行业老兵话装置(9)：我国超大型LNG储罐实施过程中应注意的问题
截止到2019年，我国已建成投产的LNG接收站共22座。此外，还有20多座接收站建设工程处于在建和规划建设中。如此的规模背景下对大型LNG储罐项目实施中应重点注意的问题进行关注很具现实意义。本文的这篇“老兵系列”文章由我国LNG低温储罐行业资深专家杜保军完成，希望能对国内各大型LNG储罐建设各方有所启迪。
一、统计数据
2010年以前建设的LNG储罐，大部分储罐的净操作容积是16万方，是基于BS 7777-1993中的9% 镍板的最大可使用厚度30mm确定的。目前国内的超大型LNG储罐发展迅猛，越来越多的储罐基于EN 14620-2006中的9% 镍板的最大可使用厚度50mm确定的。据不完全统计目前我国投入运行、开工建设和规划准备建设的净操作容积大于等于20万方的LNG储罐达129台，总容积达2744万立方米，合计有效容积（从罐底到最大正常操作液位）大约为3000万方。
二、问题思考及建议措施
储罐的底圈罐壁厚度随储罐容积的增大而增大，20万方及以上的LNG储罐基本上都大于30mm了。现在我国规划建设的27万方储罐的底圈罐壁的厚度接近40mm。由于采用的标准规范不同，在日本和台湾地区建设的大于等于16.5万方（号称18万方）的底圈罐壁厚度接近50mm，而且内罐也带拱顶，没有采用吊顶结构。这种结构的储罐，日本公司在日本和中国台湾地区用的比较多，一般在每个储罐旁边还要设置一个氮气缓冲罐。
超大型LNG储罐本体的主要风险是内、外罐的泄露、破裂和垮塌。为了尽可能降低储罐的风险，建议在设计、材料和施工检验的过程中采取如下的措施：
01
提高内罐9%镍板的各方面的力学性能，尤其厚度大于等于30mm的9%镍板的质量稳定性。由于生产工艺和能力等各方面综合的原因，一般随着钢板的厚度增加，钢板厚度不同部位以及焊接热影响区的力学性能不稳定，甚至降低，尤其钢板的韧性。小试样的力学性能检测并不能完全代表厚板的实际力学性能。国外钢厂在9%镍板产品研发试制时，一般要做CTOD试验和宽板拉伸试验ESSO。国内钢厂在9%镍板产品研发试制时作了CTOD试验（试件数量多少，各厂家也各不相同），都没有做宽板拉伸试验ESSO的试验。欧标EN 14620的起草版对于所有的9%镍板已经增加了如下要求：
· 母材按炉批号进行落锤试验
· 焊缝和热影响区进行落锤试验
· 用于许用应力的焊接材料的最小屈服强度不能大于400Mpa
对于厚度超过30mm的9%镍板已经增加了如下要求，：
· 厚度大于30mm的9%钢板应进行宽板拉伸试验（wide plate duplex ESSO）
02
内罐壁和内边缘板之间的大角焊缝，是受力最大最复杂部位，好在有自限性。过去一般采用的不是全熔合、全焊透结构，需要对大角焊缝进行气密性试验。
欧标EN 14620的起草版规定全部采用全熔合、全焊透的对接接头。关于这个焊缝的超声波探伤，国、内外还没有一套完整的程序和验收标准，建议制定一套关于大角焊缝的切实可行的超声波探伤程序和验收标准。
03
超大跨度的单层网壳钢拱顶的设计计算，一直是整个储罐的难点之一。结构布局（例如径向主梁的数量选择）、模型的简化和应力分析的判定准则，一直是工程界探讨的对象，对模型简化和应力分析判定准则，各工程类设计公司也是各有千秋。
04
超大型LNG储罐的直径很大、27万方的LNG储罐基础直径应该在100米左右。储罐基础的不均匀沉降造成碟形沉降或倾斜，对混凝土外罐整体结构完整性可能有影响。在确定内罐罐壁的高度时，不仅仅考虑地震时晃动波高的影响，还应考虑设计考虑的储罐基础不均匀沉降造成的储罐的倾斜。
05
超大型LNG储罐的直径很大、27万方的LNG储罐直径很大，估计在96米到100米之间，预应力张拉系统的优化设计，可能需要更多的扶壁柱（目前的储罐大都是4个）。
06
随着钢板厚度的增加，如果施工现场用的普通X光透射强度不够或底片的清晰度不够，有可能漏掉焊缝中的缺陷。国内目前项目现场使用的X光机是风冷便携式，最大管电压是350kV，日本的18万方LNG储罐的底圈罐壁厚度接近50mm，曾经用过液体冷却的移动式X光机，最大管电压是470kV。
为了保证无损检测的质量，建议为厚度超过30mm的对接接头（不包括大角焊缝）制定更为具体可行的无损检验程序和验收准则。
07
由于管道长度比较长，相对于LNG储罐，罐外管道或站场工艺区管道出现泄露、火灾甚至爆炸的概率多的多。管道发生的事故都有可能会对LNG储罐产生异常载荷，如爆炸超压（冲击波）、飞来物撞击（一般采用110公斤的重物、直径100mm和45米/秒速度，垂直撞击混凝土外罐的表面）和热辐射（通常标准规定热辐射门槛值是32KW，持续时间是2小时）。
08
如果发生人们不愿意发生的事件，例如国内、外标准都假定内罐壁底部发生直径20mm小孔的泄露工况，可能发生下面的现象：
1. 由于混凝土外罐本身只具有液体的密闭性，不具有气体的密闭性，而且只是设计目标，最终的密闭性取决于混凝土外罐的施工质量。正常工作时的气密性是由低温碳钢衬里板（俗称防潮板）实现的。在内罐泄露工况，低温碳钢衬里板可能破裂，少量的BOG气体有可能从混凝土外罐释放出来；
2. 混凝土外罐非常可能会发生结露、甚至结冰现象，取决于泄露量的大小；
3. 如果BOG压缩机的能力不能完全处理掉事故状态下的储罐BOG蒸发气，只能通过火炬系统长时间的燃烧掉，甚至通过LNG储罐正压安全泄放阀或工艺安全阀可控的直排大气放空。
日本18万方罐和韩国的27万方罐在钢筋混凝土罐壁的内侧使用了喷涂PUF，以降低在泄漏事故状态下的BOG蒸发率。详见下面的红线框区域。
09
最近国内LNG接收站发生的罐前管道平台大火给人们提了一个警醒：罐外钢结构的主要承力部件（例如罐顶工艺管道区域的平台、正压安全泄放阀平台、罐壁立管的支撑和导向钢结构）是否考虑被动防火（主要是防火涂料），是值得探讨的问题，需要业主和设计单位共同商量确定。国内多个项目的罐外钢结构仅仅是基于GB 50160中的如下规定，没有考虑被动消防。
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由于管道可能发生法兰垫片失效、各种载荷引起的弯曲等产生的小孔或中孔的泄露（仅仅是泄露量计算的假设）、甚至断裂（概率很低）。为了安全，LNG的项目一般在可能发生泄露的部位会设置LNG泄漏收集系统。
LNG接收站的项目一般都做了QRA分析，QRA分析报告中都会给出不同区域工艺装置和工艺管道的发生泄露的概率与泄露量的对应表。LNG罐区的泄露量，不同标准基于不同的假设，会得到不同的泄露量，从20多方（QRA一般基于欧洲通常做法）到2500方（NFPA 59A）都有可能。目前国内项目的LNG泄漏收集系统的能力和设计考虑的泄露量可能不太匹配，如果发生QRA报告中的泄露量，目前的泄漏收集系统是否能够全部收集值得探讨。
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致谢：本文由LNG低温储罐设计建设领域的资深专家杜保军先生倾心打造完成，文中的观点、思考、建议为其本人多年低温储罐实践活动的总结，仅供大家参考。另文中部分图片来自网络，在此致谢。如图片著者不愿我们引用，请即通知我们删除。This pulication is the effort from Mr. B. J. Du, a well-known cryogenic storage system expert, and opinons, suggestions presented here are all based upon his own individual cryogenic engineering experience and are for the purpose of technical discussion only. Under no circumstance shall them be interpreted as opinons, suggestions of the company he has been working for or of any industrial organizations he has joined. Internet publicly available pictures may be cited here in the publication, and please inform us to delete in case that you had the ownership of them and had objection of their using here.