韩国LNG薄膜储罐技术的发展

常旭宁，郭保玲，赖建波，王佩广，程韦豪

北京市燃气集团研究院，北京 100011

韩国于1987年起引进LNG，首个接收站为平泽（Pyeongteak）接收站，一期即引进了4台采用法国GTT技术设计的地上10 000 m3薄膜罐[1]。在引进薄膜罐技术的过程中，KOGAS（韩国燃气）即开始了技术吸收与转化，开发出属于自己的专利薄膜罐技术，并于1997年获得法国国际专利[2]。

本文通过对公开技术资料的搜集整理，对韩国关于LNG薄膜储罐相关技术的引进、吸收、本土转化与开发过程进行了梳理，以期为我国LNG薄膜储罐技术的引进及转化提供借鉴。

1 薄膜储罐技术的研发

1.1 储罐薄膜材料的拉伸断裂韧性试验

对于薄膜储罐材料，韩国浦项钢铁有限公司开发了冷加工STS 304不锈钢，以作为制作液化天然气储罐薄膜的材料[3]。KOGAS在温度范围为-162～20℃的条件下，对2 mm厚的STS 304不锈钢进行了拉伸断裂韧性试验。试验评估了低温对材料强度、延展性和断裂韧性的影响。通过断口形貌观察，研究了断裂韧性与临界拉伸带宽度之间的关系。

试验在一台装有低温恒温器的由计算机控制的100 kN伺服液压试验系统上进行。试件置于低温箱内，箱内喷入液氮，温差控制在±2℃。当温度稳定在-162、-120、-80、20℃时，且当拉伸仪输出恒定后，开始进行试验。试件长50 mm、宽12.5 mm，靠近裂纹扩展路径有一个紧致拉伸（CT）试样，其厚度为2 mm、宽度为40 mm。

通过对试验结果进行分析发现，在-162～20℃范围内，随着温度的降低，抗拉强度显著提高，0.2%的屈服强度对温度相对不敏感。在20℃时，总伸长率突然下降为0%；在-80℃时，总伸长率略有下降，直至-162℃。随着温度降低到-80～5℃，引发断裂韧性Jc明显降低，-162～-80℃之间则无明显变化。此外，撕裂模量Tmat随温度的降低呈线性下降。断口形貌分析表明，室温下临界拉伸区宽度SZWc约为-162℃时的3倍。这表明，材料完全满足LNG工作温度下的强度要求。

1.2 储罐薄膜的抗冲击试验

验证了储罐薄膜材料的强度后，需要对储罐薄膜的抗冲击性能进行研究，以确认是否适应在LNG充装时液体产生的晃荡载荷和温度变化载荷冲击。由于不锈钢薄板的刚性较好，在受到冲击的瞬间，产生的形变和应力无法保持，因此通过比选，采用了非破坏的声发射测试法（AE信号测试法）进行测试[4]。

1.2.1 试验方法

图1 AE试验台及信号模拟流程

图2 薄膜试件的形状

1.2.2 试验结果及分析

试验结果如表1所示。通过分析发现，随着对储罐薄膜进行冲击的落体重量的增加，AE系统测试得到的冲击能量也线性增加，而环状结节薄膜所受到的冲击能量只相当于普通平板钢的一半左右，因此薄膜上的“环状结节”可吸收储罐内液体晃荡或初期LNG充装产生的形变，因而被认为是大幅提高储罐薄膜安全性的设计。

表1 AE试验结果和参数对比

1.3 储罐薄膜的开发[2]

KOGAS在先后引进了法国GTT以及日本三菱重工（MHI）、石川岛播磨重工（IHI）、川崎重工（KHI）的薄膜储罐技术后，也开发出了自己的“环状结节”波纹薄膜材料。经过一系列试验验证，最终改进、开发出属于KOGAS自己的储罐薄膜技术，并于1997年取得了法国国际专利。图3为KOGAS薄膜基本形状示意。

图3 KOGAS薄膜基本形状示意

薄膜的基本结构是3条直线褶皱成1对，每对具有正交的形态。正交垂直褶皱位于水平褶皱中央的上下，这就使水平褶皱能够灵活变形。因此，整体形变将采用储罐薄膜对角线中心的转弯变形形式，这样相对变形较小。

KOGAS开发的储罐薄膜仅仅是基本概念，若打算将该专利技术应用于储罐建设，还要解决诸如最佳的波纹形式、波纹间距、锚固点、应力最小化的波纹分布等问题。KOGAS主要采用有限元因素分析方法进行研究，有限元素的大小基本是4 mm的四边形单元（Shell element）。

1.3.1 储罐薄膜的有限元分析

首先以应力-变形率为先导输入，分析出储罐薄膜的形变分布、应力分布。各方面均赋予对称性条件，并考虑了热变形特性，最终确定波纹形状、间距和锚固点位置等，由此确定了储罐薄膜的基本形状。

1.3.2 基本形状试验[5]

LNG储罐具有比较特殊的结构形式，尚没有相应的明确的灾害处理标准及安全性评估法。因此，KOGAS按照日本天然气协会制定的《LNG地下储存罐指南（RPIS）》对储罐薄膜的安全性进行了试验分析。按照储罐薄膜的设计形状，KOGAS开发出专用模具，制作出储罐薄膜试件，并进行了安全性测试。

（1）静载荷安全性测试。为了掌握静态载荷的安全性，设定在实际发生温度变化为最大（Δt=190℃），其相应机械变形为4.8 mm时，测试薄膜波纹部分的形变特点。即使用预测的变量，在薄膜各部位施加三轴压力，测出各部位形变。测试结果显示，在波纹上部发生了压缩形变，在波纹下部发生了拉伸形变，分析由这些形变量增加所导致的形变率变化，结果显示，薄膜的所有波纹部位均有稳定的形变特性。

（2）模拟工作负荷测试。为了确认储罐在承受实际LNG储罐工况最严苛的负荷条件之一时，即由温度引起的变形和由压力引起的变形同时达到最大时的安全性，在进行压力负荷试验前，先对薄膜进行了4.8 mm的拉伸变形，而后在薄膜热负荷达到最大时施加最大压力，以模拟最严苛的工作负荷。压力负荷的安全性确认试验是以对应140 000 m3容积的储罐预计压力值进行试验的，试验结果见图4。从结果中可以看出，随着压力的增加，波纹各部位形变也呈现出稳定增加的趋势，由此可见，由压力产生的形变非常稳定。

图4 压力荷载作用下的薄膜波纹应变测量值

（3）薄膜渐进形变试验。薄膜储罐运行时，LNG的排放和充装将导致温度、压力发生变化，这将对储罐薄膜产生循环冲击。因此在该工况下，要求储罐薄膜的波纹部分随着液位的增加，其产生的变形量不能连续上升。保证满足这一要求的方法是，其压力变化应低于设计理论分析建议的不超过3倍许用强度（137 MPa×3=411 MPa）变化的要求，如果不满足，则要进行10次温度/压力变化下的连续负荷循环试验，以确认不发生连续变形。经过测试，得到了如图5所示的结果。图5表明，罐壁及罐底部薄膜的变形都很稳定，均未发生渐进性变形。

图5 薄膜渐进形变试验

1.4 储罐薄膜的疲劳寿命分析

储罐薄膜应满足的疲劳寿命是根据LNG储罐的操作情况确定的。储罐内部液位、温度的变化将导致薄膜产生相应的应力、应变变化，这对薄膜的疲劳寿命将产生影响。在薄膜储罐运行期间，典型负荷包括：液位变化，其在薄膜上产生的最大应变设定为ε1；温差变化Δt=90℃（预冷），其在薄膜上产生的最大应变设定为ε2；温差变化Δt=190℃（充装），其在薄膜上产生的最大应变设定为ε3。将模拟计算得到的应力数据代入公式进行计算，得到等效应变值：

疲劳寿命评价是根据设计疲劳曲线，由变形率组合而成的常年应力进行评价的。在求得MINER疲劳损伤累积系数M后，再据之进行安全性评价。当M=1时失效，当M＜1时不失效。根据表2所示的分析结果，储罐薄膜的疲劳寿命完全满足储罐的正常操作循环要求。

表2 罐壁薄膜的MINER疲劳损伤累积系数

2 薄膜储罐的设计改进[6]

开发出薄膜技术后，KOGAS在全容罐设计理念基础上，又进行了薄膜罐整体技术设计。韩国早期引进的薄膜罐中，因薄膜内罐几乎没有强度，因此罐内循环泵的脱落会损伤罐底薄膜，从而产生泄漏的风险。为应对泵的跌落，KOGAS对薄膜罐进行了4次理论上的设计改进。

薄膜罐的设计改进型1：内罐底板上安装了钢板吸收结构（absorber structure），用于应对罐内泵的跌落碰撞，防止损伤薄膜。

薄膜罐的设计改进型2：在接收冲击的构造中，在储罐底部的绝热材料内设置0.5 mm厚铝制二次阻隔膜（second barrier），用于在内膜受损泄漏的情况下，次屏膜能阻止泄漏的扩散。

薄膜罐的设计改进型3：为了进一步避免储罐受罐内泵跌落的影响，在吸收构造中安装了泵捕获器（pump catcher），用于固定跌落的泵体，避免泵体被液流带到其他地方而损伤罐底设备和内膜。

薄膜罐的设计改进型4：在吸收结构和泵捕获器处，在储罐底部的绝热材料内增设0.5 mm厚的铝制第二次阻隔膜，以提高安全系数。

KOGAS产品研究室利用故障树分析法完成了标准全容罐与薄膜罐的定量危险性比较评价。总共对6种设计模型（1种全容罐和5种薄膜罐）进行了评价，薄膜罐为KOGAS的早期设计模型和4种设计改进模型。评价结果表明，除了还没有被改进的薄膜储罐（初期模型）之外，对于4种改进型薄膜罐模型和全容罐模型，其预测的危险程度水平非常相似，每个储罐都显示为同一危险级别。

3 试验储罐的建设

在完成了对薄膜罐的设计和安全性评估后，KOGAS研发部门开始进行薄膜罐的设计建设工作，于2000年9月开始在仁川LNG接收站建造容积为1 000 m3的地上薄膜式试验储罐（见图6），并于2001年12月完成试运行[7]。

图6 KOGAS建设的试验薄膜罐

建设试验储罐的目的是验证由KOGAS开发的相关设施，如密封薄膜、绝热材料等在低温下的性能，以及一些测量设备如冷却温度传感器、薄膜应变测试仪的性能，并对LNG储罐进行多方面测试。

3.1 试验储罐的主要特点

KOGAS试验薄膜储罐的主要参数如表3所示。

表3 KOGAS试验薄膜储罐的主要参数

3.2 内罐描述

储存LNG的内罐采用了KOGAS研发部门开发的2 mm厚304不锈钢薄膜和204 mm厚聚氨酯泡沫绝缘板。为了测量储罐运行过程中薄膜的变化，在侧壁膜上安装了150个带热电偶的应变片，在底部膜上安装了90个。收集240个应变仪的数据用于与理论分析数据进行比对。这些数据对于理解膜的性能、优化膜的形状和按比例放大膜的尺寸有很大的帮助。

4 薄膜储罐技术的应用[8]

经过仁川接收站试验储罐的验证和技术改进后，KOGAS于2008—2009年，采用KOGAS薄膜技术，在仁川接收站建造了2座20×104m3的地下储罐（19#、20#），于2019年在济州岛接收站建造了2座4.5×104m3的地上薄膜罐。

4.1 仁川接收站

仁川接收站二期均为容积为20×104m3的地下式薄膜罐，其中11#、12#为MHI技术，13#、14#为IHI技术，15#～18#为KHI技术。19#、20#采用KOGAS技术的薄膜罐外观及示意如图7所示，参数为：内罐直径72.012 m，内罐高度52.250 m，外罐直径78.612 m，外罐高度62.806 m，液位高度49.3 m，挡水墙厚1.8 m，绝热层厚204 mm。

图7 仁川接收站薄膜罐外观及示意

4.2 济州岛接收站

济州岛接收站为KOGAS第二次应用自己研发的薄膜罐技术进行建造，共2座储罐，单罐容量为4.5×104m3。KOGAS对外宣称该次应用的薄膜罐技术为世界首台全容式薄膜储罐，与以往KOGAS改进型（在绝热层中加入铝箔次屏蔽膜）储罐不同，此次在内罐底与罐壁5.19 m高的热角保护区，采用了形状相同的两层不锈钢波纹薄膜，即次屏蔽膜采用了不锈钢，中间用胶合板作为夹层，如图8所示。济州岛接收站于2019年12月完成了竣工仪式，2020年1月进行氮气吹扫置换。由小型LNG船从统营（Tongyoung）接收站运输LNG到济州岛，用于发电和生活用气。

图8 KOGAS全容式薄膜罐技术示意

5 结束语

KOGAS引进LNG薄膜罐技术的过程比较科学和谨慎。首先，对材料进行了相对完整的检验测试；开发出基本薄膜形状后，又对薄膜进行了一系列严格的测试，再进行薄膜罐的设计与技术改进，并对技术设计进行了理论上的安全论证。理论验证后建造试验罐，对试验罐运行中发现的问题进行技术改进后才真正在接收站中进行应用。建议我国在引进并转化薄膜罐技术中更多地参照韩国的转化流程与思路，以确保技术的安全性与先进性。