馮俊爽，鄒惠忠，孫娟，龍兆耀，陳杰，翟耀峰

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LNG雙層球罐的設計、制造及檢驗

馮俊爽，鄒惠忠，孫娟，龍兆耀，陳杰，翟耀峰

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215632）

近年來，我國LNG產(chǎn)業(yè)已進入規(guī)?；l(fā)展階段。隨著低溫技術的日益成熟， LNG作為應用領域的源頭，與之配套的儲存設備就顯得尤為重要。而粉末堆積絕熱的雙層球罐以其節(jié)約材料、占地面積小、日蒸發(fā)率以及建造成本低等優(yōu)點越來越受到人們的青睞。本文著重介紹了LNG雙層球罐的設計、制造及檢驗等方面的內(nèi)容。

LNG；雙層球罐；設計；制造；檢驗

目前，國內(nèi)用來儲存LNG的帶壓設備有真空絕熱儲罐、粉末堆積絕熱子母罐、粉末堆積絕熱球罐等設備，真空絕熱儲罐受運輸條件的限制，一般容積不超過300 m3，當儲罐容積大于300 m3時，通常會選擇在現(xiàn)場施工制做的粉末堆積絕熱的子母罐、球罐，而子母罐的子罐需在廠內(nèi)制做好后再發(fā)至施工現(xiàn)場，且母罐占地面積較大；粉末堆積絕熱的雙層球罐以其占地面積小，節(jié)約材料等優(yōu)點成為許多客戶的首選，因此將該產(chǎn)品作為一重要課題進行研究。

1 LNG雙層球罐的結(jié)構(gòu)介紹

該LNG雙層球罐由內(nèi)球罐、外球罐、保溫材料、旋梯、管路、支柱及拉桿等部分組成，內(nèi)球罐用來儲存深冷液體，并能承受相應的工作壓力，材質(zhì)一般為奧氏體不銹鋼或鎳系列鋼，外球罐主要用來儲存絕熱材料，材質(zhì)一般為Q345R等低合金鋼。在內(nèi)、外球罐之間形成的密閉空間內(nèi)填充經(jīng)過干燥的珠光砂并充入微正壓干燥氮氣進行絕熱。該罐體內(nèi)、外均為球形儲罐，在設備直徑和承壓相同的條件下，球殼板所需的厚度最小，且其具有受力性能好、質(zhì)量小、容積大、節(jié)約材料、罐體自重輕等特點。主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

2 球罐的設計

2.1 設計載荷的確定

（1）根據(jù)《鋼制球形儲罐》［1］，內(nèi)球罐需考慮以下載荷，并考慮可能的最苛刻的組合。

（a） 內(nèi)、外壓力；

（b） 液柱靜壓力；

（c） 耐壓試驗狀態(tài)下內(nèi)裝介質(zhì)的重力載荷；

（d）珠光砂等保溫材料的重力載荷；

（e）地震載荷；

（f）支柱的反作用力；

（g）沖擊載荷；

（h）溫差載荷內(nèi)球罐從環(huán)境溫度冷卻到操作溫度過程中，內(nèi)球罐在支撐點處承受的溫差載荷。

根據(jù)《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分設計》［2］，由于內(nèi)球罐、管道以及外罐之間不同的熱膨脹引起的管道反作用力，并分別考慮下列工況：

（a）進液冷卻過程：內(nèi)球罐熱狀態(tài)，管道系統(tǒng)冷狀態(tài)，外罐熱狀態(tài)；

（b）充裝及卸料過程：內(nèi)球罐、管道系統(tǒng)均是冷狀態(tài)，外罐熱狀態(tài)；

（c）儲存過程：內(nèi)球罐冷狀態(tài)，管道系統(tǒng)、外罐熱狀態(tài)。

（2）外球罐設計時應考慮以下載荷，并考慮可能的最苛刻的組合。

（a）內(nèi)、外壓力；

（b） 附屬設備、管道、支柱、拉桿、梯子、平臺及珠光砂等的重力載荷；

（c）風載荷、地震載荷、雪載荷；

（d） 罐頂動載荷。

2.2 許用應力

內(nèi)球罐選用奧氏體不銹鋼S30408熱軋鋼板，設計溫度為-196 ℃，腐蝕裕量為0，其許用應力按20 ℃時選取，見表2。

表2 鋼板的許用應力

注（1）：若選用該許用應力，板材需按照RP1.0進行復驗。

外球罐材料用鋼板應有良好的可靠性和足夠的強度，并滿足外界環(huán)境的腐蝕和環(huán)境溫度的影響等因素，其主要受壓元件用鋼應當是氧氣轉(zhuǎn)爐或者電爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼，板材的使用溫度下限按照GB150.2-2011［3］的相關規(guī)定執(zhí)行，該課題外球罐設計溫度為-20/50℃，選用Q345R材料，腐蝕裕量為1.0 mm，其許用應力按20 ℃時選取，見表3。

表3 鋼板的許用應力

膨脹珍珠巖（珠光砂），應符合下列要求：

（1）粒度：0.1~1.2 mm；

（2）堆積密度：30~60 kg/m3；

（3）含水率：小于等于0.3%（質(zhì)量比）；

（4）導熱系數(shù)（在常壓下、溫度 77~310 K 時的平均值）：不大于0.03W/(m ·K)；

（5）安息角：30°~35°；

（6）未膨化率：≤1.0 %。

2.3 設計壓力

內(nèi)球罐的設計壓力應不低于工作壓力且承受外壓的能力不低于0.5 kPa。

外球罐的設計壓力內(nèi)壓不小于3.0 kPa，外壓不小于0.5 kPa。

2.4 計算壓力

內(nèi)球罐的計算壓力至少是設計壓力、液柱靜壓力和珠光砂對內(nèi)球罐的擠壓力之和。

外球罐的計算壓力至少是設計壓力和珠光砂重力之和。

2.5 焊接接頭系數(shù)

內(nèi)球罐的焊接接頭系數(shù)為 1.0，外球罐外殼焊接接頭系數(shù)為0.85。

2.6 裝量系數(shù)

內(nèi)球罐裝量系數(shù)不得大于0.95，內(nèi)球罐應設置便于限量充裝的裝置，如溢流口、浮球液位計等。

2.7 人孔的設置

內(nèi)球罐在球殼上、下極中板應分別設置一件DN500～DN600的工藝人孔。

外球罐在球殼上、下極中板應分別設置一件不小于DN800的人孔。

2.8 支柱

支柱采用鋼管或鋼板卷制，其與內(nèi)球罐的連接采用赤道正切式，并在支柱頂部設有球形或橢圓形的蓋板。支柱應設置通氣口，對儲存液化天然氣的深冷球形儲罐，還應設置耐火層。

雙層球罐的支柱通常分為上部、中間以及下部三部分，上、中部支柱采用奧氏體不銹鋼材質(zhì)，下部支柱采用低合金鋼材質(zhì)，為減少熱量的傳播，需在上部和中部支柱之間安裝一定厚度的玻璃鋼進行隔熱。上部、中部支柱內(nèi)部均需填充珠光砂、超細玻璃纖維棉等保溫材料，下部支柱上設置相應的通氣孔，設備與基礎采用地腳螺栓連接。

2.9 管路系統(tǒng)

罐體應設置泄放管路、頂部噴淋進液管路、底部充裝、排液管路、液位壓力測量等管路，以滿足泄壓、放空、充液、出液、溢流、壓力及液位顯示等要求。

2.9.1 夾層接管

從內(nèi)球罐引出的液相管路一般應設置液封（氣封液）結(jié)構(gòu)。

2.9.2 自增壓系統(tǒng)

自增壓器的壓力等級應與內(nèi)球罐的設計壓力相匹配，所選用的材料應與工作介質(zhì)相容。

自增壓器的氣化量應能夠滿足設計排液速率和升壓速率等的要求。

當儲罐壓力降至低壓報警值時自增壓閥打開，啟動增壓，當壓力值恢復正常，自增壓閥關閉。

2.9.3 夾層氮封及吹掃系統(tǒng)

罐體預留與系統(tǒng)氮氣源相接的氮封系統(tǒng)，采用自力式調(diào)節(jié)閥以維持夾層氮氣2.0 kPa的正壓力。

系統(tǒng)進液管線、槽車充裝管線等均預留與系統(tǒng)氮氣源相接的氮氣吹掃預留口，以保證內(nèi)球罐初次進液前及槽車充裝前的吹掃。

2.9.4 其它

管路系統(tǒng)的設計、制造和安裝應避免熱脹冷縮、機械顫動或振動所引起的損壞，必要時應考慮補償結(jié)構(gòu)。

3 制造

3.1 球皮板

按照《鋼制球形儲罐》［4］的要求，內(nèi)、外球罐的球皮板不得拼接且表面不允許存在裂紋、氣泡、結(jié)疤、折疊和夾雜等缺陷，球殼板不得有分層。

3.2 支柱組焊

分段支柱上段與赤道板應在制造單位進行，組焊后用弦長不小于1 000 mm的樣板檢查焊縫。

3.3 工藝人孔

內(nèi)球罐工藝人孔凸緣與人孔橢圓封頭采用單面全焊透型式，凸緣及封頭所承受的載荷與內(nèi)球罐相同。焊接在上、下極中板的工藝人孔用橢圓封頭不允許拼接。

3.4 內(nèi)球罐試板

每臺產(chǎn)品需提供6塊產(chǎn)品焊接試板（須開坡口），試板的原材料必須合格，并且與內(nèi)球罐用材料具有相同標準、相同牌號、相同厚度。每塊試板的尺寸宜為600×180 mm。

4 產(chǎn)品零部件的油漆、包裝、運輸

外球罐球皮板內(nèi)外表面應噴砂、除銹，并涂防銹底漆，坡口表面及其內(nèi)、外側(cè)邊緣50 mm范圍內(nèi)涂可焊性防銹涂料。每塊鋼板上的鋼號、爐批號以及球殼板的標記均應醒目的標出。

球殼板宜采用鋼結(jié)構(gòu)托架包裝，各板間墊以柔性材料，每個包裝架的總重不宜超過30 t，不銹鋼球皮板需與低合金鋼球皮板分開包裝。

試板、地腳螺栓、管件、彎制接管等零部件宜裝箱運輸，在裝箱時需將低合金鋼（或碳鋼）與不銹鋼材質(zhì)進行隔離包裝。

5 現(xiàn)場制造、檢驗與驗收

5.1 組裝

在組裝時需對內(nèi)、外球殼的最大直徑與最小直徑之差進行控制，兩極間的內(nèi)直徑、赤道截面的最大內(nèi)直徑和最小內(nèi)直徑之間相互之差，均應小于設計內(nèi)徑的0.3%，且不大于50 mm。

5.2 焊接

對于內(nèi)球罐，應根據(jù)設計溫度選擇合適的焊接工藝。在相應的焊接工藝評定中，應進行焊縫金屬的低溫夏比（V型缺口）沖擊試驗，在不高于設計溫度下的沖擊吸收功（KV2）不得小于31 J (當設計溫度低于-192 ℃時，其沖擊功試驗溫度取-192 ℃)。施焊前應將坡口表面和兩側(cè)至少20 mm范圍內(nèi)的油污、水分及其他有害雜質(zhì)清除干凈。焊接線能量應不超過經(jīng)焊接工藝評定合格的線能量上限。

5.3 無損檢測

焊接接頭的無損檢測，應在形狀尺寸和外觀質(zhì)量檢查合格后進行。

5.3.1 內(nèi)球罐

內(nèi)球罐A、B類對接焊接接頭應按NB/T 47013.2-2015的規(guī)定進行100%RT檢測，射線檢測技術等級不低于AB級，Ⅱ級合格；射線檢測合格后應按NB/T 47013.5-2015的規(guī)定進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

5.3.2 外球罐

外球罐20%的A、B類對接焊接接頭部位應按NB/T 47013.2-2015的規(guī)定進行射線檢測，射線檢測技術等級不低于AB級，Ⅲ級合格；射線檢測合格后所有焊縫應按NB/T 47013.5-2015的規(guī)定進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

5.4 耐壓試驗和泄漏試驗

在設備夾層配管結(jié)束且罐體無損檢測合格后，應按設計文件規(guī)定對內(nèi)球罐進行耐壓試驗和氣密性試驗。

試驗時，根據(jù)《鋼制球形儲罐》［5］必須在內(nèi)球罐的頂部和底部各設置一塊量程相同并經(jīng)校驗合格的壓力表。其量程為試驗壓力的1.5~3.0倍，宜為試驗壓力的2倍。壓力表的精度等級不低于1.6級。

內(nèi)球罐耐壓試驗：試驗液體一般采用水，試驗合格后需立即將水排凈吹干。根據(jù)《鋼制球形儲罐》［5］，當無法完全排凈吹干時，應控制水的氯離子含量不超過25 mg/L。在試驗過程中，內(nèi)球罐應無滲漏，無可見的變形和異常聲響。同時內(nèi)球罐在充、放液下列過程中，應對基礎的沉降進行觀察。

內(nèi)球罐泄露試驗：內(nèi)球罐需耐壓試驗合格后方可進行泄漏試驗，其泄漏試驗一般為氣密性試驗。

5.5 內(nèi)球罐清潔

在內(nèi)球罐放液前，對其內(nèi)表面進行酸洗鈍化處理，清除油污，并用藍點法進行檢測。與介質(zhì)接觸的零部件表面，其油脂殘留量一般不超過500 mg/m2。（注：酸洗后用水進行沖洗，應控制水的氯離子含量不超過25 mg/L。）

5.6 珠光砂填充

待管道的支撐件，固定件、儀表、安全附件及接管等安裝完畢，強度試驗、氣密性試驗，管道吹掃及表面的清理防腐工作全部合格后方可進行珠光砂的填充。

珠光砂填充時應自下而上均勻上升，要注意氮氣的保護，充填過程中，應進行壓實，施壓應均勻，填充空間不允許出現(xiàn)不同的壓實密度；還應防止漏料，不能產(chǎn)生“架橋”現(xiàn)象。

6 涂覆

外球殼安裝結(jié)束后，清除焊接連接處的焊渣、毛刺，對外表面采取噴砂除銹的方式，達到Sa 2.5級要求，清除灰塵。外表面涂底漆，漆膜厚度160 μm，之后涂面漆，漆膜厚度80 μm。

7 竣工驗收

LNG雙層球罐竣工后，組焊單位應將材料質(zhì)量證明書、復驗報告、試驗報告、無損檢測報告以及竣工圖、強度計算書、風險評估報告等技術文件交付使用單位。使用單位需會同特種設備安全監(jiān)督管理部門或授權(quán)的檢驗機構(gòu)按本標準、國家相關規(guī)范以及設計圖樣進行驗收。

8 結(jié)束語

本文論證了LNG雙層球罐的的設計、制造以及試驗等相關方面的內(nèi)容，為今后相關的設計積累一定的參考經(jīng)驗。

［1］劉福錄，楊國義，等. GB/T 12337-2014 鋼制球形儲罐[S]. 2014．

［2］羅永新，周偉明，等. GB/T 18442.3-2011固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分[S]. 2011．

［3］壽比南，陳鋼，等. GB/T 150.2-2011壓力容器[S]. 2011：43-47．

［4］劉福錄，楊國義，等. GB/T 12337-2014 鋼制球形儲罐[S]. 2014：43-46.

［5］劉福錄，楊國義，等. GB/T 12337-2014 鋼制球形儲罐[S]. 2014：58-60．

Design, Manufacture and Test of LNG Double-layer Spherical Tank

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（Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Jiangsu Zhangjiagang 215632, China）

In recent years, China's LNG industry has entered a stage of large-scale development. With the development of low temperature technology, the matching storage facilities of LNG become particularly important. And the double-lay tank of powder accumulation adiabatic has many advantages, such as material saving, small footprint, low day evaporation rate and so on, so it gains more and more favour from users. In this paper, design, manufacture and test of LNG double-layer spherical tank were mainly introduced.

LNG; double-layer spherical tank；design；manufacture；test

TQ 052

A

1004-0935（2017）09-0908-04

2017-06-23

馮俊爽（1978-），女，工程師，江蘇省張家港市人，2002年畢業(yè)于連云港化工高等?？茖W?；ぴO備與機械專業(yè)，研究方向：從事低溫球罐、真空罐的設計工作。