大型低温罐结构核心要素分析及选型

李力松

(中国石化工程建设有限公司,北京100101)

相比球罐等压力存储设备,大型低温罐因容量大、占地小等优点,近来得到广泛应用.但国内、外低温罐标准对罐型的定义仅为原则性规定,缺乏具体结构细节的详细描述,造成使用者对标准中的定义理解存在差异;低温罐选型中因侧重考虑的因素不同,最终建成的储罐成品在结构细节上千差万别,甚至在规定的性能上存在重大缺陷,使装置后期运行中存在较大安全隐患.

大型低温罐结构上包括内罐和外罐,内、外罐均可采用预应力混凝土或钢板制造.市场上常用的内、外罐组合可分为两类:1)预应力混凝土罐,即外罐采用预应力混凝土,内罐采用钢板制造;2)钢制罐,即内、外罐均采用钢板制造.

预应力混凝土罐安全性要远高于钢制罐,容积大时建造费用比钢制罐低,但建设周期长.国外基本不建造钢制全容罐;国内市场上一般大于5万m3时多选用预应力混凝土罐,小于5万m3时多选用带防火堤的双壁单容金属罐.从近几年开始,因土地价格上涨,在片面追求经济效益的情况下选型时,投资人更倾向于建造不带围堰、占地面积小、施工工期短的钢制“全容罐”(为与标准定义的全容罐加以区别,将市场上已建的所谓全容罐加引号表示),即使容积大于5万m3的也是如此.

下面从规范、结构等方面对已建钢制“全容罐”进行分析,给出对全容罐定义的理解,同时提出低温罐选型时应注意的问题.

1 全容罐功能分析

低温罐按安全性能不同分为单容罐(亦称单防罐)、双容罐(亦称双防罐)和全容罐.预应力混凝土罐基本都属于全容罐,而钢制低温罐则上述3种型式都有.

下面从标准定义出发,分析全容罐的含义.低温罐设计时涉及到的国、内外标准包括:国标GB/T 50938【1】、GB/T 26978【2】、GB/T 20368【3】、GB 50160【4】和 GB 51156【5】;欧标 EN 14620【6】和BS 7777【7】;美标 API 620【8】和 API 625【9】.

GB/T 50938第2．0．12 条规定“全容罐为由液体主储罐和既能限制泄漏液体也能限制泄漏气体的次储罐组成的储罐”.GB/T 26978第4．1．3条规定“全容罐次容器在主容器泄漏的情况下,装存全部的液体产品,并保持结构上的气密性.”GB/T 20368第3．6．3条规定“全容罐设计容纳溢出事件中由内罐溢出的LNG,且次容器由钢或混凝土顶封盖,由内罐溢出的LNG引起的过量蒸气从设计的顶部安全阀排出.”GB 50160第2．0．32条规定“全容罐的外罐既能储存冷冻液体,又能限制内罐泄漏液体所产生的气体排放.”GB 51156第2．0．14条规定“全容罐的外罐为独立的自支撑式带拱顶的闭式结构,用于承受气相压力和绝热材料,并可容纳内罐溢出的低温易燃液体”.EN 14620第4．1．3条、API 625第 5．4．2条和BS 7777第3．1．3条规定“全容罐的外罐既能容纳低温液体产品,也能够控制因内罐液体泄漏而产生的蒸发气”.

以上所有中、外标准一致定义全容罐的外罐应在内罐泄漏时既能包容内罐泄漏的液体,也能限制因内罐液体泄漏而产生的气化气体并使之达到可控排放.因单容罐在内罐泄漏后不能限制泄漏的液体和气体而保证罐体结构的整体性,因此相应的标准规定,单容罐的安全距离比较大且应设置防火堤.实质上,在低温罐系统中,单容罐配套的防火堤被认为是低温液体的二次包容容器.

2 全容罐内罐泄漏工况分析

由上述分析可知,单容罐与全容罐的主要区别是外罐是否可包容内罐出现泄漏工况后溢出的液体和气体.内罐泄漏按量的大小可分为少量泄漏和大量泄漏;不同的泄漏工况,外罐所承受的温度、压力不同.

关于泄漏量的大小,API 625第D3．2．5条规定:大泄漏为内罐全泄漏,小泄漏为内罐局部破坏.EN 14620 第7．2．2．1条规定:全容罐压力泄放系统尺寸,可假设为第1圈罐壁上开设1个直径为20 mm的小孔.但最终泄漏量应按EN 14620第4．1．3条规定的 “主容器(全容罐内罐)泄漏时应盛装全部液体介质”,及EN 14620第7．3．3．1条规定的能够盛装主容器在最高液位时的全部液体,并假设逐渐进液.EN 14620第7．3．3．1条还规定:除介质大量泄漏之外,还应研究液体的少量泄漏产生的“冷点”后果.欧美标准一致指出大泄漏量即为内罐所能盛装的全部介质.

应评估内罐泄漏后对储罐以下部分的影响:

1)基础;

2)外罐各部件承受的压力和温度;

3)内罐介质泄漏后对内、外罐之间保冷材料(如膨胀珍珠砂)的影响;

4)外罐罐壁与罐底板连接结构.

内罐泄漏后,冷量通过外罐底板传导至基础,在结构设计时需将冷量与基础隔离,避免基础处于低温工况;或设计时即考虑基础的低温工况,以防止基础垮塌,进而造成支撑在上面的罐体整体结构破坏.

为防止泄漏低温液态介质气化后外罐压力升高,进而超过设计压力,应增加安全泄放装置,将泄漏后气化气体迅速排放.否则应按内罐泄漏工况来确定外罐的设计压力.

预应力混凝土外罐在内罐泄漏工况的关键载荷是液体静压力,温差应力和气压对壁厚的影响可忽略不计;材料方面则采用低温钢筋以抵抗低温.对于钢制外罐,压力和温度是设计关键载荷,需根据泄漏后各部件可能达到的最低温度选择合适的材料,并根据泄漏后可能达到的最高压力计算各部分壁厚.

内罐泄漏后,钢制外罐所承受温度场和压力场是个有相变的动态过程,很难用软件精确模拟.下面通过简化模型对10万m3LNG和乙烯低温罐进行稳态温度场分析.假设内罐在设计最高液位时发生全泄漏,无相变,环境气温分别取－30℃(建罐地可能达到的极端最低气温)和20℃,对上述计算模型进行稳态温度场计算.计算结果显示,建罐地环境及储存介质温度对钢罐温度场影响很大,但和容积关系不大.

实际若发生泄漏,低温液态介质通过罐壁钢板与外界发生热量交换的同时会发生相变.泄漏初期,泄漏液体迅速气化,随着泄漏时间的延长,气化会继续并会在内、外罐壁之间建立液位.除通过罐壁直接将液态低温冷量传导至罐顶部外,后续的气化气体上升过程中也会夹带大量液态低温介质向上流动,产生“爬坡现象”,因此,顶部所承受的实际温度应比假定稳态下分析得到的温度更低.

热角保护主要是为解决混凝土罐壁与罐底刚性连接的问题,以防止在内罐泄漏工况下因温度差产生的温差应力使罐壁与罐底连接处发生破坏.通常通过温度场分析决定是否需设置热角保护结构以及确定其高度.对于钢制外罐壁与罐底钢板焊接的结构,因其与内罐一样可承受低温,因此不需设置热角保护.

3 几种钢制“全容罐”结构及包容性能分析

钢制全容罐在内罐出现泄漏工况时,外罐应考虑罐壁所承受的压力与温度、外罐网壳顶部结冰的可能性及预防消除措施.市场上已建成的钢制“全容罐”为解决内罐出现泄漏工况的问题,主要采用了以下几种结构方案:

1)耐低温的外罐壁板＋常温罐顶板＋底部热角保护

外罐壁、罐底板采用耐低温的钢板,罐顶采用常温钢板;借鉴预应力混凝土全容罐的热角保护和二次底板结构,在距底部5 m高处的外罐壁和内罐壁之间以及内罐底和外罐底之间增加耐低温钢板层,并在该低温钢板层与外罐壁、底之间铺设保温.

此结构仅可保障标准中规定的少量泄漏工况下储罐具备全容罐的性能.但通过温度场应力分析可知,当泄漏建立液位后,因5 m高的热角保护与外罐壁相焊,存在较大的温差应力,如果结构处理不当,则外罐或热角保护有撕裂可能.因此,对于标准中规定的必须考虑的全泄漏工况,应根据所建地区环境温度进行温度场分析.若分析结果为低温而选择常温材料做顶板及网壳,在全泄漏工况下会产生低温脆性破坏,造成网壳型材断裂,而顶部低温遇到空气中的湿气又会不断结冰,增加罐顶载荷,从而进一步压垮罐顶网壳.

通过以上分析可知,此结构的钢制“全容罐”在内罐泄漏后不能保证液体、气体的气密性和结构的完整性,不能完全满足全容罐定义的功能要求.

2)耐低温的外罐壁板＋常温罐顶板＋全高度热角保护

为解决第1)种结构在内罐泄漏量液位高于5 m的全泄漏工况下不安全的问题,采用全高度热角保护结构来解决内罐泄漏,并减缓液体气化.

该结构中的罐底结构同第1)种,但将5 m的热角保护层增高至全泄漏后的液位高度.这在理念上能很好地解决第1)种结构存在的问题,但如何设置全高度的隔离层在工程上还存在很大挑战.

工程中常采用以下不同的隔离结构:

a)在钢制外罐壁内侧贴玻璃砖,并在玻璃砖内侧设置和二次底板相焊接的罐壁低温钢衬板;

b)在外壁内侧现场喷涂PUF;

c)在外罐壁内侧贴PUF预制块和隔离层.

对于隔离结构a),因低温钢衬板厚度薄,仅顶部与底部分别与罐壁和二次底板连接,中间的全高度范围与外罐壁无任何连接固定,会造成许多空鼓;此外,钢制外罐壁内侧贴玻璃砖,会导致钢制外罐几何变形相对较大;同时,玻璃砖又较重,且不易贴牢,因此,该结构施工存在较大难度且施工质量较差.

隔离结构b)所述的外罐壁内侧现场发泡喷涂PUF技术在国外已经非常成熟并已广泛应用.而该技术在国内刚起步,现场发泡PUF的致密性、耐老化性、与罐壁连接可靠性等方面缺少指标与试验数据,因此,目前仅停留在研制阶段,尚未实现工业化应用.

隔离结构c)所述的外罐壁内侧贴PUF预制块＋隔离层结构借鉴了LNG运输船结构,该结构中理论上适合各种温位介质的钢制全容罐.但PUF块热胀冷缩严重,而隔离层之间因内、外罐环隙施工空间窄和钢罐本身结构的限制,难以实现LNG船上的密封结构并保证施工质量,大量拼接缝因一些技术难题还未解决,无法进行检测,因此,目前的技术水平还达不到结构可靠性要求.

3)三钢壁金属全容罐

为有效解决上述两种结构的低温罐存在的问题,特别是深冷介质储罐在内罐泄漏工况下外罐顶承受低温和蒸发气可控排放问题,将第2)种结构中低温罐紧贴在依附于外罐壁内侧的玻璃砖内侧的金属衬层用独立自支撑的中间壁代替,并留出足够的空间距离,使中间壁具备可施工性.这种结构的储罐完全满足全容罐的性能要求,即使在内罐发生大量泄漏的情况下,中间独立壁和外罐形成的结构也完全满足单容罐的安全性.与第1)种结构相比,其独立中间壁采用低温材料,高度比外罐低、壁厚薄,不承受气压,而造价略高,但该结构使第1)种结构的低温罐存在的安全问题全部得到解决.

4 设计过程中的风险识别

低温罐储存的液态低温介质气化后,其体积最大可为原体积的928倍,大量泄漏气体形成漂移蒸汽云团,一旦引燃爆炸会造成严重破坏.1944年美国双钢LNG罐发生泄漏爆炸,火焰最高达到800 m,半径200 m内全部烧毁,过火半径400 m,爆炸波及14个街区,导致128人丧生.

对化工装置中某钢制全容罐,采用PHAST软件模拟蒸气云爆炸(VCE)事故后果,并用FLACS软件进行校核计算,结果如下:低温罐承受的最大蒸气云爆炸(VCE)超压达到49 900 Pa,持续时间42 ms,周围工艺处理区发生喷射火,热辐射超过12．5 k W/m2,已远超过钢板所能承受的压力和温度.

通过对缩小比例的钢外罐做模拟外部爆炸试验,发现爆炸冲击波导致钢外罐锚带断裂、外罐底边缘板翘离底部、罐壁板破坏、罐体发生塑性变形破坏.

周边爆炸产生碎片等飞行物撞击800 mm壁厚的预应力混凝土罐时,不会对罐体产生严重破坏.而对于壁厚只有十几mm的钢制全容罐,则会造成外罐变形破裂,内、外罐之间的可燃气泄漏,甚至外罐锚带断裂、与基础脱离,使得外罐完全失效(液体、气体都不能包容).2014年4月,美国普利茅斯LNG调峰厂就发生一起因周边管线爆炸产生的一125 kg爆炸飞溅物击穿距爆炸管线274 m的1台LNG罐钢外罐而导致的罐内LNG气体泄漏、紧急疏散周边居住人员的重大事故.

为避免泄漏,应对可能造成泄漏的风险进行识别.

除地震、风、雪、雷电等风险外,低温罐还应考虑表1所列风险.评估风险仅与其带来的危害程度相关,与罐的容积无关,可通过风险识别和风险评估对低温罐进行选型.

表1 低温罐考虑风险的对比

5 低温罐选型建议

低温罐选型不能简单以容积划分,而应按本文第1节所列标准进行风险评估,并在此基础上进行选型.

工厂或装置的总平面布置应根据风险识别结果进行合理布置.选择钢制全容罐时,应远离危险源,避免出现爆炸载荷.

钢制全容罐与预应力混凝土罐在安全性方面存在重大差异,国内标准采用相同安全间距的做法欠妥.

钢制全容罐还应根据储存介质温位和介质特性合理确定罐的结构细节,使之符合标准规定的性能要求.

总之,低温罐选型除要考虑经济性、建设周期之外,更重要的是应保证低温罐的安全性,确定危害风险在可接受范围之内.