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1500m3液化天然气球罐设计

文档作者：刘福录李晓明冀峰王万磊高中稳左韧郑智阳文档来源： 1．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司 2．河北新地市政建设工程有限公司		点击数：	更新时间： 2021年02月28日
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第38卷第5期
2009年9月
石油化工设备
PETR( CHEMICAI EQUIPMENT
Vol_38 No．5
Sept． 2009
文章编号：1000—7466(2009)05 0029 03
1 500 Ill3液化天然气球罐设计
刘福录 ，李晓明 ，冀 峰 ，王万磊 ，
高中稳 ，左 韧。，郑智阳
(1．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730070；
2．河北新地市政建设工程有限公司，河北廊坊065001)
摘要：介绍了l 500 m。液化天然气球罐设计要点，总结了利用球罐作为低温绝热压力容器的优点
及使用前景。
关键词：球罐；液化天然气；设计
中图分类号：TQ 053．2 文献标志码：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
在液化天然气(以下简称I NG)的应用中，其储
存和运输是两个主要环节。LNG储罐的类型较多，
但作为中型、带压储存的低温绝热设备来说，LNG
球罐属于新型设备。
LNG球罐在低温状态(一162℃)下工作，在其
运行中，外部热量侵入或充装时的冲击都将使储罐
中的LNG气化 。为此，在LNG储罐设计中必须
考虑设备结构、绝热保冷、接管变形、支撑隔热及基
·—— 卜“+ --4-“■ 一-—-卜” — “+ 一+ 一—卜“+ 一+ 一+ “+ ”+ 一十一+ 一+ 一十 + 一-4-_+ + ”十一+ 一+ ”+ 一+
(3)对双程套管换热系统，顺流效率始终大于逆 [4]
流效率，说明双程套管换热系统应采用顺流形式。
Es]
参考文献：
[1] 蒋能照，刘道平．水源、地源、水环热泵空调技术及应用[M]．北
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章熙民，任泽霈．传热学[M]．北京：中国建筑工业出版社，
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马最良，吕悦．地源热泵系统设计与应用[M]．北京：机械工
业出版社，2007：127—129．
(杜编)
收稿日期：2009—04—28
基金项目：甘肃省科技重大专项计划项日(0801GKDA040)
作者简介：刘福录(1963一)，男，甘肃武威人，教授级高级工程师，学士，主要从事压力容器设计开发、制造的相关工作。
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石油化工设备 2009年第38卷
础隔冷等问题。文中以1 500 m。LNG球罐为例介
绍LNG球罐的设计情况。
1 设计和建造标准
1 500 m。LNG球罐以GB 150 1998《钢制压
力容器》及其附录C《低温压力容器》为主要依据口]，
参照国内球罐、立式圆筒形储罐、低温容器等相关设
计、施工标准及相关法规进行设计。此外，1 500 m。
LNG球罐也借鉴了BS 7777~低温工作条件下的立
式平底圆筒形储罐》¨3]、NFPA 59A《液化天然气
(LNG)生产、储存和装运标准》以及EN1473：1997
《液化天然气设备与安装、陆上装置设计》等相关建
造标准l4 ]。
2 设计
2．1 设计方案
1 500 m。LNG 球罐采用地上式单容罐结构
(内、外罐结构)。内罐为储存LNG的球罐，外罐为
用低合金压力容器钢板制造的自支撑拱顶结构的立
式圆筒形储罐。外罐与内罐之间的夹层空间为绝热
层，绝热层采用普通堆积绝热的方式，充填膨胀珠光
砂，使球罐达到低温绝热的目的，以便储存LNG。
绝热层的厚度通过绝热计算确定。
2．2 设计参数
1 500 m。LNG球罐公称体积为1 500 m。，公称
直径14 200 mm，内罐设计压力0．42 MPa，设计温
度一196℃ ；外罐设计压力0．003 MPa，工作压力为
0．002 MPa，设计温度一19／50℃ 。
2．3 选材
内罐材质0Crl8Ni9，其R。0．¨≥205 MPa，R ≥
515 MPa，在使用温度范围内有足够的低温韧性。
此外，0Crl8Ni9不仅加工性和焊接性较好，而且也
比较经济。
内罐材质没有选择9Ni钢的原因：①9Ni钢易
磁化，对焊接不利。②9Ni钢在正火+正火+ 回火
供货状态下具有较好的低温韧性，但在焊接和热循
环的作用下，熔合线的成分及热影响区的组织会发
生变化，破坏材料原始的热处理状态，使低温性能下
降，脆性组织生成，呈现较大的冷裂倾向 。由于
Ni元素是奥氏体化形成元素，焊缝金属中几乎全部
为奥氏体，无铁素体等第二相存在，因此，9Ni钢抗
裂性较差，其焊接过程中要严格控制焊接线能量。
③9Ni的钢韧性比奥氏体不锈钢差，对9Ni钢要求
做一196℃下的低温冲击试验，冲击功最低值大于
35 ，一般通过焊接工艺评定比较困难。相对而
言，奥氏体不锈钢在一196℃ 下的线膨胀系数只有
14．67×1O ℃ l2]，其焊接性更好。在低温下有良
好的韧性，奥氏体不锈钢的冲击值随温度的降低减
小较缓慢，并且不存在脆性转变温度。④ 奥氏体不
锈钢的价格也要比9Ni钢低。1 500 m。LNG球罐
设计压力较低，经强度计算，壁厚较小，故不需要强
度更高的材料，而希望有较高的刚性余量，选用强度
级别较低的0Crl8Ni9比较合理。
外罐仅用来保护和支撑绝热材料，所以选择低
合金压力容器钢板16MnR，外罐材料与最低设计温
度有直接的联系，最低设计温度按设备安装地历年
来月均最低气温的最低值进行设计，根据最低设计
温度确定外罐材料的类别。
球罐进、出液管道等工艺管件在工作状态下应
具有低温韧性要求，管道材料选用0Crl8Ni9制无
缝钢管。
2．4 结构
考虑不锈钢材料的板幅限制，球壳结构选为4
带12柱混合式，利用球罐自身表面积最小的优势，
可以最大幅度降低LNG的蒸发损失。球罐采用支
柱支撑，与低温工作下的立式平底圆筒形储罐相比，
低温物料的大部分冷能不能直接传导，避免了对基
础的冷冻破坏。但考虑到1 500 m。LNG球罐属首
台产品，支座部分的冷传导所形成的温度梯度只有
数值模拟计算结果，没有可靠的T程数据作参考，为
了避免非不锈钢材料发生冷脆，支座及其部件全部
采用不锈钢材料。但是全部采用不锈钢从经济上不
合理，为此，在本次工程设计中考虑对温度数据进行
采集和总结，即在产品投运后，利用设置在支柱上的
测温点来监测温度，通过对这些温度参数的收集和
分析，可以在今后的设计中，把影响不大的支柱部分
材质换成低合金钢材料，从而降低造价。
内罐接管根据工艺充装需要确定，分别设置有
上下进液管、气相管、压力和液位测量取样管等。工
艺管道的管径通过水力学计算确定，厚度根据压力
确定，选用标准系列。上进液管伸人球罐内的管道
为环状结构，物料通过分布在环管上的通孔注入内
罐，此结构可以在第一次充装时起到预冷储罐的作
用，也可以对有温度差异的物料从上向下充装时起
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第5期 刘福录，等：1 500 m。液化天然气球罐设计
冷却作用。考虑液封性及液位测量的全液位问题，
将下进液管设置成弯管。为了隔断管道漏热和管道
的收缩膨胀量，管道 外罐的连接采用带膨胀收缩
的装置并填充绝热材料 ]。
依据文献Ez]附录B中的相关条款，可以不直
接在容器L安装安全阀，所以在内罐上不设安全阀。
这主要是从保冷效果考虑，若在内罐上设安全阀，由
于其在绝热空间与外罐的连接处结构较复杂，若结
构不合理及施 不当，会使这个部位形成最大的漏
热点，从而影响储罐的保冷效果，既对储罐的安全运
行不利，也不便于现场施 一I 。因此，将安全阀设置在
与内罐顶相通的气相管线上。
2．5 绝热方式
由于内、外罐夹层的体积大于2 000 m。，空间
大，现有的真空设施无法确保如此大空间的真空度，
不能采用真空方式来保冷，因此，选用普通粉末正压
堆积绝热，绝热材料为珠光砂。通过传热计算确定
绝热层厚度(内、外罐间距)后再按此进行核算。本
例核算结果为，LNG球罐的日蒸发率小于0．15 ，
其结果满足建设单位的要求。此蒸发率只有目前使
用相同体积的子母罐的～ 半。
为了使绝热材料保持绝热效果，对绝热空间充
入2 o00 Pa微正压的氮气，其作用是：① 防止潮湿
空气渗入夹层，使珠光砂吸潮后绝热效果减弱。②
排出夹层【lfj空气，将夹层中的含氧量降至最低，防止
I NG泄漏后与氧气混合后发生危险。③ 可通过测
定夹层宅间中的烃组分来判断内罐是否泄漏。
2．6 基6出
外罐立式平底圆筒形储罐需要的是平面圆形基
础面，而内罐球罐需要的是满足支柱支撑的环形梁
基础，在设计底板结构时，采用兀型结构，避免了软
硬基础不均匀沉降的问题。
2．7 其它
I NG的密度差异等会造成充装过程的分层和
涡旋等不利现象。在球罐外罐壁设置测量温度的热
电偶，以监测不同储存深度的LNG 的温度，使操作
者能够及时采取合适的充装程序。在绝热空间中也
分散设置了相应的测温装置，绝热层的暖侧和冷侧
及过度空间中的测温装置可以将异常的温度变化反
馈给操作者 j，以便判断是否存在漏热等，从而采取
有效的控制措施。在支柱不同的高度上也设置了热
电偶，以反馈外界是否通过支撑系统向球罐漏热的
信息。
3 球罐作低温绝热容器的优点
采用内罐为球罐的LNG储罐有以下优点：①
相同体积下，球罐具有最小的表面积，设备质量和造
价降低。内壳的传热面积可以最小，可很有效降低
设备的蒸发率。② 球罐的结构使其具有更好的耐
内、外压的能力，即正常气化产生的气体压力不致于
对储存设备造成危害。③ 球罐可以带压储存，提高
设备内LNG 的自排泄能力。④ 球罐采用支柱支
撑，柱腿结构可阻断内壳冷能向基础传递，不用考虑
基础隔冷。⑤ 球罐的体积可以在400～10 000 m。
选择，充分解决I NG的生产装置、调峰型液化装置
等工况下液化天然气的储存问题。
4 结语
1 500 m。I NG球罐是国内首次采用球罐作为
低温绝热压力容器用于储存LNG，也是国内首例采
用不锈钢制造的球罐。在其设计、制造的过程中，解
决了作为低温绝热压力容器存在的传热计算、绝热
体热模拟及优化计算、低温下设备及管道收缩变形
的控制、软硬基础的互补、测温系统和液位控制系统
的可靠性、支撑结构的可行性以及接管变形结构等
工程实际问题，对以后同类项目的实施有一定的示
范作用。
1 500 m。LNG球罐的成功设计和应用，拓宽了
球罐以往的带压气态、液态储存范围，不仅对带压低
温液态储存液化天然气工厂以及调峰型液化装置的
储存设备进行了探索，而且也为其它低温液态碳氢
化合物、液态一氧化碳、液态氧气、液态氮气以及液
态氩气等低温液化气体的储存设备提供了新的
选择 。
参考文献：
[1] GB／T 19204 2003，液化天然气一般特性Es]．
[2] GB 1 50 1998，钢制压力容器Es]．
E3] BS7777：1993，低温工作条件下的立式平底圆筒形储罐Es]．
E4] NFPA59A，液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准Is]．
Is] EN 1473：1997，液化天然气设备与安装、陆上装置设计[S]．
E6] 宋立群．9Ni钢1万m。乙烯低温储罐的焊接EJ]．石油：[程建
设，1 996，(5)：29—36．
ET] 徐列，朱卫东，汤晓英，等．低温绝热与储运技术EM]．北京：
机械工业出版社。I 999．

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