[科普中国]-薄膜型液化天然气储罐

研究背景

随着我国对天然气需求的不断增加，LNG接收站建设发展很快，在建和已投入运营的LNG接收站逐渐增多。LNG储罐是接收站的重要设备，用于储存从LNG船接卸的LNG，因此LNG储罐的建造是接收站建设的重要工程。1常见的LNG储罐一般由混凝土外罐、绝缘填充层(包括衬板、膨胀珍珠岩、弹性棉毡等)和9%镍钢内罐组成，而新型的薄膜型储罐除混凝土外罐相同外，绝缘填充层、罐底和内罐结构与以前的LNG储罐完全不同。到目前为止，国内尚未开始应用薄膜型储罐。

国外发展及运行现状自1996年始就有研究机构对薄膜型和9%镍钢储罐进行了性能测试，作出了质量风险评价。到2006年，一些欧洲标准确认了薄膜型储罐和9%镍钢储罐具有相同的安全等级，薄膜型储罐逐渐成为了认证且批准的技术。2

截至目前，全球已有近百座薄膜型储罐建成，罐容为8000m3到2万m3 。韩国天然气公司(KOGAS )的10座10万立方米薄膜型储罐自使用以来未出现任何问题;法国天然气苏伊士集团(GDF Suez)的2座1.2万立方米薄膜型储罐未进行任何维护仍处于正常运行状态;东京煤气公司的2座1.2万立方米薄膜型储罐未出现任何问题，目前也在正常运行。3

结构薄膜型储罐结构示意图如图1、2所示。

薄膜型储罐和常见全包容混凝土顶储罐的混凝土外罐没有太大区别，它是储存LNG和承担气体压力载荷的支撑结构，系由混凝土拱顶、混凝土罐壁和混凝土承台组成。外罐的内壁为56边形。
一级波状薄膜在气相和液相中均可伸缩，它并不是系统的结构部件，其结构见图3。薄膜呈正交波纹状，类似于自由伸缩的波纹管。二级薄膜为非波纹状，可储存二级液体，主要用于一级薄膜泄漏时的设防。

薄膜型储罐内罐罐底俯视图见图4，它由二角板区薄膜块和长方板区薄膜块拼装而成、一级波状薄膜是由这些薄膜块通过埋件焊接在绝缘层上，且相互搭接而成的。薄膜的顶端通过外围埋件锚固在罐壁的上端。

在拱顶下面是一层碳钢衬板，罐壁上端的抗压环和一级薄膜紧密焊接以确保罐内的气密性良好。

在混凝土罐壁和一级薄膜(内罐)之间是绝缘填充层，以支撑处于环境温度下的外罐结构。绝缘填充层承载了罐内LNG从薄膜传至外罐的载荷，它的厚度取决于日蒸发率。填充层由内向外层层紧固，始终处于氮气环境下，且对其进行监测。绝缘填充层是一个独立的空间，氮气监测确保了罐内的气密完整性。绝缘吊顶和拱顶之间形成了一定的绝缘空间，使得温度处于可承受的范围内。绝缘吊顶是由玻璃纤维和玻璃纤维毛毡覆盖的铝板组成，是罐顶的主要屏障，其厚度也取决于日蒸发率。

所有管道和仪表从罐顶连接，所以一级薄膜不会被穿透，保证了其完整性。管道锚固在罐顶且只延伸至罐底部分。

在混凝土罐内罐壁和承台上表面有一层防潮层，防止混凝土及外界的液体或水蒸气渗透到绝缘填充层内，从而影响整个结构的使用寿命

整个薄膜储罐配备了监测系统，可永久控制储罐的运行。3

设计理念薄膜型储罐的设计理念是将结构、绝缘和气密性作用明确分离，使得每个部分得以优化，有效避免事故的发生。并且这样一种设计也使得焊接应力趋于零，薄膜材料不会出现裂纹扩一展，即使在循环加载的情况下也不会出现裂纹扩展。3

与常见储罐对比结构对比薄膜技术的设计理念是将各个功能部分分隔开来，这也是和常见的9%镍钢技术不同之处。薄膜型储罐和9%镍钢全包容储罐的对比示意图如图。

(1)对于薄膜型储罐一般按照蒸发率为0.05 %计算，绝缘填充层的厚度小于0.4m;在相同的条件下，由于技术与安装的限制，常见的9%镍钢全包容储罐的绝缘层厚度一般为1m左右。

(2)对于9%镍钢全包容储罐，罐底采用的是泡沫玻璃砖以起到保冷作用，需敷设两层，其厚度达到0.6 m左右;而对于薄膜型储罐，其罐底和罐壁结构相同，其厚度仍然小于0.4m。

(3)对于9%镍钢全包容储罐，从铝吊顶到抗压环之间的距离一般为3m左右。而薄膜型储罐仅需1.5 m。

(4)薄膜型储罐的内罐(即波状薄膜)为1.2mm厚的不锈钢，而9%镍钢全包容储罐，在内罐下端转角处9%镍钢的厚度就达到了40mm，可见在内罐厚度上薄膜型储罐也更优。

(5)薄膜型储罐的绝缘填充层始终处于氮气环境中，而不是天然气或其他气体。3

建设工时对比以建设1.6万立方米LNG储罐为例，对薄膜型储罐和90Io镍钢全包容储罐的建设工时进行对比(不包括管理和质量控制如下表。

|| ||

|| || 薄膜型储罐和9%镍钢全包容储罐的建设工时对比/h

从上表可以看出，薄膜型储罐的建设工期比9%镍钢全包容储罐节省了2850 h。薄膜型储罐主要节省了罐壁罐底衬板的敷设时间以及建设内罐和热角保护的时间。薄膜型储罐可以节省约23%的工时。3

优点(1)薄膜型储罐保证了储罐结构和气密结构的独立性，可进行混凝土结构的液压和气动试验、热角保护的完整性检测以及内罐完整性检测。

(2)由于要承载绝缘体，因此，如果在同一地址建设9%镍钢全包容储罐和薄膜型储罐，那么后者的混凝土外壁就要比前者的混凝土外壁坚固。

(3)薄膜只是作为储存液体的容器，无论储罐的容积有多大，薄膜块的结构设计都是相同的。

(4)薄膜型储罐没有容积的理论极限，25万立方米甚至32万立方米的储罐都是可以考虑的。而对设计的限制就只涉及到混凝土外罐和土建部分。

(5)基于薄膜概念的设计，一级薄膜在循环加载的情况下具有无裂纹扩展的特性，从而防止了泄漏扩大。此外，焊接处应力接近于零，所以裂纹扩展的可能性极小。

(6)监控系统可通过对绝缘填充层气体的分析来对内罐的整体性和气密性进行永久监测。

(7)薄膜型储罐的静水压力测试和9%镍钢全容储罐不同，它要在安装薄膜和绝缘填充层之前进行，可利用海水进行静水压力测试，而无需采取其他具体措施。

(8)与9%镍钢全包容储罐相比，薄膜可快速冷却并且更易拆卸(膨胀珍珠岩环形空间需要释放空气)。

(9)在混凝土外罐尺寸相同情况下，薄膜型储罐比9%镍钢全包容储罐容积大10%，这得益于结构的优化和薄膜内罐体系的厚度。

(10)与9%镍钢全包容储罐相比，薄膜型储罐中镍的含量少得多。例如16万立方米储罐，若为9%镍钢全包容储罐，需要至少3000t9%镍钢，而薄膜型储罐只需250t不锈钢。

(11)薄膜型储罐是基于预制的高比率设计的，可进行全程质量控制。且9%镍钢全包容储罐内罐建设所需工时是相同容积薄膜型储罐的2倍。

(12)薄膜型储罐比9%镍钢全包容储罐的安装更简单，即便对于没有施工经验的施工人员，只要经过课程培训(主要是粘接和焊接)就可以进行操作，无需调派专业施工人员。

(13)薄膜型储罐与9%镍钢全包容储罐相比可减少10%一35%的投资，并且建设周期短，仅1.6万时的储罐就可节省约4个月的工期。更重要的是，在地震频发区，需要把9%镍钢全包容储罐内罐锚固在基础上，而薄膜型储罐内罐不用锚固。

(14)薄膜型储罐与9%镍钢全包容储罐相比更加环保。3