LNG储罐冷桥阻断研究

伍尚乐,李静波

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东 广州 510290)

1 背景技术

恒定超低温下,混凝土的强度相对于常温下是提高的,并随着温度的降低、含水量和含气量的增加而大幅度提高。与此同时混凝土内的钢筋材料强度也有所增加,但韧性却急速下降,会导致低温脆性造成的脆断事故,造成巨大损失。

在目前LNG及油气码头领域生产工艺中,LNG码头泊位上的LNG储罐和LNG泄漏事故集液池均为超低温工况(设计温度-196 ℃),针对LNG码头泊位上的LNG单层罐和LNG泄漏事故集液池的超低温工况造成的脆断事故危险的防范,需要在LNG单层罐、LNG泄漏事故集液池和混凝土基础之间设置冷桥阻断,隔断低温传递,防止混凝土基础受到破坏,以降低超低温工况破坏混凝土钢筋结构导致脆断事故的可能性。传统的LNG单层罐和LNG泄漏事故集液池的冷桥阻断大都使用龙脑樟木等耐腐、耐蚀的木块作为冷桥阻断块,木材本身具有自身的局限性,且龙脑樟木生长缓慢,龙脑樟木中的东京龙脑樟还是国家一级保护植物,价格昂贵不易采购,且木材经过雨水、微生物侵蚀容易破坏,不易加工,加工过程中容易开裂和翘曲。

超低温设备的支座与混凝土基础之间的冷桥阻断块(保冷木块)一般选用耐腐、耐蚀的龙脑樟木、香樟木等木块。保冷木块既需要承担卧罐及储存介质的载荷,又要保证设计使用周期内的耐腐蚀,因此对木材的硬度、耐腐蚀性均有很高的要求。

某些海外项目中压力容器的设计使用寿命要求不低于30年,混凝土基础设计使用寿命要求不低于50年。而木材在码头、厂区等露天、半露天的场所都会有遭遇雨水、生产用水、微生物侵蚀等风险,设计使用寿命一般为10～20年。为满足这些海外项目对低温压力容器的设计使用寿命不低于30年的要求,LNG单层罐、LNG泄漏事故集液池与混凝土之间的冷桥阻断材料也要相应提高设计使用寿命。

通过材料对比,优化设计,经过长达1年的多方实地考察,调查和资料收集,实验数据对比研究,对拟选用的替代材料:模塑聚苯板、挤塑聚苯板、酚醛树脂板、聚氨酯板的各项性能指标及价格进行了汇总比较,最终选用具有防潮、防水、耐腐蚀性能,导热系数低,热工性能好,成型工艺简单,抗变形能力强、不易开裂而且价格有明显优势的新型高分子材料高强度聚氨酯作为替代,以提高设计寿命并降低建造成本。有效地解决超低温设备和混凝土基础的隔冷要求,不仅简化了设计方案,降低了施工难度,同时还增加了安全性和降低了建造成本。

2 现状调查

结合项目实际需求,前往某LNG码头进行考察,码头上的LNG卧式储罐采用的是约150 mm厚的隔冷木块,据现场观察,木块局部已有些破损,通过涂防腐漆进行保护(如图1某项目的龙脑香冷桥阻断块实物图)。多家液化天然气公司的LNG凝液收集罐等低温储罐也是采用类似做法,采用龙脑香木作为隔冷块(如图2某项目龙脑香冷桥阻断块设计图)。

图1 某项目的龙脑香冷桥阻断块现场照片

图2 某项目的龙脑香冷桥阻断块设计图

通过调查和资料收集,对保冷木块的各项性能指标及价格进行了汇总,具体见表1。

表1 保冷木块参数表

由表1中数据可得知,龙脑樟木和其他香樟木都具有很好的耐腐蚀性能和较低的导热系数,但价格较贵,且不易加工,加工过程中易开裂和翘曲。

3 优化目标

经过对现状调查分析,结合本项目高要求的实际情况,确定了研究活动的目标为:寻找保冷块的替代材料,新材料需要具有更低的导热系数,更优的耐腐蚀性能,更低的价格优势以及更优的加工工艺等,以满足本项目压力容器30年设计年限的要求(见图3)。

图3 某项目的龙脑香冷桥阻断块设计图

4 目标可行性论证

对木材来说,在码头、厂区等露天、半露天的场所都会有遭遇雨水、生产用水、微生物侵蚀等风险。为了规避这一风险,需要所选用的替代材料同时满足要求如表2所示。

表2 替代材料必须具有的特性统计表

根据表2中各项要求可以得知,替代材料应该从目前常用的保冷隔热材料中选择,常用的保温材料按照材质可以分为无机保温材料、有机保温材料和复合保温材料三大类型,其中有机保温材料常用于工业设备保温,如:如储罐、管道保温等。有机保温材料主要有模塑聚苯板、挤塑聚苯板、酚醛树脂板、聚氨酯板等,具有绝热效果好、质量轻、比强度大、施工方便等优良特性,同时还具有隔音、防震、电绝缘、耐热、耐寒、耐溶剂等特点。有机保温材料的防火等级也可以达到B1级(难燃性),也满足LNG储罐的防火要求。保温材料的主要分类见表3。

表3 保温材料主要分类表

根据以上分析,初步判定此次优化目标设定是合理的。通过材料对比,特性匹配,可以实现设定目标。

5 原因分析

目标设定确认之后,通过多次讨论研究,并咨询多家低温容器厂家,确定了影响LNG卧罐鞍座处隔冷块效果和时效的因素,见图4。

图4 隔冷块时效的影响因素

6 要因确认

对以上已经识别的原因进行分析,制定要因确认表,选出基于本项目实际情况的重点因素,详见表4。

表4 重点因素分析表

综上分析,可以得出影响保冷块时效的主要因素,见表5。

7 制定实施对策

针对已经确认的影响保冷块时效的主要因素,研究小组进行了多次讨论,对每条要因应采取的对策从可实施性、有效性、经济性和可靠性等方面进行讨论和分析,同时结合项目的实际情况进行综合可行性分析和优选,遵循在目标可行性论证中确认的从常用的保冷隔热材料中选择更优的保冷块替代材料,最终运用对策表制定了相应的对策,见表6、7。

表6 解决雨水、生产用水侵蚀、设计使用寿命短和解决不易采购、价格较高问题对策方案表

表7 解决导热系数较高,能量损耗大问题对策方案表

综上分析,高密度聚氨酯板具有防潮、防水、耐腐蚀性能,导热系数低,热工性能好,成型工艺简单,抗变形能力强、不易开裂等优点,且价格有明显优势,是良好的、合理的隔热保冷块的替代材料。

8 对策实施

根据确定的实施对策,在项目设计中,使用了高密度聚氨酯材料(HD-PUF)作为LNG卧罐钢制鞍座和混凝土基础之间的隔冷垫块,在LNG不锈钢泄漏收集池的设计中,也首次创新使用了高密度聚氨酯材料(HD-PUF)作为泄漏池和支撑梁之间的隔冷垫块,解决了支撑梁和混凝土墩台的隔冷要求,不仅简化了设计方案,降低了施工难度,同时还增加了安全性和降低了建造成本。

9 效果检查及验证

设计方案得到了业主和第三咨工的认可和批复,在项目中有效实施,验证了设计了可行性和创新性,实现了配合压力容器30年设计年限的要求,提高保冷块时效性的既定目标。图5为LNG储罐冷桥阻断块的设计图。

1.低温容器钢支座;2.滑动盖板;3.冷桥阻断块;4.防撞加固箱体;5.混凝土基础;6.锁紧螺栓组件;7.地脚螺栓组件;8.排净孔图5 LNG储罐冷桥阻断块的设计图

10 结束语

本研发项目有效地解决了超低温设备传统冷桥阻断设计使用寿命短、采购困难造价高等问题,取而代之的是一种带防撞加固箱体的可拆卸式冷桥阻断结构。在提高设计寿命和降低建造成本的基础上简化了设计方案,制造和安装方便可行,减少传统工艺的超低温设备冷桥阻断的施工工期降低了施工难度并增加了安全性,为类似低温设备隔冷阻断提供方法参考。