第３９卷第１期 ２Ｏ１０年１月 石油化ｊ－设备 ＰＥＴＲ一ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１０ 文章编号：１０００ ７４６６（２０１０）０ｌ ００８６—０４ 液化天然气储罐安全技术分析 朱保国 ，李晓明 ，宋启祥 ， 陈叔平 ，党战伟 ， 王运波 ，王文江 ，谢培军 ，岳 彬 ，田绍伟。 （１＿甘肃蓝科 化高新装备股份有限公 ，｝ｊ‘肃兰州 ７３００７０； ２．兰州理工大学石油化Ｔ学院，甘肃兰州 ７３００５０； ３． ｝Ｊ国石油西气东输管道公司宁陕管理处， 夏银川 ７５０００１） 摘要：我国液化天然气的应用技术还处于发展阶段 其安全储存尤为重要。根据其特性，从涉及储 罐安全的技术环节分析了储罐安全的技术要求和措施，如围堰、设计压力、主体材料等。 关键词：低温储罐；液化天然气；安伞技术；建造 中图分类号：ＴＥ ９７２ 文献标志码：Ｂ Ｓａｆｅｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｆ ＬＮＧ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔａｎｋ ＺＨＵ Ｂａｏ－ｇｕｏ ，ＬＩ Ｘｉａｏ－ｍｉｎｇ ，ＳＯＮＧ Ｑｉ—ｘｉａｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｓｈｕ—ｐｉｎｇ ，ＤＡＮＧ Ｚｈａｎ—ｗｅｉ ， ｗＡＮＧ Ｙｕｎ—ｂｏ ，ＷＡＮＧ Ｗｅｎ－ｊ ｉａｎｇ ，ＸＩＥ Ｐｅｉ－ｊ ｕｎ ，ＹＵＥ Ｂｉｎ ，ＴＩＡＮ Ｓｈａｏ—ｗｅｉ （１．Ｉ ａｎｐｅｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉ ｉｍｉｔｅｄ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉ ａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬａｎｚｈｏＵ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｔｈｅ Ｎｉｎｇｓｈａｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｗｅｓｔ—Ｅａｓｔ Ｎａｔｕｒａｌ（；－ａｓ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏ ｅｃｔ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，ＣＮＰＣ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｇｅ，Ｉ．ＮＧ ｓａｆｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ— ｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＬＮＧ，ｖａｒｉｏｕｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｉ ＮＧ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａ｛ｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｂｕｎｄ ｗａｌｌ，ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｔｃ．Ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｏｎｔａｉｎ— ｍｅｎｔ ｍｅｔａｌ ｔａｎｋ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ；ＬＮＧ；ｓａｆｅｔｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 液化天然气（简称Ｉ ＮＧ）以运输灵活、储存效率 高的显著特点，被广泛用做城市输配气系统扩容、调 峰等方面的主要气源。ＬＮＧ是以甲烷为主要组分 的烃类混合物，在大气压力下的沸点约为一１６０℃， 其沸腾温度随蒸气压力的变化梯度约为１．２５× １Ｏ ℃／Ｐａ。ＬＮＧ的密度取决于其组分，通常为 ４３０～４７０ ｋｇ／ｍ ，其密度是液体温度的函数，每度 的变化梯度约为１．３５ ｋｇ／ｍ 。 根据ＬＮＧ特性，储罐不仅具有良好的绝热保 冷性能，而且更需要从设计、制造及运行管理等方面 对ＬＮＧ储罐的安全性提出一定要求。 ｌ平面布置及基础 １．１ 储罐布置 ＬＮＧ储罐以外的热源会对ＬＮＧ储罐产生热作 用。因此，ＬＮＧ储罐的布置须符合Ｉ ＮＧ安全防火 的要求。一般根据储罐的体积合理确定安全间距。 美国防火协会标准ＮＦＰＡ５９Ａ中规定了储罐围 堰墙与站区建筑的最小水平净距、ＬＮＧ储罐之间的 最小净距．见表１ ］。ＧＢ／Ｔ ２０３６８－－２００６《液化天 收稿日期：２００９—０８ ２１ 基金项目：甘肃省科技重大专项计‘划项目（０８０１ＧＫＤＡ０４０） 作者简介：朱保国（１ ９６６一），男，甘肃定两人，高级工程帅，Ｔ：学硕。＝，主要从事压力容器设计开发、工程项目管理工作。
第１期 朱保国，等：液化天然气储罐安全技术分析 然气（ＬＮＧ）生产、储存和装运》中也给出了相同的 数据要求 。 表１ 储罐围堰与建筑物及储罐之间的安全间距 储罐建造的位置首先应避开易燃物释放的下风 向。平面布置设计时，应根据工艺确定的流程位置 来确定工艺装置及储罐的相对位置。一般场站的工 艺装置系统离储罐较远，在储罐围堰以外较近距离， 可以根据需要布置热源危害相对影响小的建筑，如 消防水池及废水收集池等。 １．２ 储罐围堰 单容罐的结构特性需设置围堰，其作用是用来 容纳一旦内罐发生泄漏而流出的液体，阻止泄漏范 围的扩大。围堰距单容罐内罐的距离要大于或等于 储罐最高液位减去围堰高度之后的尺寸加上液面上 蒸汽压的当量压头的值之和ｆ 。即在储罐发生泄漏 的时候，围堰有足够的空间容纳泄漏液体。 由于围堰的特殊作用，在设计时应注意以下几 点：①围堰的强度能承受拦蓄的ＬＮＧ全部静水压 头。②围堰材料能承受温度骤冷所产生的影响。③ 围堰能承受预计到的火灾和自然力的影响。④选用 热导率较小的材料来建造围堰及罐区场平。一般围 堰采用钢筋混凝土材料建造。 １．３储罐基础 大型立式平底圆筒形储罐的基础有高架式和落 地式两种。高架式基础为储罐支撑于伸出地面的桩 基承台上，内罐底设置隔热层，以便阻止接触冷态介 质的内罐的冷能向基础传递，从而避免由于基础接 受冷能后发生冷冻膨胀，对储罐底板产生破坏作用 力，影响储罐的安全储存。落地式储罐基础的底部 用珍珠岩混凝土与绝热层结构组合构成，基础中问 预埋加热管，在管中通人热风或热水或在罐基础上 预设电加热器。在储罐运行期间，保持热风热水或 电加热装置持续工作，以防止土壤冻胀鼓起损坏储 罐。前者的安全性要高一些，后者的加热系统的隔 热环节需要进行特殊设计，以便阻断加热系统向储 罐漏热，而使得内罐的冷态低温介质气化，防止出现 安全事故。 目前，大型立式平底型圆筒储罐多采用高架式 的混凝土桩基基础。基础承台由柱桩支撑，可保证 空气流通畅通。内罐底部与外罐底部之间没置隔热 层，使用玻璃砖及珠光砂混凝土等导热系数小的材 料作为支撑层，隔断内罐冷能，即接触Ｉ ＮＧ的材料 为一１６２℃，而到混凝土承台叮以降到常温。 中小型ＬＮＧ储罐多采用柱腿支撑，支撑构件 作为此类储罐漏热的一个主要部分，在储罐设计时 需要考虑支撑的隔热措施，一般用玻璃钢或其它具 有较小导热系数又具有强度的材料做中间材料，切 断内罐和外界的冷热传递。 ２ 储存系统 ２．１ 设计压力 目前用于民用燃气气化站的小型储罐和用于 Ｉ ＮＧ生产装置及调峰型液化装置的子母罐，其内罐 没计成压力容器，按ＧＢ １５０ １９９８￣钢制压力容器》 附录ｃ设计 ，其设计压力最大为】．８ ＭＰａ，通常工 作压力在０．２～１．０ ＭＰａ 。 大型及特大型Ｉ ＮＧ接受终端用的 式平底圆 筒形储罐，按照ＢＳ ＥＮ１４６２０—１～２６《低温工作条 件下立式平底圆筒型储罐：第一部分没汁、建造、安 装和操作通用指南》进行设计，储罐最大设计压力不 超过０．０５ ＭＰａ Ｊ。 立式圆筒型单容罐，国内目前参照ＡＰＩ ６２０｛大 型焊接低压储罐设计 建造》附录Ｑ及上述标准建 造，其工作压力０．０１ ＭＰａ，设计正压０．０２５ ＭＰａ，内 部负压０．０００ ５ ＭＰａ 。 ２．２ 主体（内罐）材料要求 ２．２．１材料基本要求 通常ＬＮＧ储存在一１６２℃，低温下金属材料的 性质较常温状态有很大变化。为保证ＬＮＧ储罐的 安全，选用制造低温储罐的金属材料须考虑以下因 素：①常温至一１９６℃（设计温度）范围内的强度。 ②在使用温度范围内具有足够的韧性和塑性，以免 发生脆性破坏。③稳定的金相结构。④具有良好的 加工性和焊接性。⑤价格低廉．．且容易采购。⑥适 合低温要求的物理性能Ｊ。。 目前，适宜建造Ｉ ＮＧ储罐内罐的材料主要有 ９Ｎｉ钢，如国产的０６Ｎｉ９钢、ＡＳＴＭ Ａ５５３ Ｔｙｐｅ Ｉ以 及奥氏体不锈钢０Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ等。中小型ＬＮＧ储 罐的内罐常用奥氏体不锈钢制造，大型及特大型
・ ８８・ 石油化工设备 ２０１０年第３９卷 ＬＮＧ储罐选用９Ｎｉ钢作为内罐的首选材料。 ２．２．２低温韧性要求 冲击试验是评定材料低温韧脆性的常用方法， 选用９Ｎｉ钢作为ＬＮＧ储罐的主材就需要对９Ｎｉ钢 板及焊缝做一１９６℃下的冲击试验，每单个试验值 不得小于３５ 。由于钢材本身的纯净度、微合金 化、铸态组织、控制扎制、两相区热处理及焊接磁偏 吹都对９Ｎｉ钢的焊接及低温韧性有很大影响。对于 ９Ｎｉ钢及焊缝来说，３５ Ｊ试验的单个值相对比较苛 刻。采用９Ｎｉ钢制造的大型常压ＬＮＧ储罐，就需 要采用适当的焊接工艺，以保证９Ｎｉ钢的焊后低温 性能指标，从而保证储罐的安全。 奥氏体不锈钢的抗拉强度、屈服强度、弹性极限 及硬度随温度降低而增大，其冲击值随温度的降低 减小较缓慢，奥氏体不锈钢的晶体结构为面心晶格 结构，不存在脆性转变温度，在低温下能保证足够的 塑性及韧性。这类钢中含有镍元素，镍为强奥氏体 化元素，随着镍含量的增加，钢在低温下的冲击值也 增大＿７】，ＬＮＧ用奥氏体内罐一般不要求作材料的低 温冲击试验 Ｊ。 除了以上的要求外，侧向膨胀量也是考核低温 韧性的一项重要指标，一般要求每块试样的侧向膨 胀量都不小于０．３８ ｍｍ。 ２．３ 绝热保冷 ２．３．１ 小型储罐的绝热要求 绝热保冷是储罐安全储存的最主要保证措施， 小型ＬＮＧ储罐一般采取真空或真空粉末绝热方 式。绝热空间保持一定的真空度，即可消除气体的 对流传热。辐射成为这种绝热结构的主要传递通 道，故一般对内罐的外表面进行抛光处理，或采用低 发射率的材料涂敷表面 ］，降低材料表面的发射率 来减少辐射传热。除此，真空度的降低会影响绝热 效果，焊缝的泄漏及夹层绝热材料的放气都对真空 度有很大影响。 如何保持真空度也就成为确保ＬＮＧ储罐安全 的必要措施。对于真空绝热容器，一般通过产品的 质量保证期的时间反算ＬＮＧ储罐的最大允许漏 率，利用氨渗透或氦质谱检漏等泄漏检测手段检测 来保障ＬＮＧ储罐的安全储存。 ２．３．２ 大、中型储罐的绝热要求 对于中、大型及特大型ＬＮＧ储罐，从经济技术 上考虑，普遍采用普通堆积绝热，即在绝热空间中装 填珠光砂。选用一定粒度的珠光砂充填到一定密 度，减弱颗粒间的接触传热。为防止绝热材料吸潮 而造成性能下降，使绝热材料保持其绝热效果，对绝 热空间充入微正压的氮气，可防止潮湿空气渗入夹 层。也可以排出夹层中空气，将夹层中的氧含量降 至最低，防止ＬＮＧ泄漏后与氧气混合发生危险。 ２．３．３ Ｉ ＮＧ储罐绝热方式确定原则Ｌ１ ＯＪ 确定ＬＮＧ储罐的绝热结构要考虑以下几点： ①在保证标准热损的要求下，尽可能减薄绝热层。 ②绝热材料不应使管道和设备受到腐蚀。③绝热体 要有适宜的粒径和充装密度，这样才能确保绝热效 果，更有效地保障ＬＮＧ储罐的安全储存。 ２．４接管绝热 工艺管道是储罐必不可少的一部分，连接内罐 和外界介质源。介于夹层中的管道有绝热空间的保 冷作用，但对于管道与外容器连接部位，就要考虑连 接处的保冷及结构的合理。管道材料在ＬＮＧ工作 温度一１６２℃下会发生冷收缩，需要在管道上设置 波纹膨胀节进行冷收缩补偿，受绝热空间绝热材料 的影响，补偿结构要设置在外罐外侧。同时在管道 和膨胀节的间隙填充隔热材料，阻断通过此连接环 节的漏热，可以解决储罐储存中接管漏热的问题。 ３ ＬＮＧ储罐允许充装量、液位控制系统及 其他 ３．１ 最大允许充装量 通常ＬＮＧ储罐设计有最高液位，要控制储罐 内的液位不超过此限。因此，在充装ＬＮＧ时，应考 虑到液体受热后的体积膨胀而出现液位超高的情 况。这就需要根据充注时液体的具体情况来确定， 如果充注的ＬＮＧ相对于储存压力来说是已经膨胀 了的ＬＮＧ，则可以充注到最高液位，反之则应留有 适当的空间允许液体膨胀ｌ＿】 。 一般可根据储罐泄放阀设定的工作压力和充注 时气相空间的压力来确定允许的实际充装量。 ３．２液位控制系统 ＬＮＧ储罐液位控制系统应设置正常最高工作 液位、高液位报警、高高液位报警并切断、最高允许 液位４组液位控制方式。其中最高允许液位小于罐 壁顶部或者低于溢流口，４组液位控制方式形成阶 梯式的过量充液预防保护系统。 为防止仪表的失效风险，储罐上分别设２套独 立的液位测量仪表，仪表选型时要考虑密度的变化。 液位控制系统不仅能就地显示，还具有远传功能，其
第１期 朱保国，等：液化天然气储罐安全技术分析 信号可以远传至控制室进行操作。即高液位报警和 高高液位报警与切断保护设施联控，可以在ＬＮＧ 充装到此液位限定值后，控制信号直接驱动进液管 道上的自动阀来达到关闭。 ３．３ 温度测量 ３．３．１介质温度测量 ＬＮＧ的密度差异等会造成充装过程的分层和 涡旋等不利现象。内罐的外罐壁不同高度设置测量 介质温度的热电偶，可以将不同储存深度的ＬＮＧ 的温度信息反馈出来，使操作者采取合适的充装程 序，同时也监测温度差异，以抑制分层的现象发生。 如ＬＮＧ源温度较罐内储存ＬＮＧ介质温度高时，可 以从下进液管进行充注，罐内介质对充入ＬＮＧ源 起降温作用。反之，则从上进液管充装，ＬＮＧ源介 质可对罐内形成的气相蒸气起冷却作用。 ３．３．２ 绝热空间温度测量 绝热空间的四周、顶部及底部分散布置着测温 装置。绝热层暖侧和冷侧及过渡空间中的测温装置 可监测异常的温度变化，以便判断绝热体是否受潮 或松散而存在漏热等。内罐底部设置的温度传感 器，尤其对采用罐底有加热系统的立式平底型圆筒 储罐来说，不仅可监测储罐底部是否存在异常反应， 同时可以监测加热装是否存在漏热。底部加热器为 周期性的工作模式，当温度传感器达到最低设定温 度后，即内罐冷能即将传递到基础时，可以通过自动 控制系统启动加热系统，直至温度传感器达到最高 设定温度而保护基础结构。 ３．４ 正压及负压的泄放和解除 ３．４．１ 内罐正压泄放 为保证内罐的压力泄放和解除，内罐应该设置 正压安全泄放阀和负压解除阀，这两种阀门应该分 开设置。对于储罐，热量进入引起液体的蒸发、充注 期问液体的闪蒸、大气压的下降等都能引起罐内压 力的上升＿１ 。内蒸汽压力达到泄压阀设定的压力 时，泄压阀开启，对内罐起安全保护作用。低温储罐 宜采用先导式泄压阀，这种泄压阀在内部压力达到 设定值之前可以紧密关闭，在超过设定压力后完全 开启，此结构的阀要么完全截止，要么完全开启，可 以防止阀座结冰，而且先导阀抗大气压力工作，其设 定压力不随背压变化 ］。储罐泄压阀应该一备一 用，即安装２块相同泄放能力的泄压阀，为了避免不 必要的浪费，从经济上考虑，２个安全阀的压力值设 定依次成增加趋势，但最大设定值不得超过内罐的 设计压力。 ３．４．２ 外罐负压解除 在快速进行排液或抽气时，有可能使罐内形成 负压，就需要开启负压解除阀补充ＬＮＧ蒸气或氮 气，而不会由于负压而出现罐体变形。这就需要在 外罐顶部设置负压解除阀，同样，负压解除阀需要至 少设置２处。负压解除阀一般与供氮装置连通，根 据罐内需要进行补充，在储罐设计时需要规定充装 和排液的最大流速，以便减少泄压阀的工作。 ４ 结语 由于ＬＮＧ的性质及低温绝热储罐的特殊要 求，对于设计体积大小不同的地上金属单容ＬＮＧ 储罐，要把储罐的安全设计放在第一位，根据不同的 使用工况和要求，确定合理的绝热结构、选用合适的 支撑隔热结构、选用合适的主体材料并制定主体材 料制造、安装过程中的技术要点。这样才能有针对 性地完善ＬＮＧ储罐的安全设计。 ＬＮＧ是一种清洁、高效能源，其占有的市场份 额越来越大，ＬＮＧ储罐也将有更大的市场需求。储 罐设计关系到设备的本质安全，所以有关设计、制 造、操作和火灾预防等方面的安全问题，要严格执行 有关标准、规定，还应根据每台设备的特点、设计参 数及相关要求全面综合考虑分析，进行更合理、更优 化的设计，确保ＬＮＧ储罐的安全。 参考文献： ［１］ＧＢ／Ｔ １９２０４－－２００３，液化天然气一般特性ＩＳ］． ［２］ＮＦＰＡ ５９Ａ，（２００１版），液化天然气（ＬＮＧ）生产、储存和装运 标准［ｓ］． ［３］ＧＢ／Ｔ ２０３６８－－２００６，液化天然气（ＬＮＧ）生产、储存和装运［Ｓ］． ［４］ＧＢ １５０—１９９８，钢制压力容器［ｓ］． Ｅｓ］顾安忠．液化天然气技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６． Ｅ６］ＢＳ ＥＮ １４６２０—１—２ｏｏ６，低温工作条件下立式平底圆筒型储 罐——第一部分：设计、建造、安装和操作通用指南［ｓ］． ［７］ＡＰＩ ６２０，大型焊接低压储罐设计与建造（附录Ｄ）［ｓ］． ［８］化学工业部第四设计院．深冷手册Ｆ－Ｍ］．北京：化学工业出版 社，１９７９． ［９］ＢＳ７７７７：１９９３，低温工作条件下的立式平底圆筒形储罐［Ｓ］． ［１ｏ］徐列．低温绝热与储运技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社， １９９９． ［１１］敬加强．液化天然气技术问答［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２００７． ［１２］鲁雪生．汪顺华．关于ＬＮＧ贮存的若干问题［Ｊ］．深冷技术， ２０００，（６）：１４－１６． （许编）