大,会具有冷裂的倾向.再其次,型号为9Ni的钢和奥氏体不锈钢相比韧性差,-196℃下对9Ni钢进行低温冲击,当冲击的功率大于35J时,焊接工艺的焊接性不好,而在相同温度下奥氏体不锈钢线膨胀系数仅14.67×10-6℃-1,具有较好的焊接性.低温下韧性好,奥氏体不锈钢随着温度降低冲击值较缓慢的减小,而且奥氏的没有脆性的转变温度.最后,奥氏体不锈钢和9Ni钢相比低.由于2000m3的LNG球罐具有设计压力低的特点,所以球罐的壁厚较小,强度较高材料的应用没有必要,真正需要的是较好的刚性余量,所以0Cr18Ni9材料被选择用

来建造球罐的内罐较合理[3-4].

由于球罐的外罐作用是支撑、保护绝热材料,故我们选择型号为16MnR的低合金压力钢板,和材料关系最密切的就是最低温度,这个最低的设计温度的设计值是按照当地月平均气温最低值.最后就是球罐的进、出口的管道,它们的要求是具有低温韧性,这些管道选用的材料为0Cr18Ni9型号的无缝钢管.

6球罐结构

由于受到不锈钢材料板幅的限制,选择设计的球壳为12柱4带混合式.球形是体积相同的形状中自身表面积最小的形状,球罐利用这个优势能大幅度的降低LNG的蒸发.

球罐的支承有很多种结构,其中较常用为赤道正切式,其他组件还有拉杆、支柱、支柱底板和地脚螺栓等.大型的球罐的支柱一般是两段甚至多段的,这样可以方便运输,还可以使球壳板的与支柱的材质相同.球罐的拉杆、支柱在进行设计时要适当的考虑球罐在水压以及操作条件下的重量、压力（设备自重以及介质重量）负荷,还要合理的根据当地地质地震、风等进行调整.

LNG球罐是首台产品,可根据数值计算模拟得到支座部分冷传导造成的温度梯度,并无非常可靠的工程应用数据作作为参考,为防止非不锈钢材料出现冷脆,其支座和各部件均使用了不锈钢材料.可在经济角度进行考虑,全部使用不锈钢材料不是很合理,因此,决定在工程设计中进行温度数据采集和汇总,也就是产品投运以后,通过在支柱上设置的测温点监测温度的变化,分析收集的温度参数数据,这样在今后的设计中,可以将对结果影响较小的支柱部分所采用的材料用低合金钢材料替代,进而能够减小造价.依据工艺的需要确定内罐接管,分设了气相管和上下进液管以及液位、压力测量取样管等.采用水力学方法计算出工艺管道的管径,并根据压力确定管的厚度,选取标准系列.伸入到球罐内的管道的上进液管应选择环状的结构,由环管上分布的通孔处向罐内注入物料,此结构能够冷却由上至下充装的具有一定温度差的物料,并可预冷储罐[5].考虑到液封性与液位测量的全液位等的问题,需把下进液管设计成弯管.在管道出外罐连接处选用带膨胀收缩性能的装置,并填充绝热材料以防止管道漏热和收缩、膨胀.

7球罐的绝热方式

由于计算LNG球罐蒸发率得到的夹层空间很大,所以常规抽真空来进行保持低温是不可行的,所以我们选择粉末正压堆积来进行绝热操作,粉末绝热的材料是珠光砂.

如果向上述绝热的空间里面注入0.002MPa的N2可以让绝热材料起到更好的绝热作用,这种增强绝热作用的原理如下：珠光砂一旦吸潮,它的导热率就会增加,绝热效果就会减弱,但是N2可阻止潮湿的空气进入夹层.另外N2还可以排出夹层里面的空气,将夹层里面的氧气含量降低,这样可以很好的防止LNG泄漏以后混合氧气发生爆炸.

8结论

液化天然气球罐具有非常明显的技术和经济优势,这种球罐不仅可储存液化天然气,还可以在低温下储存其它的液态碳氢化物、液气、液氩及液氮等,市场前景十分广阔.