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大型LNG儲罐關(guān)鍵技術(shù)

文檔作者：殷勁松馬小紅陳叔平文檔來源： 1．張家港富瑞特種裝備股份有限公司 2．蘭州理工大學石油化工學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月06日
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《
大型LNG儲罐關(guān)鍵技術(shù)
殷勁松 馬小紅 陳叔平
(1．張家港富瑞特種裝備股份有限公司 2．蘭州理工大學石油化工學院，甘肅蘭州730050)
摘要： 論述了大型LNG儲罐的建造標準、罐體材料、罐體設(shè)計、焊接、絕熱、施工。指出9Ni
鋼強度、韌性需改進，可嘗試細化晶粒、提高純凈度、添加合金元素等方法。9Ni鋼焊接不當易造成
電弧磁偏吹、焊接裂紋及焊接接頭低溫韌性差，可通過選用合適的焊材、減小弧坑、控制焊接線能量
來改善。針對儲罐的特殊結(jié)構(gòu)及絕熱要求，應進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算，選用合適的絕熱材料及
施工方案。為盡快提升我國大型LNG儲罐建造水平，制定相關(guān)標準十分必要。
關(guān)鍵詞： 大型儲罐； LNG儲罐； 9Ni鋼焊接； 低溫設(shè)備； 絕熱設(shè)備
中圖分類號：TU996 文獻標識碼：B 文章編號：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
隨著LNG行業(yè)的發(fā)展和需求量的增加，LNG低
3．4～17．2 kPa，工作溫度為低溫 卜 。
大型LNG儲罐在國外的發(fā)展起步較早，1958
溫儲罐也在不斷地向著大型化發(fā)展。大型LNG儲 年美國芝加哥橋梁鋼鐵公司在路易安那州建造了第
罐儲存效率高，占地面積小，節(jié)省費用，便于操作管
理，儲存規(guī)模易于大型化，是液化天然氣接收終端、
天然氣液化廠及城市燃氣儲存設(shè)備的首選。大型
LNG儲罐主要采用拱頂平底雙圓筒結(jié)構(gòu)，粉末絕
熱，其儲存容積通常在5 000 m。以上，工作壓力為
一座工業(yè)規(guī)模的LNG儲罐，容積為5 550 m 。從20
世紀50年代到8O年代，雙壁絕熱平底LNG儲罐容
積不斷擴大 。 ：60年代為(1～3)×10 m。，70年
代為(5～10)×10 m ，80年代已超過20×10 m。。
日本是世界上建造大型LNG儲罐最多的國家，驀大
· B l3 ·
第31卷第7期 煤氣與熱力
型常壓LNG儲罐最大容積已達20×10 m ，正在橫
濱LNG廠籌建25 X 10 ITI 大型LNG儲罐，這個世
界上最大的LNG儲罐將在2013年1O月建成投產(chǎn)。
國內(nèi)最早建造大型LNG儲罐始于上世紀9O年代中
期，上世紀90年代末，上海建造了我國第一臺2×
l0 m 低溫LNG儲罐 J。21世紀初以來，中海油、
中石油、中石化三大集團分別在廣東、福建等沿海地
區(qū)建設(shè)或籌劃建設(shè)大型LNG接收終端。目前，國內(nèi)
大型儲罐從材料、設(shè)計及施工等方面均已全面實現(xiàn)
了國產(chǎn)化，如大連和江蘇LNG項目。從國內(nèi)外的經(jīng)
濟發(fā)展及大型LNG儲備庫建設(shè)情況來看，大型LNG
儲罐將是LNG行業(yè)未來主要發(fā)展趨勢。
2 大型LNG儲罐結(jié)構(gòu)
2．1 大型LNG儲罐分類
根據(jù)LNG的性質(zhì)和儲液的需要，大型LNG儲
罐目前普遍采用以下3種形式：
① 大型LNG常壓儲罐。
② 大型LNG子母罐：外罐采用平底拱頂結(jié)
構(gòu)，內(nèi)罐由若干子罐組成；夾層充填珠光砂；子罐一
般采用圓筒形，預制檢驗合格后運至現(xiàn)場；外罐預制
好運至現(xiàn)場安裝。子母罐使用靈活，易于安裝。
③ 大型LNG球罐：內(nèi)外罐均采用球形，或外
罐采用圓筒形，內(nèi)罐采用球形，可承壓；夾層充填珠
光砂；工廠預制球瓣，運至現(xiàn)場安裝。該型儲罐儲存
容量大，受力均勻，承載能力高，保冷性能好，但其施
工難度要高于前兩種儲罐，安裝要求高。
本文僅局限于探討大型LNG常壓儲罐。
2．2 大型LNG常壓儲罐
大型LNG常壓儲罐一般采用立式雙圓筒結(jié)構(gòu)，
儲罐由內(nèi)罐、外罐、安全泄放裝置、測量分析儀表、
泵、閥及管路系統(tǒng)等組成。內(nèi)罐由9Ni鋼制成，內(nèi)罐
頂一般采用吊頂結(jié)構(gòu)，通過吊桿懸掛在外罐拱頂上，
吊頂甲板與內(nèi)罐的縫隙采用鋁板密封，防止灰塵、絕
熱材料或其他雜質(zhì)漏入內(nèi)罐。罐內(nèi)為常壓，最高工
作壓力為0．02 MPa。外罐材料為碳素鋼，平底拱頂
結(jié)構(gòu)，最高工作壓力約為0．001 MPa。夾層一般采
用充填珠光砂的方式來絕熱，罐底則采用玻璃磚絕
熱，罐頂通常采用巖棉絕熱。儲罐安全泄放裝置由
內(nèi)罐安全閥、外罐安全閥、緊急放空閥、最高液位報
警器、內(nèi)罐溢流閥等組成。內(nèi)罐安全閥用于超壓保
護，當儲罐內(nèi)壓力超過正壓上限值時安全閥開啟，以
保護儲罐。外罐頂部裝有呼吸閥和緊急放空閥，呼
吸閥用以保證夾層內(nèi)維持微正壓，同時具有呼與吸
兩項功能；緊急放空閥在緊急情況時使用，即當內(nèi)罐
液體泄漏流入夾層后大量氣化，夾層內(nèi)壓力迅速升
高時，緊急放空閥開啟泄壓，以防發(fā)生意外。儲罐還
裝有液位、壓力顯示儀表、分析取樣儀表以及內(nèi)罐溢
流閥等。大型LNG常壓儲罐內(nèi)罐、外罐均為工廠預
制散件，現(xiàn)場組焊，對焊接、施工水平、施工管理以及
檢驗技術(shù)等方面的要求較高，施工現(xiàn)場工作量大。
大型LNG常壓儲罐儲存容積大，壁厚薄，蒸發(fā)率低，
罐頂采用吊頂結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐與夾層相通，使得儲罐在正
常低溫工況下內(nèi)罐不承受氣相空間壓力，僅承受
LNG的液柱靜壓力，這比以前國內(nèi)低溫常壓罐采用
內(nèi)拱頂結(jié)構(gòu)安全得多。
2．3 大型LNG儲罐相關(guān)標準
在大型低溫LNG儲罐設(shè)計與建造方面，美國、
英國、日本等工業(yè)發(fā)達國家都分別制訂了專門的規(guī)
范標準。
① 美國
API STD 620(大型焊接低壓儲罐設(shè)計與建造》；
NFPA 59A(液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝
運標準》。
② 英國
BS 7777—1《低溫用平底、立式、圓柱形儲罐一
罐儲的設(shè)計、制造、安裝和操作的一般規(guī)定指南》；
BS 7777—2《低溫用平底、立式、圓柱型儲罐一
儲存最低溫度達一165 oC液化氣體的單層、雙層和
全密封金屬罐的設(shè)計和制造規(guī)范》；
BS 7777—3《低溫用平底、立式、圓柱形儲罐一
預應力鋼筋混凝土罐基礎(chǔ)的設(shè)計和制造及罐內(nèi)襯和
罐涂層的設(shè)計和安裝推薦方法》。
⑧ 歐盟
BS EN 14620—1《操作溫度在0℃到一165℃
之問的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲
罐的設(shè)計與建造一總則》；
BS EN 14620—2《操作溫度在0℃到一165 oC
之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲
罐的設(shè)計與建造一金屬構(gòu)件》；
BS EN 14620—3《操作溫度在0 oC到一165℃
之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲
罐的設(shè)計與建造一混凝土構(gòu)件》；
BS EN 14620—4《操作溫度在0 oC到一165℃
之問的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲
· B 14 ·
殷勁松，等：大型LNG儲罐關(guān)鍵技術(shù) 第31卷第7期
罐的設(shè)計與建造一隔熱構(gòu)件》
BS EN 14620—5《操作溫度在0℃到一165℃
之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲
罐的設(shè)計與建造一試驗、干燥、除掃和冷卻》。
④ 日本
JGA指一107—02《液化天然氣(LNG)地下儲
罐指南》；
JGA指一108—02《液化天然氣(LNG)地上儲
罐指南》；
JGA指一102—03《液化天然氣(LNG)接收站
設(shè)備指南》；
JGA指一105—03《液化天然氣(LNG)小型接
收站設(shè)備指南》。
3 大型LNG常壓儲罐關(guān)鍵技術(shù)
3．1 內(nèi)罐罐體材料
大型LNG儲罐內(nèi)罐用低溫材料的選用是其設(shè)
計與制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于LNG儲罐的工作
溫度為一163 cc，要求內(nèi)罐材料不僅要有必要的強
度指標，而且還要保證塑性、韌性以及良好的可成型
性和焊接性，同時價格相對較低。目前最常用的是
9Ni鋼，又稱Ni9鋼，是含鎳量(質(zhì)量分數(shù))為8．5％
～ 9．5％ 的超低溫鋼。對于LNG儲罐內(nèi)罐簡體，采
用淬火+回火的9Ni鋼，其他結(jié)構(gòu)件或經(jīng)受變形的
部件，采用二次正火+回火的9Ni鋼 。
太原鋼鐵(集團)有限公司已成功研制9Ni鋼，
結(jié)束了我國9Ni鋼長期依賴進口的歷史。研究表
明，國產(chǎn)9Ni鋼06Ni9包括一196 oC沖擊功在內(nèi)的綜
合性能指標超過了美國標準ASTM A553／A553M
(I型)和歐盟標準EN 10028的要求，與日本、歐洲
按上述美歐標準生產(chǎn)的9Ni鋼水平相當或略高。
2007年該鋼通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)
委員會組織的專家評審，可用于低溫儲罐和低溫壓
力容器。在建的中石油江蘇南通、遼寧大連兩個
LNG項目中的16×10 In 大型LNG儲罐，其內(nèi)罐用
低溫材料已選用國產(chǎn)9Ni鋼¨ 。
須強調(diào)的是，按現(xiàn)行大型LNG儲罐的制造技術(shù)
條件，對9Ni鋼的力學性能，尤其是一196℃低溫沖
擊功提出了如下更為嚴格的要求：抗拉強度為690
～ 825 MPa，屈服強度>430 MPa，伸長率>35％ ，
一196 qC低溫沖擊功≥70 J，試樣斷口側(cè)向鼓脹量
0．38 1TI1TI，一196 oC沖擊試樣剪切斷面>80％ ，一196
℃ CTOD試樣裂紋尖端張開位移>0．30 mm¨ 。
3．2 9Ni鋼焊接 .’
對于大型LNG儲罐，9Ni鋼的焊接是其安裝成
功的關(guān)鍵。9Ni鋼在焊接過程中既易發(fā)生熱裂紋，
又存在氫致延遲裂紋傾向，同時施焊過程中還容易
發(fā)生焊弧磁偏吹，是目前公認的難焊材料之一。實
際建造中9Ni鋼的主要焊接方法有焊條電弧焊和埋
弧焊。9Ni鋼施焊時須嚴格控制焊接熱輸人，一般
不超過30 kJ／cm，同時要嚴格保持焊接區(qū)和焊接環(huán)
境的清潔。內(nèi)罐底板和內(nèi)罐殼體板縱縫采用焊條電
弧焊；內(nèi)罐殼體板橫縫采用焊條電弧焊焊接根部焊
道，埋弧焊填充蓋面；殼體上的筋板以角焊縫連接；
內(nèi)罐與外罐底板均采用搭接接頭，以埋弧焊或半自
動MIG焊焊接。焊接接頭須按美國ASME(<鍋爐與 一196="一196" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0039_Ni鋼大型LNG儲罐的焊接技術(shù)是世界性的大="9Ni鋼大型LNG儲罐的焊接技術(shù)是世界性的大" 罐體設(shè)計="罐體設(shè)計" API="API" STD="STD" 大型LNG儲罐儲存容量通常按照液化裝置的="大型LNG儲罐儲存容量通常按照液化裝置的" 據(jù)LNG液柱靜壓力等作用在罐壁上所產(chǎn)生的環(huán)向="據(jù)LNG液柱靜壓力等作用在罐壁上所產(chǎn)生的環(huán)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" 煤氣與熱力="煤氣與熱力" 儲罐基礎(chǔ)一般采用帶加熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)或架空的="儲罐基礎(chǔ)一般采用帶加熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)或架空的" 絕熱保冷="絕熱保冷" 罐環(huán)形空間內(nèi)的膨脹珍珠巖會向下沉降來填補罐體="罐環(huán)形空間內(nèi)的膨脹珍珠巖會向下沉降來填補罐體" 施工="施工" 工平面布置圖繪制和施丁進度安排等="工平面布置圖繪制和施丁進度安排等" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0034_="4" 問題與建議="問題與建議" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0039_Ni鋼研究和生產(chǎn)中還存在許多技術(shù)難="9Ni鋼研究和生產(chǎn)中還存在許多技術(shù)難" 高質(zhì)量9Ni鋼需求="高質(zhì)量9Ni鋼需求" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0039_Ni鋼焊接操作不當極易出現(xiàn)焊接時電弧="9Ni鋼焊接操作不當極易出現(xiàn)焊接時電弧" 性差等問題="性差等問題" 焊接并盡量多用砂輪打磨="焊接并盡量多用砂輪打磨" 在鎢極氬弧焊和CO="在鎢極氬弧焊和CO" 氣體保護焊方面的研究尚未="氣體保護焊方面的研究尚未" l6="l6" 第31卷="第31卷" 針對內(nèi)罐冷收縮引起的夾層珍珠巖下沉及="針對內(nèi)罐冷收縮引起的夾層珍珠巖下沉及" 常壓儲存使得排液時需用低溫泵加壓輸="常壓儲存使得排液時需用低溫泵加壓輸" 成本也高="成本也高" 國內(nèi)還沒有完善的大型LNG儲罐相關(guān)標="國內(nèi)還沒有完善的大型LNG儲罐相關(guān)標" 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" 雙層金屬低溫液體貯罐的設(shè)計="雙層金屬低溫液體貯罐的設(shè)計" 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" 現(xiàn)任張家港富瑞特種裝備股份有限公司總工程="現(xiàn)任張家港富瑞特種裝備股份有限公司總工程" _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" 液化天然氣="液化天然氣" 甏="甏" 大型LNG儲罐關(guān)鍵技術(shù)="大型LNG儲罐關(guān)鍵技術(shù)" 殷勁松="殷勁松" 馬小紅="馬小紅" 陳叔平="陳叔平" 絕熱設(shè)備="絕熱設(shè)備" 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" 年美國芝加哥橋梁鋼鐵公司在路易安那州建造了第="年美國芝加哥橋梁鋼鐵公司在路易安那州建造了第" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0035_50="550" 積不斷擴大="積不斷擴大" l3="l3" 第31卷第7期="第31卷第7期" 濱LNG廠籌建25="濱LNG廠籌建25" X="X" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0031_0="10" ITI="ITI" 國內(nèi)最早建造大型LNG儲罐始于上世紀9O年代中="國內(nèi)最早建造大型LNG儲罐始于上世紀9O年代中" l0="l0" 低溫LNG儲罐="低溫LNG儲罐" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0032_="2" 大型LNG儲罐結(jié)構(gòu)="大型LNG儲罐結(jié)構(gòu)" 大型LNG儲罐分類="大型LNG儲罐分類" 大型LNG常壓儲罐="大型LNG常壓儲罐" 大型LNG儲罐相關(guān)標準="大型LNG儲罐相關(guān)標準" 美國="美國" NFPA="NFPA" 英國="英國" BS="BS" 儲存最低溫度達一165="儲存最低溫度達一165" 預應力鋼筋混凝土罐基礎(chǔ)的設(shè)計和制造及罐內(nèi)襯和="預應力鋼筋混凝土罐基礎(chǔ)的設(shè)計和制造及罐內(nèi)襯和" 歐盟="歐盟" EN="EN" 之問的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲="之問的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲" oC="oC" 之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲="之間的現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣體儲" _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常壓儲罐關(guān)鍵技術(shù)="大型LNG常壓儲罐關(guān)鍵技術(shù)" 內(nèi)罐罐體材料="內(nèi)罐罐體材料" 大型LNG儲罐內(nèi)罐用低溫材料的選用是其設(shè)="大型LNG儲罐內(nèi)罐用低溫材料的選用是其設(shè)" 溫度為一163="溫度為一163" oC沖擊功在內(nèi)的綜="oC沖擊功在內(nèi)的綜" 合性能指標超過了美國標準ASTM="合性能指標超過了美國標準ASTM" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0032_007年該鋼通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)="2007年該鋼通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)" _x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x005F_x0038_25="825">430 MPa，伸長率>35％ ，
一196 qC低溫沖擊功≥70 J，試樣斷口側(cè)向鼓脹量
0．38 1TI1TI，一196 oC沖擊試樣剪切斷面>80％ ，一196
℃ CTOD試樣裂紋尖端張開位移>0．30 mm¨ 。
3．2 9Ni鋼焊接 .’
對于大型LNG儲罐，9Ni鋼的焊接是其安裝成
功的關(guān)鍵。9Ni鋼在焊接過程中既易發(fā)生熱裂紋，
又存在氫致延遲裂紋傾向，同時施焊過程中還容易
發(fā)生焊弧磁偏吹，是目前公認的難焊材料之一。實
際建造中9Ni鋼的主要焊接方法有焊條電弧焊和埋
弧焊。9Ni鋼施焊時須嚴格控制焊接熱輸人，一般
不超過30 kJ／cm，同時要嚴格保持焊接區(qū)和焊接環(huán)
境的清潔。內(nèi)罐底板和內(nèi)罐殼體板縱縫采用焊條電
弧焊；內(nèi)罐殼體板橫縫采用焊條電弧焊焊接根部焊
道，埋弧焊填充蓋面；殼體上的筋板以角焊縫連接；
內(nèi)罐與外罐底板均采用搭接接頭，以埋弧焊或半自
動MIG焊焊接。焊接接頭須按美國ASME(</鍋爐與>

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