LNG低温储罐的设计及建造技术要点分析

吴树勤

（中建电力建设有限公司，北京 100000）

近年来伴随非可再生能源量的日渐紧缺，全球的天然气消费量显著增加，截止到目前，天然气已经成为全球能源消费结构中占比37.2%的重要能源，而对于天然气的存储技术与设备也被各国所重视。考虑到传统LNG低温储罐消耗空间小、安全性能显著，所以必须把握储罐建造技术要点，满足其设计要求。

1 LNG低温储罐的基本结构特点与设计要求

1.1 LNG低温储罐的基本结构特点

LNG低温储罐中包含单容罐、双容罐以及全容罐三大结构类型。它们一般都应用到了钢制材料，主容器部分主要用于存储液态天然气，而穹顶空间则主要存储蒸汽，另外还有次容器用于收集存储液态泄漏物。通常情况下，LNG低温储罐的储藏安全性能表现良好，不过其储藏花费成本也相对偏高，因此有必要对其基本结构进行改造，例如可采用低成本的型钢骨架，在骨架上再焊接一层薄钢板即可。

1.2 LNG低温储罐设计要求

1.2.1 材料要求

LNG属于低温液化后的天然气，它被储存于常压绝热容器之中，以液体形式存在，而使用时则需要进行气化处理。因此一般情况下LNG低温储罐的设计温度在-170℃左右，设计过程中应该首先使用氮气材料进行冷凝处理，调整其温度至低温状态，实际设计时可将温度调节到最低-195℃。而为了保证天然气常压液化储存，需要适当降低储罐壁厚，同时也要保证其安全性能，设计制造时选择9Ni钢，外部材料则选择钢筋混凝土，确保其抗拉强度可保持在至少25kPa以上。当然，考虑到LNG低温储罐中所储存的是低温液体，所以要避免液体泄漏导致爆炸事故发生，考虑到罐体内外温差最高可达到200℃，所以必须保证罐体具有极佳的承压能力，避免其过度损坏，在罐体设计制作过程中应该做好抗压与抗震实验。

1.2.2 压力实验要求

要采用气压实验对储罐设计压力进行合理控制，确保其能够承受正压力的1.25倍。气压实验要与水压实验并行展开，水压实验一般在罐体蒸汽储存空间展开，在实验过程中要控制好压力值，例如可打开释放阀，在保证一段高压力值后再将压力降低，此时也要对所有焊接头展开肥皂溶液实验，配合焊接接头真空实验展开，满足储罐在承压状态下也能合理设定压力，充分考虑储罐外压入空气与蒸汽空间之间的相互关系。最后在实验完毕后需要进行排空检查，确保空罐使用满足设计压力中的空气压力要求，同时在底部焊接部分对混凝土结构进行全面检查。

目前国内在建造LNG低温储罐过程中会实施气压升顶实验，即技术人员准确把控储罐内外压力差（在储罐穹顶位置操作）。举例来说，在针对总重量为800t的低温储罐时，需要参考300mm/min速度对穹顶结构与储罐顶部指定位置进行气压升顶实验，保证在3h限定范围内实验至少50m的升顶距离，测试穹顶承压环能力，看其是否能够合理化聚合，如此是为保证储罐建造成果更加稳固，建造形式实施到位。

1.2.3 抗震要求

一旦出现地震灾害，LNG低温储罐就会面临巨大风险，即在地震巨大作用力的冲击下，储罐会被破坏（一般为储罐壁下部分被破坏）。在这一过程中需要展开抗震实验，计算地震所带来实际影响，结合地区内的抗震设防等级与场地类别展开分析判定。这其中要参考《建筑抗震设计规范》，进而展开LNG低温储罐分析与设计。

1.2.4 成本要求

在LNG低温储罐设计与建造过程中需要满足设计方案的强度与安全性条件，同时尽量控制其设计建造成本，减少材料消耗。这里需要分析到材料设计成本问题，考虑到目前采用国外钢材的价格偏高，所以国内的LNG低温储罐一般会选择采用国内太钢、镍钢材料，这些材料都能在超低温状态下作为压力容器的主要材料存在，它们在焊接性与韧性表现方面非常突出，且消耗成本更低，可为LNG低温储罐生产提供较大利润空间，满足液化天然气生产经济性要求。

结合上述针对LNG低温储罐的设计要求，可了解到目前全球范围内的LNG低温储罐设计形式是非常丰富的，例如我国就提出了一系列的自主设计形式，希望借此机会体现LNG低温储罐建造技术优势，保证其建造过程中经济性与安全性有所提高。在国内，拥有30 000m3容积的大型LNG低温储罐已经建成，且其建造技术正在趋于成熟。例如国内某省的LNG低温储罐项目，其总容积达到18×104m3，其中拥有坚固的混凝土结构、预应力筋穿束，在张拉类型与灌浆方法方面表现突出。在保证储罐建造结构合理方面，它采用到了优化过的绝热结构，配合专业机械设备实现了对工艺流程的全面整合，从整体上提高了建造技术的应用效果。另外，其它地区的LNG低温储罐建造项目也建造了罐体高度为51m的储罐，其在设计过程中就采用到了型钢球状骨架，大幅提高了储罐的内部衬板强度，它在设计建造过程中采用到了气吹顶升实验实现有效加固，同时增加罐体密实度。总体来讲，目前国内针对LNG低温储罐的自主设计形式还是颇为丰富的，他们在设计建造过程中增设加强筋，如此可达到较好的加固效果，同时确保关注导管接头与外径照比钢筋笼内径尺寸缩小至少100mm，如此可满足储罐基本建造标准，确保LNG低温储罐设计合理化。

2 LNG低温储罐的建造技术要点实践应用分析

LNG低温储罐的建造技术要点丰富，它在实践应用方面表现多元，主要针对储罐管口的传热优化建造技术进行分析。

2.1 LNG低温储罐罐顶管口传热有限元的分析

LNG低温储罐均采用金属双钢壁，需要对罐顶管口进行传热分析，优化其结构设计内容，主要是对环板、热套管外表面温度进行测量，避免其出现结露或结冰现象，并在热套管外侧设置保冷层，控制结点处温度过度下降。所以说在罐顶管口设计时，需要保证其热套管与罐顶结合位置温度满足材质性能要求，基于此设计罐顶管口传热有限元，满足结露、结冰设计要求，最大限度减少外界影响因素对罐顶板网壳所产生的过度承载影响。

2.2 LNG低温储罐套管防结露结冰设计

LNG罐顶内表面气相空间温度一般会控制在13℃左右，其露点温度则可控制在11.50℃左右，如果环境温度降低，套管外保冷层厚度也会有所减小，如此对网壳结构设计是非常有利的，所以在设计建造过程中应该参考当地冬季温度实际情况条件进行分析、设计与建造，确保管口结构尺寸参数合理，并提出具体的计算模型网格。在满足套管防结冰设计过程中，需要确保管口结构设计满足两个基本条件：①保证热套管罐顶结合位置设计温度在-15℃以上；②保证热套管外侧与保冷层表面温度控制在0℃以上。在这一过程中，需要采用到稳态传热计算实验，分析优化其管口结构温度场内容，保证热套管与罐顶板交接位置最高温度控制在5.0℃以上。另外在结构尺寸设计方面需要满足罐顶板材质要求，确保最低耐温限值为≥-15℃。在这一建造过程中，需要了解到热套管外表面会出现结露问题，所以要将其表面温度控制在环境冰点温度之上，避免套管外侧发生结冰问题，即要建设套管防结冰设计体系。

2.3 LNG低温储罐罐顶管口结构尺寸设计

在优化LNG低温储罐罐顶管口结构尺寸过程中，需要了解其管口传热过程，分析环形空间背景下的保冷层厚度，避免其对管口传热产生影响，具体来说就要分析其中的耦合关联与制约关系，合理满足材料耐温与防结冰设计要求。总体来说，确保参数设计结构尺寸满足最小值优化，设置管口载荷最小限值，如此对储罐罐顶网壳的设计优化有好处。在设计过程中，也要采用到ANSYS Workbench软件，了解Design Exploration工具内容，结合多变量、多目标优化设计相应管口平台，优化管口设计建造算法。具体来说，可通过尺寸变化搜索分析约束条件，明确管口设计的最小值与最优解。

在LNG低温储罐罐顶管口结构尺寸设计过程中，也要采用到Screening Optimization Method实施优化设计，并建立敏感性分析技术体系，确保不同结构参数对罐顶板结合温度设计到位。同时也要了解热套管变化，分析其影响大小，结合客观分析规律对管口结构尺寸进行优化，特别要关注在设计建造过程中的几个重要的敏感性参数，比如说热套管的爆冷厚度、外侧表面温度等。在建造环节，需要结合罐顶管口结构的基础尺寸进行温度场建造分析，结合分析结果进行圆整处理，以满足罐顶防结冰设计要求，确保LNG低温储罐建造科学合理到位。

整体来说，要充分运用ANSYS有限元分析软件对LNG储罐罐顶管口进行设计与建造，了解ANSYS软件模块优化设计过程，确保套筒高度合理化，同时改善套筒以及罐顶管口的保冷厚度与保冷段长度。在建造过程中，可了解到影响热套管与罐顶管口的主要参数因素就是套筒高度，所以在建造过程中必须提前做好参数调整工作，结合设计建造方法与分析结果了解低温储罐管口结构基本内容，确保设计建造过程具有参考指导价值意义。

3 结束语

详细解读了当前液化天然气生产中的核心项目——LNG低温储罐的设计与建造技术要点相关内容。在研究中基本明确了其设计标准与理论依据，希望结合不同技术要求分析其技术标准规范与改良关键要点，形成储罐建造技术体系。具体来讲就是结合所选用材料分析影响LNG低温储罐强度的诸多设计要求条件，结合科学理性分析确保罐体满足设计要求，并能够顺利建造。确保液化天然气存储与供应满足生产需要，也为其安全生产提供可靠技术支持与保障。