大型LNG混凝土全容罐罐底绝热用承压泡沫玻璃砖

苏展 扬帆 郭琦 许佳伟

（中海石油气电集团有限责任公司，北京 10028）

关键字：LNG；全容罐；绝热材料；承压；泡沫玻璃砖

1 前言

液化天然气（LNG）是一种-160℃的低温常压液体，LNG储罐是LNG接收站中的存储单元，承担LNG货物储转的关键功能，LNG储罐包括单容罐、双容罐、全容罐、薄膜罐等类型，其中LNG混凝土全容罐因其安全性和经济性成为世界上绝大多数LNG接收站配套存储单元的主流类型[1]。大型LNG全容储罐的净容积在16×104m3以上，超大型LNG储罐可达到30×104m3[2]。由于LNG储罐没有主动制冷功能，主要靠绝热系统维持深冷状态，其中作为罐底主要绝热材料的泡沫玻璃砖，需要承载整个LNG全容罐的九镍钢内罐及装填LNG荷载，关乎LNG储罐的绝热性能和结构性能，是影响LNG储罐工程质量的关键材料之一。

2 LNG全容罐罐底绝热系统设计

LNG混凝土全容罐由直接接触盛装低温LNG的九镍钢内罐主容器和具有气-液密性的混凝土外罐次容器组成。主容器和次容器之间为储罐绝热系统，对内外罐起绝热保护作用。LNG全容罐绝热系统的主要绝热材料包括罐底泡沫玻璃砖、内罐壁侧弹性玻璃棉毡、内外罐壁环形空间膨胀珍珠岩粉末、吊顶玻璃棉等，见图1。

图1 LNG混凝土全容罐绝热系统示意图

罐底绝热系统位于九镍钢内罐底板以下、碳钢外罐底板以上部位，见图2，自下而上分别由混凝土找平层、泡沫玻璃砖、沥青毡夹层、混凝土承压环梁、填缝玻璃棉、干砂找平层和九镍钢二次底板等组成，其中起主要绝热作用的材料是泡沫玻璃砖。

图2 LNG混凝土全容罐罐底绝热系统示意图[3]

罐底绝热用泡沫玻璃砖除了满足-168℃的耐低温设计温度，还需要承载上部主容器的荷载，因此要求具有一定的承压能力。泡沫玻璃砖是脆性材料，应根据许用应力理论进行罐底绝热系统力学承压能力校核，并考虑正常操作、水压试验、操作基准地震（OBE）、安全停运地震（SSE）等四种工况下对许用抗压强度的要求。LNG储罐罐底泡沫玻璃砖一般分为边缘区域和中心区域两部分，边缘区域的泡沫玻璃砖需额外承受内罐壁板和承压环梁的荷载，因此需要选用更高抗压强度的规格。

泡沫玻璃砖的绝热性能与其独特的内部封闭微小气孔结构有关，每个气孔的直径约1mm~2mm，绝热用泡沫玻璃砖的体积闭孔率一般超过80%。高强度泡沫玻璃砖为了提高承载能力，需要加强材料内部的支撑结构，闭孔率相对减小，质地相对偏硬，密度相对偏大，绝热性能相对减弱。因此，LNG储罐罐底绝热系统设计时，需要综合密度、抗压强度和导热系数的相互关系进行泡沫玻璃砖选型，常见的LNG全容罐罐底泡沫玻璃砖规格见表1。

表1 LNG混凝土全容罐罐底承压泡沫玻璃砖常见规格和参数指标

3 承压泡沫玻璃砖生产工艺

泡沫玻璃砖由玻璃颗粒添加发泡剂和添加剂后高温熔化、发泡、退火而成。生产原料可以是成本较低的废弃碎玻璃，也可以是利用石英砂、长石、白云石、纯碱等按一定配比高温熔制、均匀无气泡的纯玻璃[4]。LNG储罐承压用泡沫玻璃砖的生产一般执行ASTM C552标准，采用自制高温玻璃液水淬形成的直径约5mm的玻璃颗粒为原料，烘干到含水率低于0.01%后，加入以炭黑为原料的发泡剂利用球磨机进行混合，再装入模盒中填料并振实，送入高温发泡窑完成预热、烧结、发泡、冷却，脱模后进入退火窑退火降温和消除应力，退火后的泡沫玻璃毛坯按照制作要求切割成不同尺寸的泡沫玻璃砖，见图3。目前的泡沫玻璃生产线包括烘干机、球磨机、配料输送系统、模盒循环系统、发泡窑、退火窑、自动切割机、除尘系统等，已经发展到第5代泡沫玻璃砖生产线[5]，可以实现自动化生产、流水线切割和塑封包装。

图3 泡沫玻璃砖生产工艺流程示意图

4 承压泡沫玻璃砖出厂检验要求

LNG储罐项目对泡沫玻璃砖供货需求量大，需要采用有效的抽样检验方案，确保出厂检验的质量控制水平。

LNG储罐用承压泡沫玻璃砖的一般性能指标包括抗折强度、体积吸水率、透湿系数、燃烧性能等，以上参数比较稳定，一般不作为每批次出厂产品的出厂检验项目，但厂家进行正常生产时，应每年至少一次进行型式检验，并向买方提供检验报告[6]。

泡沫玻璃砖的关键性能指标包括导热系数和抗压强度，应针对每个验收批次制定专门的出厂检验试验计划。考虑泡沫玻璃砖的发泡制作工艺下同一规格的泡沫玻璃砖的导热系数和抗压强度值在一定的控制范围内服从正态分布，根据ASTM C552对泡沫玻璃砖出厂检验的要求[7]，应分别对导热系数和抗压强度指标按照ISO3951的规定采用以接收质量限（AQL，Acceptance Quality Limit，指抽样检验时可接受的最低平均不合格品率）为索引的s法的验收抽样方案。S法是使用标准差的计量验收抽样方法，根据验收批次产品的数量，按照指定的检验水平等级和可接收的AQL值通过ISO3951[8]确定抽样样品量大小和接收常数k，并以样品的平均值、允许极限值和标准差三个值计算计量检验的评判指标-质量统计量Q,对比Q和k的大小以判断该检验批产品的质量是否合格[9]。对于导热系数，ASTM C552规定了取样数量符合ISO3951S-3检验等级的要求，接收质量限AQL取10%。对于抗压强度,ASTM C552并没有规定具体的抽样检验等级和AQL，但考虑到泡沫玻璃砖的承压属性，一般抽样检验等级取S-4级，增大样本量，AQL取1%，可接受的不合格率更为苛刻。根据上述方法，通过检索ISO3951查询的导热系数和抗压强度出厂检验要求见表2。

表2 泡沫玻璃砖出厂检验导热系数和抗压强度样本大小及合格判定要求

导热系数和抗压强度质量统计量Q的计算公式如下：

式中Qt-验收批次抽样的导热系数质量统计量；

Qc-验收批次抽样的抗压强度质量统计量；

-验收批次抽样的导热系数平均值；

-验收批次抽样的抗压强度平均值；

U-导热系数单次允许最大值（表1）；

L-抗压强度单次允许最小值（表1）；

S-验收批次抽样的标准差。

质量统计量Q反映的是抽样统计平均值与单次允许最大值或最小值的绝对值偏差与抽样统计标准差的商，是一个经无量纲化处理后能表征生产质量偏差的数值，Q大于0表示统计平均值满足最低极限值要求，Q大于表2中所对应的接收常数k值，表明抽样统计结果的允许偏差满足接收要求。因此，罐底承压泡沫玻璃砖出厂验收导热系数和抗压强度检测合格判定应同时满足三个条件：①平均值满足设计要求；②单次极限值满足设计要求；③计量抽样的质量统计量Q大于对应的接收常数k值。

以东部沿海某LNG接收站3个LNG储罐工程为例，根据施工工序，LNG储罐罐底绝热系统施工首先进行边缘区域Grade16规格承压泡沫玻璃砖的安装，采购量共520m3，合计17800块砖。买方代表赴生产厂家见证出厂检验，除常规的外观、尺寸和密度检测外，重点进行导热系数和抗压强度计量抽样检验。按照此次采购订单发货的出厂泡沫玻璃砖数量，结合表2索引要求，导热系数检测取样13块，抗压强度检测取样25块，检测结果如表3所示。对照表1和表2指标进行判别，导热系数和抗压强度的抽样检测平均值和单次最值满足表1要求，质量统计量Q>接收常数k，检测结果合格，通过出厂验收。

5 结语

LNG混凝土全容罐由主容器和次容器组成，中间为储罐绝热系统，对内外罐起绝热保护作用。罐底绝热系统的主要绝热材料是泡沫玻璃砖，除了满足耐低温设计温度，还需要承载上部主容器的荷载，因此要求具有承压能力，特别是边缘区域的泡沫玻璃砖需要选用更高抗压强度的规格。泡沫玻璃材料由玻璃颗粒添加发泡剂和添加剂后高温熔化、发泡、退火而成，具有封闭气孔结构，其关键性能指标包括导热系数和抗压强度，应按照ISO3951的规定进行出厂计量抽样检验，确保出厂检验的质量控制水平，导热系数和抗压强度合格判定应同时满足三个条件：平均值满足设计要求、单次极限值满足设计要求、计量抽样的质量统计量Q大于对应的接收常数k值。

表3 Grade16承压泡沫玻璃砖出厂抽样检验结果