大型LNG低温储罐膨胀珍珠岩填充技术

上海液化天然气有限责任公司 金 罕 刘晓建

珍珠岩是火山喷发出的酸性熔岩遇到湖泊、海洋等后被急剧冷却，从而形成的一种玻璃质的火山岩。地质上对珍珠岩的划分有三种，储罐用的保冷珍珠岩只是其中的一种。珍珠岩在加热到一定温度时，膨胀变为一种很轻的内部蜂窝状白色颗粒，具有无毒、无味、不燃、不腐烂等特点。珍珠岩 pH值为中性(6.5～7.5)，不溶于强酸碱，微溶于氢氟酸。由于它特殊的微孔结构，使其具有很强的吸附作用和隔热作用，故常用作为保温隔热、过滤、吸附过滤材料。膨胀珍珠岩材料是 LNG全容储罐保冷结构的重要组成部分之一，由于其材料和施工工艺的特性，膨胀珍珠岩填充施工成了储罐建设中现场管理的重要一环，也是储罐安装施工进度控制的重要节点。本文将结合上海 LNG储罐扩建工程中的珍珠岩填充施工，对珍珠岩原料的特性、膨胀机理、性质参数、填充及振实工艺要求进行分析和探讨。

1 储罐结构及保冷原理

目前的LNG全容储罐一般由内罐、外罐组成，通常情况下操作压力为5～25 kPa。内罐操作温度为－162 ℃，内罐材质为9%Ni低温钢；外罐由钢筋混凝土承台、预应力混凝土墙体、钢筋混凝土罐顶组成，钢筋混凝土承台与预应力混凝土墙体、预应力混凝土墙体与钢筋混凝土罐顶连接处均采用混凝土刚性连接。内、外罐之间夹层(环形空间)由弹性毡和膨胀珍珠岩组成保冷层，弹性毡紧贴内罐壁板，具有一定的弹性，用来缓冲内罐膨胀、收缩对膨胀珍珠岩的沉降影响，膨胀珍珠岩粉末填充至钢筋混凝土穹顶下方，以保证膨胀珍珠岩沉降造成环形空间保冷缺失后得以补充。LNG全容储罐罐壁保温结构见图1。按照设计要求，每座储罐BOG日蒸发率不大于0.05%。

图1 LNG 全容储罐罐壁保温结构

众所周知，温度是通过传导、对流和辐射三种方式进行传递的。当膨胀珍珠岩被填充入储罐的隔热层时，内罐与外保护层中间充满了微孔结构的材料。由于空气的黏性作用，对流热传递可以忽略不计；又由于膨胀珍珠岩属分散介质，通过散射与吸收作用使辐射对热传递的贡献很小，因而，此时的热量传递主要是以热传导方式进行的。在 273 K(0℃)时，珍珠岩的导热系数在 0.028～0.048 W/(m·K)之间。因此，膨胀珍珠岩作为一种非常优秀的保冷绝热材料而被LNG储罐建设广泛使用。

2 珍珠岩矿石膨胀机理及性质参数

珍珠岩之所以区别于其他岩石能够在一定的温度条件下膨胀，其不外乎以下两点根本原因：其一是珍珠岩的主要化学成分中存在软化点较低的玻璃质物质，如SiO2、Al2O3、Na2O等，这种物质表现出来的结果是当珍珠岩被加热至一定温度时，其玻璃质开始软化，珍珠岩颗粒从固态逐渐转化为黏流态；其二是珍珠岩内部含有的可挥发性物质和结合水在受到高温焙烧后，逐渐气化后溢出。所以，玻璃质是引起珍珠岩膨胀的先决条件，结合水是引起珍珠岩膨胀的内在动力，焙烧温度和时间是引起珍珠岩膨胀的必要外部条件。

结合珍珠岩膨胀的机理，不难看出在大型LNG储罐安装工程绝热应用中，粒度级配、化学成分、结合水及膨胀性必须满足设计的要求。上海 LNG储罐扩建工程抽检比例和性能要求见表1。

表1 上海LNG储罐扩建工程原材料抽检比例和性能要求

3 膨胀后珍珠岩性质参数及控制

膨胀后珍珠岩的松散密度、振实密度、含水率、粒度级配、导热系数是直接影响其隔热性能的重要因素。

3.1 松散密度

膨胀珍珠岩的导热系数一般随着孔隙率增大而减小，膨胀珍珠岩的松散密度则反映了珍珠岩孔隙率大小。没有膨胀好的珍珠岩松散密度大，孔隙率过低，因而导热系数大，影响保温效果。而膨胀珍珠岩松散密度过低，起初孔隙率过高将导致膨胀珍珠岩强度减弱，容易破碎，破碎后的微粉进入微孔，反而致使孔隙率降低，密度反而加大，珍珠岩的导热系数也随之增大。经大量实践证明，保冷绝热用膨胀珍珠岩的松散密度控制在38～55 kg/m3之间最为适宜。

3.2 振实密度

膨胀珍珠岩填充后，初期由于珍珠岩颗粒的相对位置尚处于不稳定状态，所以在振动后粒子会逐渐相互移动而趋于稳定。这个稳定状态的密度最终决定了膨胀珍珠岩的保冷隔热的性能，工程上一般称该密度为振实密度。实验表明，保冷用膨胀珍珠岩的振实密度为48～65 kg/m3时其导热系数最低，保冷绝热效果最佳。

3.3 含水率

膨胀珍珠岩是吸湿性极强的物质，干燥的非憎水膨胀珍珠岩的吸水率可达 250～750%。干燥的珍珠岩一旦与空气接触，能够迅速吸收空气中的水分子。水的导热系数是空气的 25倍，而且水在低温状态下会结冰，而冰的导热系数为空气的100倍，这样吸湿后的膨胀珍珠岩的绝热性能就会受到极大的破坏。因此，膨胀珍珠岩在生产、存储、运输和施工过程中需要严格防水、防潮。一般情况下，保冷绝热用膨胀珍珠岩的含水率应严格控制在0.5%(质量比)以下，以最大限度防止水分对膨胀珍珠岩绝热性能的破坏。

3.4 粒度级配

合理的材料级配可以通过颗粒之间的理想堆积占据最多的空间，以大颗粒形成构架，稍小的颗粒去填充大颗粒之间的空隙，而再小的颗粒进一步填充稍小颗粒之间的缝隙以达到相互配合，从而使保冷隔热区的自由空气减少，最大限度地降低由于对流和辐射造成的冷损失。大量的试验数据表明，1.18 mm以上颗粒控制在10%以下时，绝热性最佳。

3.5 导热系数

导热系数取决于前几项的综合反映，也是保冷隔热的最终要求。不同使用温度环境对保冷绝热材料导热系数的要求也不一样。通常深冷行业普遍要求在273 K时的导热系数为0.028～0.048 W/(m·K)，LNG储罐要求不高于0.044 W/(m·K)。

4 膨胀珍珠岩填充施工控制

4.1 施工前储罐准备工作及注意事项

膨胀珍珠岩填充前，相关设计及施工文件应审批完毕。内罐管道和吊顶通道间的保冷工作应完成；吊顶通风孔使用玻璃布包裹，以防止珍珠岩粉末飘入内罐；拱顶纵梁之间挡板与拱顶板之间的空隙密封严紧，以防止填充珍珠岩时粉末反吹到吊顶上。如发现有密封不严的情况，施工方需安排人员及时修复。

储罐底部必须清理完成并保持干燥，确保环形空间内湿度符合设计及施工要求，相对湿度不超过90%。

4.2 膨胀装置及工艺流程

珍珠岩现场膨胀填充装置主要包括珍珠岩矿砂原料仓(投入装置)、膨胀炉(膨胀设备)、膨胀珍珠岩冷却降温管路、除尘及产品输送系统。该装置简图如图2所示。

图2 珍珠岩现场膨胀填充装置

膨胀设备所用的膨胀炉一般分为卧式膨胀炉和立式膨胀炉。目前大型储罐膨胀珍珠岩施工多用立式炉。需要注意的是，膨胀炉到除尘系统的距离是固定的，但珍珠岩输送软管的敷设，必须遵循输送距离尽量小、管道曲线尽量平滑的原则，以减少可能出现的珍珠岩破碎，保证珍珠岩填充质量。管道由膨胀炉出料口沿储罐外壁疏散梯钢结构固定、敷设至储罐顶部充装孔。

4.3 振实控制

为减少储罐使用过程中膨胀珍珠岩的自然沉降，需要在填充过程中使用内部(罐体绝热夹层内)振动器进行强制性振动使膨胀珍珠岩有一个合理的装填密度。振实装置一般由通过罐顶的轨道滑轮、电动吊链连接的一个或多个托盘与振动电机、振动棒组合而成，如图3所示。使用时将其浸入需振实的膨胀珍珠岩中。为防止在下沉和使用过程中对内罐外壁的弹性毡造成损坏，该装置必须设置限位器。

图3 振实设备结构示意

珍珠岩的填充和振实过程有两种方式：一是填充作业与振实作业交替进行，另一种是填充作业与振实作业同时进行。

珍珠岩的填充和振实交替作业的优点是振实前后的填充高度容易测量，比较好控制，振实作业的环境面相对较好，是目前施工常采用的方式。缺点是增加了停机的次数，不仅影响膨胀珍珠岩质量的稳定性，而且浪费时间。

填充作业与振实作业同时作业的优点是减少停机次数，膨胀珍珠岩的质量更趋于稳定，在总工期上节约了振实时间，但必须增加3～4个工人，且对振实工人的操作要求较高。随着LNG储罐越来越大型化，操作空间越来越充裕，填充和振实同时作业将是大型储罐填充作业的一种发展趋势。

在上海LNG储罐扩建工程中，使用了3台填充设备进行填充，4号罐采用填充作业与振实作业交替进行作业，通过实地检查和安全论证，5号罐则采用填充作业与振实作业同时进行，节约了宝贵的4 d工期。

但不论采用哪种施工方式，在过程中都要做好以下几点：

(1) 填充前在填充口明显处标注填充顺序号。

(2) 填充施工过程中，定时检测填充高度。

(3) 珍珠岩振实人员经过培训并由专人负责，同时做好检测数据记录。

(4) 第一次(层)填充和振实：由于夹层内5 m以下的高度(热保护角范围)不能够振动，故此次施工中每个口直接填充到大约8 m高时，进行第一次振实。以后每3～4 m振实一次，持续时间≥3 min。为避免将珍珠岩倒碎，振实时间不宜过长。

(5) 振实设备每次被放入和提起都要对珍珠岩的高度进行测量。在实际进行操作之前，应预先设置参照点以供参考。

5 施工过程质量控制

珍珠岩施工质量控制主要做好3个部分的控制：原材料质量控制、膨胀后珍珠岩质量控制及振实密度控制。

以上海LNG储罐扩建项目为例，膨胀后珍珠岩成品一般要求见表2。

表2 上海LNG储罐扩建工程膨胀珍珠岩抽检比例和性能要求

需注意的是，表2现场各实验及检测(除导热系数实验外)需业主方、总包方及监理方每日随机抽检在场监督实验及检测过程，送第三方实验室检测导热系数的膨胀珍珠岩取样过程及样品密封过程需总包及监理共同在场监督确认。另外，现场实验室测出的振实密度仅为参考值，最终填充的振实密度为填充珍珠岩质量与填充空间的比所得。一般来说，填充质量由现场记录，填充空间体积由设计单位提供。但由于储罐本体保冷结构的内层弹性毡压缩量会随着压力的变化而变化，所以如何更加准确地计算填充空间也是一个值得研究的课题。

6 结语

珍珠岩填充施工是LNG储罐建设的关键一环，可以保证投产后BOG蒸发率在设计规定范围内，是储罐经济、安全运行的重要保障。采用合适的膨胀设备、振实方式，配合现场定期进行珍珠岩导热率、含水率、密度等相关质量参数的检测，可有效确保投产后LNG储罐整体BOG蒸发率测试合格，避免储罐珍珠岩保冷作用减小或失效。目前珍珠岩填充施工已形成一套较为成熟的工艺，但在膨胀炉炉型选择、振实密度计算及后续沉降观测上仍需要开展进一步的研究工作。