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大型LNG储罐关键技术

文档作者：殷劲松马小红陈叔平文档来源： 1．张家港富瑞特种装备股份有限公司 2．兰州理工大学石油化工学院		点击数：	更新时间： 2021年02月06日
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《
大型LNG储罐关键技术
殷劲松 马小红 陈叔平
(1．张家港富瑞特种装备股份有限公司 2．兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州730050)
摘要： 论述了大型LNG储罐的建造标准、罐体材料、罐体设计、焊接、绝热、施工。指出9Ni
钢强度、韧性需改进，可尝试细化晶粒、提高纯净度、添加合金元素等方法。9Ni钢焊接不当易造成
电弧磁偏吹、焊接裂纹及焊接接头低温韧性差，可通过选用合适的焊材、减小弧坑、控制焊接线能量
来改善。针对储罐的特殊结构及绝热要求，应进行详细的结构设计及计算，选用合适的绝热材料及
施工方案。为尽快提升我国大型LNG储罐建造水平，制定相关标准十分必要。
关键词： 大型储罐； LNG储罐； 9Ni钢焊接； 低温设备； 绝热设备
中图分类号：TU996 文献标识码：B 文章编号：1000—4416(2011)07—0B13—05
Key Technologies of Large LNG Storage Tanks
YIN Jinsong， MA Xiaohong， CHEN Shuping
Abstract： The manufacturing standard，material，design，welding，insulation，construction of
large LNG storage tanks are described．The strength and toughness of 9Ni steel may be improved by refi—
ning the grain，increasing the purity and adding alloy elements．The improper welding of 9Ni steel may
cause arc magnetic blow，welding cracks and poor low·temperature toughness of welding joint，which can
be solved by selecting proper welding material，minimizing the arc crater and controlling the welding heat
input．For the special structure and insulation of large LNG storage tanks，it is necessary to make a de·
tailed structure design and calculation，select appropriate insulation materials and construction scheme．
To enhance the construction level as early as possible，it is urgent to make a domestic standard of large
LNG storage tanks．
Key words： large storage tank； LNG storage tank； 9Ni steel welding； cryogenic equipment；
adiabatic equipment
1 概述
随着LNG行业的发展和需求量的增加，LNG低
3．4～17．2 kPa，工作温度为低温 卜 。
大型LNG储罐在国外的发展起步较早，1958
温储罐也在不断地向着大型化发展。大型LNG储 年美国芝加哥桥梁钢铁公司在路易安那州建造了第
罐储存效率高，占地面积小，节省费用，便于操作管
理，储存规模易于大型化，是液化天然气接收终端、
天然气液化厂及城市燃气储存设备的首选。大型
LNG储罐主要采用拱顶平底双圆筒结构，粉末绝
热，其储存容积通常在5 000 m。以上，工作压力为
一座工业规模的LNG储罐，容积为5 550 m 。从20
世纪50年代到8O年代，双壁绝热平底LNG储罐容
积不断扩大 。 ：60年代为(1～3)×10 m。，70年
代为(5～10)×10 m ，80年代已超过20×10 m。。
日本是世界上建造大型LNG储罐最多的国家，蓦大
· B l3 ·
第31卷第7期 煤气与热力
型常压LNG储罐最大容积已达20×10 m ，正在横
滨LNG厂筹建25 X 10 ITI 大型LNG储罐，这个世
界上最大的LNG储罐将在2013年1O月建成投产。
国内最早建造大型LNG储罐始于上世纪9O年代中
期，上世纪90年代末，上海建造了我国第一台2×
l0 m 低温LNG储罐 J。21世纪初以来，中海油、
中石油、中石化三大集团分别在广东、福建等沿海地
区建设或筹划建设大型LNG接收终端。目前，国内
大型储罐从材料、设计及施工等方面均已全面实现
了国产化，如大连和江苏LNG项目。从国内外的经
济发展及大型LNG储备库建设情况来看，大型LNG
储罐将是LNG行业未来主要发展趋势。
2 大型LNG储罐结构
2．1 大型LNG储罐分类
根据LNG的性质和储液的需要，大型LNG储
罐目前普遍采用以下3种形式：
① 大型LNG常压储罐。
② 大型LNG子母罐：外罐采用平底拱顶结
构，内罐由若干子罐组成；夹层充填珠光砂；子罐一
般采用圆筒形，预制检验合格后运至现场；外罐预制
好运至现场安装。子母罐使用灵活，易于安装。
③ 大型LNG球罐：内外罐均采用球形，或外
罐采用圆筒形，内罐采用球形，可承压；夹层充填珠
光砂；工厂预制球瓣，运至现场安装。该型储罐储存
容量大，受力均匀，承载能力高，保冷性能好，但其施
工难度要高于前两种储罐，安装要求高。
本文仅局限于探讨大型LNG常压储罐。
2．2 大型LNG常压储罐
大型LNG常压储罐一般采用立式双圆筒结构，
储罐由内罐、外罐、安全泄放装置、测量分析仪表、
泵、阀及管路系统等组成。内罐由9Ni钢制成，内罐
顶一般采用吊顶结构，通过吊杆悬挂在外罐拱顶上，
吊顶甲板与内罐的缝隙采用铝板密封，防止灰尘、绝
热材料或其他杂质漏入内罐。罐内为常压，最高工
作压力为0．02 MPa。外罐材料为碳素钢，平底拱顶
结构，最高工作压力约为0．001 MPa。夹层一般采
用充填珠光砂的方式来绝热，罐底则采用玻璃砖绝
热，罐顶通常采用岩棉绝热。储罐安全泄放装置由
内罐安全阀、外罐安全阀、紧急放空阀、最高液位报
警器、内罐溢流阀等组成。内罐安全阀用于超压保
护，当储罐内压力超过正压上限值时安全阀开启，以
保护储罐。外罐顶部装有呼吸阀和紧急放空阀，呼
吸阀用以保证夹层内维持微正压，同时具有呼与吸
两项功能；紧急放空阀在紧急情况时使用，即当内罐
液体泄漏流入夹层后大量气化，夹层内压力迅速升
高时，紧急放空阀开启泄压，以防发生意外。储罐还
装有液位、压力显示仪表、分析取样仪表以及内罐溢
流阀等。大型LNG常压储罐内罐、外罐均为工厂预
制散件，现场组焊，对焊接、施工水平、施工管理以及
检验技术等方面的要求较高，施工现场工作量大。
大型LNG常压储罐储存容积大，壁厚薄，蒸发率低，
罐顶采用吊顶结构，内罐与夹层相通，使得储罐在正
常低温工况下内罐不承受气相空间压力，仅承受
LNG的液柱静压力，这比以前国内低温常压罐采用
内拱顶结构安全得多。
2．3 大型LNG储罐相关标准
在大型低温LNG储罐设计与建造方面，美国、
英国、日本等工业发达国家都分别制订了专门的规
范标准。
① 美国
API STD 620(大型焊接低压储罐设计与建造》；
NFPA 59A(液化天然气(LNG)生产、储存和装
运标准》。
② 英国
BS 7777—1《低温用平底、立式、圆柱形储罐一
罐储的设计、制造、安装和操作的一般规定指南》；
BS 7777—2《低温用平底、立式、圆柱型储罐一
储存最低温度达一165 oC液化气体的单层、双层和
全密封金属罐的设计和制造规范》；
BS 7777—3《低温用平底、立式、圆柱形储罐一
预应力钢筋混凝土罐基础的设计和制造及罐内衬和
罐涂层的设计和安装推荐方法》。
⑧ 欧盟
BS EN 14620—1《操作温度在0℃到一165℃
之问的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储
罐的设计与建造一总则》；
BS EN 14620—2《操作温度在0℃到一165 oC
之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储
罐的设计与建造一金属构件》；
BS EN 14620—3《操作温度在0 oC到一165℃
之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储
罐的设计与建造一混凝土构件》；
BS EN 14620—4《操作温度在0 oC到一165℃
之问的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储
· B 14 ·
殷劲松，等：大型LNG储罐关键技术 第31卷第7期
罐的设计与建造一隔热构件》
BS EN 14620—5《操作温度在0℃到一165℃
之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储
罐的设计与建造一试验、干燥、除扫和冷却》。
④ 日本
JGA指一107—02《液化天然气(LNG)地下储
罐指南》；
JGA指一108—02《液化天然气(LNG)地上储
罐指南》；
JGA指一102—03《液化天然气(LNG)接收站
设备指南》；
JGA指一105—03《液化天然气(LNG)小型接
收站设备指南》。
3 大型LNG常压储罐关键技术
3．1 内罐罐体材料
大型LNG储罐内罐用低温材料的选用是其设
计与制造的关键技术之一。由于LNG储罐的工作
温度为一163 cc，要求内罐材料不仅要有必要的强
度指标，而且还要保证塑性、韧性以及良好的可成型
性和焊接性，同时价格相对较低。目前最常用的是
9Ni钢，又称Ni9钢，是含镍量(质量分数)为8．5％
～ 9．5％ 的超低温钢。对于LNG储罐内罐简体，采
用淬火+回火的9Ni钢，其他结构件或经受变形的
部件，采用二次正火+回火的9Ni钢 。
太原钢铁(集团)有限公司已成功研制9Ni钢，
结束了我国9Ni钢长期依赖进口的历史。研究表
明，国产9Ni钢06Ni9包括一196 oC冲击功在内的综
合性能指标超过了美国标准ASTM A553／A553M
(I型)和欧盟标准EN 10028的要求，与日本、欧洲
按上述美欧标准生产的9Ni钢水平相当或略高。
2007年该钢通过了全国锅炉压力容器标准化技术
委员会组织的专家评审，可用于低温储罐和低温压
力容器。在建的中石油江苏南通、辽宁大连两个
LNG项目中的16×10 In 大型LNG储罐，其内罐用
低温材料已选用国产9Ni钢¨ 。
须强调的是，按现行大型LNG储罐的制造技术
条件，对9Ni钢的力学性能，尤其是一196℃低温冲
击功提出了如下更为严格的要求：抗拉强度为690
～ 825 MPa，屈服强度>430 MPa，伸长率>35％ ，
一196 qC低温冲击功≥70 J，试样断口侧向鼓胀量
0．38 1TI1TI，一196 oC冲击试样剪切断面>80％ ，一196
℃ CTOD试样裂纹尖端张开位移>0．30 mm¨ 。
3．2 9Ni钢焊接 .’
对于大型LNG储罐，9Ni钢的焊接是其安装成
功的关键。9Ni钢在焊接过程中既易发生热裂纹，
又存在氢致延迟裂纹倾向，同时施焊过程中还容易
发生焊弧磁偏吹，是目前公认的难焊材料之一。实
际建造中9Ni钢的主要焊接方法有焊条电弧焊和埋
弧焊。9Ni钢施焊时须严格控制焊接热输人，一般
不超过30 kJ／cm，同时要严格保持焊接区和焊接环
境的清洁。内罐底板和内罐壳体板纵缝采用焊条电
弧焊；内罐壳体板横缝采用焊条电弧焊焊接根部焊
道，埋弧焊填充盖面；壳体上的筋板以角焊缝连接；
内罐与外罐底板均采用搭接接头，以埋弧焊或半自
动MIG焊焊接。焊接接头须按美国ASME(<锅炉与 一196="一196" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0039_Ni钢大型LNG储罐的焊接技术是世界性的大="9Ni钢大型LNG储罐的焊接技术是世界性的大" 罐体设计="罐体设计" API="API" STD="STD" 大型LNG储罐储存容量通常按照液化装置的="大型LNG储罐储存容量通常按照液化装置的" 据LNG液柱静压力等作用在罐壁上所产生的环向="据LNG液柱静压力等作用在罐壁上所产生的环向" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x00B7_="·" B="B" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0031_5="15" 第3l卷="第3l卷" 第7期="第7期" 煤气与热力="煤气与热力" 储罐基础一般采用带加热系统的基础或架空的="储罐基础一般采用带加热系统的基础或架空的" 绝热保冷="绝热保冷" 罐环形空间内的膨胀珍珠岩会向下沉降来填补罐体="罐环形空间内的膨胀珍珠岩会向下沉降来填补罐体" 施工="施工" 工平面布置图绘制和施丁进度安排等="工平面布置图绘制和施丁进度安排等" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0034_="4" 问题与建议="问题与建议" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0039_Ni钢研究和生产中还存在许多技术难="9Ni钢研究和生产中还存在许多技术难" 高质量9Ni钢需求="高质量9Ni钢需求" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0039_Ni钢焊接操作不当极易出现焊接时电弧="9Ni钢焊接操作不当极易出现焊接时电弧" 性差等问题="性差等问题" 焊接并尽量多用砂轮打磨="焊接并尽量多用砂轮打磨" 在钨极氩弧焊和CO="在钨极氩弧焊和CO" 气体保护焊方面的研究尚未="气体保护焊方面的研究尚未" l6="l6" 第31卷="第31卷" 针对内罐冷收缩引起的夹层珍珠岩下沉及="针对内罐冷收缩引起的夹层珍珠岩下沉及" 常压储存使得排液时需用低温泵加压输="常压储存使得排液时需用低温泵加压输" 成本也高="成本也高" 国内还没有完善的大型LNG储罐相关标="国内还没有完善的大型LNG储罐相关标" SHIN="SHIN" H="H" M="M" tensile="tensile" i0r="i0r" of="of" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0039_="9" nickel="nickel" steel="steel" at="at" l0w="l0w" Jourwal="Jourwal" Impact="Impact" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0038_50="850" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0030_00="000" 双层金属低温液体贮罐的设计="双层金属低温液体贮罐的设计" MINEHISA="MINEHISA" tion="tion" magnetic="magnetic" arc="arc" bloW="bloW" in="in" TIG="TIG" welding="welding" Zosen="Zosen" Technical="Technical" HLKES="HLKES" the="the" LNG="LNG" slotage="slotage" 现任张家港富瑞特种装备股份有限公司总工程="现任张家港富瑞特种装备股份有限公司总工程" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0031_7="17" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x00B7_第31卷第7期="·第31卷第7期" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0032_011年7月="2011年7月" GAS="GAS" HEAT="HEAT" 劫="劫" 爨="爨" 液化天然气="液化天然气" 甏="甏" 大型LNG储罐关键技术="大型LNG储罐关键技术" 殷劲松="殷劲松" 马小红="马小红" 陈叔平="陈叔平" 绝热设备="绝热设备" Key="Key" Technologies="Technologies" Large="Large" Storage="Storage" Tanks="Tanks" YIN="YIN" MA="MA" CHEN="CHEN" Shuping="Shuping" manufacturing="manufacturing" are="are" strength="strength" and="and" toughness="toughness" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0039_Ni="9Ni" may="may" be="be" improved="improved" by="by" ning="ning" purity="purity" adding="adding" alloy="alloy" improper="improper" cause="cause" cracks="cracks" poor="poor" low·temperature="low·temperature" can="can" solved="solved" selecting="selecting" proper="proper" crater="crater" controlling="controlling" special="special" structure="structure" insulation="insulation" is="is" necessary="necessary" to="to" make="make" a="a" de·="de·" tailed="tailed" design="design" appropriate="appropriate" materials="materials" construction="construction" enhance="enhance" level="level" as="as" early="early" urgent="urgent" domestic="domestic" standard="standard" cryogenic="cryogenic" adiabatic="adiabatic" equipment="equipment" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0031_="1" 概述="概述" 卜="卜" 年美国芝加哥桥梁钢铁公司在路易安那州建造了第="年美国芝加哥桥梁钢铁公司在路易安那州建造了第" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0035_50="550" 积不断扩大="积不断扩大" l3="l3" 第31卷第7期="第31卷第7期" 滨LNG厂筹建25="滨LNG厂筹建25" X="X" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0031_0="10" ITI="ITI" 国内最早建造大型LNG储罐始于上世纪9O年代中="国内最早建造大型LNG储罐始于上世纪9O年代中" l0="l0" 低温LNG储罐="低温LNG储罐" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0032_="2" 大型LNG储罐结构="大型LNG储罐结构" 大型LNG储罐分类="大型LNG储罐分类" 大型LNG常压储罐="大型LNG常压储罐" 大型LNG储罐相关标准="大型LNG储罐相关标准" 美国="美国" NFPA="NFPA" 英国="英国" BS="BS" 储存最低温度达一165="储存最低温度达一165" 预应力钢筋混凝土罐基础的设计和制造及罐内衬和="预应力钢筋混凝土罐基础的设计和制造及罐内衬和" 欧盟="欧盟" EN="EN" 之问的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储="之问的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储" oC="oC" 之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储="之间的现场组装立式圆筒平底钢质低温液化气体储" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0031_4="14" 日本="日本" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0033_="3" 大型LNG常压储罐关键技术="大型LNG常压储罐关键技术" 内罐罐体材料="内罐罐体材料" 大型LNG储罐内罐用低温材料的选用是其设="大型LNG储罐内罐用低温材料的选用是其设" 温度为一163="温度为一163" oC冲击功在内的综="oC冲击功在内的综" 合性能指标超过了美国标准ASTM="合性能指标超过了美国标准ASTM" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0032_007年该钢通过了全国锅炉压力容器标准化技术="2007年该钢通过了全国锅炉压力容器标准化技术" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0038_25="825">430 MPa，伸长率>35％ ，
一196 qC低温冲击功≥70 J，试样断口侧向鼓胀量
0．38 1TI1TI，一196 oC冲击试样剪切断面>80％ ，一196
℃ CTOD试样裂纹尖端张开位移>0．30 mm¨ 。
3．2 9Ni钢焊接 .’
对于大型LNG储罐，9Ni钢的焊接是其安装成
功的关键。9Ni钢在焊接过程中既易发生热裂纹，
又存在氢致延迟裂纹倾向，同时施焊过程中还容易
发生焊弧磁偏吹，是目前公认的难焊材料之一。实
际建造中9Ni钢的主要焊接方法有焊条电弧焊和埋
弧焊。9Ni钢施焊时须严格控制焊接热输人，一般
不超过30 kJ／cm，同时要严格保持焊接区和焊接环
境的清洁。内罐底板和内罐壳体板纵缝采用焊条电
弧焊；内罐壳体板横缝采用焊条电弧焊焊接根部焊
道，埋弧焊填充盖面；壳体上的筋板以角焊缝连接；
内罐与外罐底板均采用搭接接头，以埋弧焊或半自
动MIG焊焊接。焊接接头须按美国ASME(</锅炉与>

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