LNG 运输船储罐发展综述

马星星 张 霖 李 敏

（1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.中国石油西南油气田分公司川西北气矿）

天然气作为清洁能源，需求量与消费量逐年增加。LNG运输船作为运输液化天然气（LNG）的主要手段，近年来其投入运营数量稳步增长。其中，运输船储罐对LNG运输船的运输量、空间利用率等关键性能具有重要影响，是LNG运输船的关键技术之一。

不同于常规储罐，LNG运输船储罐内储存的LNG在标准大气压下沸点为-162 ℃，具有低温、易挥发等特性，且需要在罐内外大温差（最高可达200 ℃）的条件下保持罐内低温，所以LNG运输船储罐必须具有良好的耐低温性能和保温性能。一旦储罐意外破损，罐内储存的低温液体将大量泄漏、挥发，极易引发爆炸，所以LNG运输船储罐的安全性等级要求较高。另外，在船行驶过程中LNG运输船储罐内液体不可避免地会发生晃荡，液体晃荡时会产生多种类型的水动压力，这些载荷主要作用在容器的壁面和其他内部结构物上［1］。所以，为确保储罐在液体晃荡产生压力时的安全性，LNG运输船储罐不仅需要具有良好的抗振性能，还需要考虑液体晃荡所产生的压力对储罐壁面的冲击。

考虑到上述问题，笔者介绍几种常用的LNG运输船储罐技术的发展现状，并对LNG运输船储罐选型和发展趋势作出分析，为LNG运输船储罐的设计和选型提供参考。

1 LNG运输船储罐概况

LNG运输船储罐独立于运输船船体，依靠LNG自身蒸发带走的热量来维持储罐内的低温，少量蒸发的天然气称为闪蒸气（BOG），一般被用作运输船行驶过程中锅炉的补充燃料。绝热层设在储罐内部的液货舱与船体结构之间，一方面可以防止船体结构过冷造成低温损坏，另一方面可以使LNG的蒸发量尽可能减少。储罐和船体外壳需保持一段距离，这样在LNG运输船处于碰撞、搁浅等危急情形时可以防止储罐遭到破坏［2］。常用的LNG运输船储罐有自撑式储罐和薄膜型储罐两种。由国际液化天然气进口国联盟组织（GIIGNL）发布的2021年液化天然气年度报告可知，2020年LNG运输船共交付35艘，其中采用薄膜式储罐的有34艘，占据了现今大部分市场［3］。

2 自撑式储罐

自撑式储罐依靠自身支撑，与船体互相独立，储罐置于船内，分为A、B、C3种不同类型。A型储罐按传统的结构设计；B型储罐需要进行精确的应力分析（FEM）、疲劳分析和裂纹扩展分析；C型储罐设计遵从常规的压力容器标准进行［4］。

2.1 SPB型储罐

SPB型储罐结构如图1所示，其外形似棱柱，储罐中间装有纵向隔舱壁，最内层是货舱，货舱外表面覆盖有热绝缘层，热绝缘层外是储罐外壳，基座和胶合板楔子组成储罐支撑结构。

图1 SPB型储罐结构

SPB型储罐的特点是储罐内部设有水密舱壁（规定压力下能保持不透水的舱壁）、扶强材（确保结构刚性的结构）和横向边板，其作用是分隔储罐内部空间，减小自由液面，提高液体晃荡频率，使之远离船体晃动频率，避免共振的发生。

SPB型储罐通常选择5083铝合金、304不锈钢或9%镍钢作为货舱材料，选择聚氨基甲酸酯泡沫作为热绝缘层材料［5］。

SPB型储罐设计复杂，需要进行模型试验，分析船舶整体运动，并对储罐和船体进行有限元分析（FEM）、疲劳分析和裂纹扩展分析。同时还需要设计完整的防漏层，防止货物泄漏。

SPB型储罐主要适用于大中型LNG运输船，并且由于SPB型储罐对液货装载高度没有限制，其他船型也可以使用，如LNG加注船、LNG浮式装置等［5］。但是目前SPB型储罐的国际认可度还有待提高，并且由于其材料价格昂贵、专利保护等原因，实际使用SPB型储罐的LNG运输船只占少数。

目前，SPB型储罐的LNG货物围护系统（货舱的隔离屏障和热绝缘层）专利属于日本IHI株式会社，该项专利打破了欧洲技术垄断。

2.2 Moss型储罐

Moss型储罐结构如图2所示，其外形似球形，内部为货舱，在货舱外表面覆盖热绝缘层，最外层是保护型金属外壳。储罐内部没有强力构件、扶强材等结构。储罐由垂直方向的柱形裙围支撑，裙围底部焊接固定在船体表面，裙围与球面需要利用具有特殊截面的连接件才能完成焊接。球体中心垂线上设有泵塔，固定在储罐底部，并通过滑销连接于储罐顶部。

图2 Moss型储罐结构

一般情况下罐体材料选择高强度铝合金，为了增强结构强度，同一储罐不同部位板材厚度不同，大致范围在30～170 mm。热绝缘层材料选择板块式聚苯乙烯或发泡喷涂式聚苯乙烯，从而得到理想的保温效果。柱形裙围上、中、下3部分采用不同的材料，上部采用高强度铝合金，与储罐材料保持一致；中部通常选择导热性差的不锈钢；下部通常选择低温钢，从而降低船体与液货的热交换量。

Moss型储罐需要设计防漏隔层，以防发生少量货物泄漏。传统Moss型储罐主要适用于大中型LNG运输船，具有结构坚固的优点，且液体晃荡不会对储罐造成破坏，所以无需限制装载液位。但缺点是：过大的体积影响驾驶室视野；暴露在甲板外的罐体加大了受风面积，使得整体风阻变大；运输船内部容积利用率不高；船舶重心较其他船要高，稳定性差。

目前，Moss型储罐货物围护系统的专利属于挪威Moss maritime公司。2011年三菱重工MHI开发了MHI SayaendoⅠ型Moss型储罐货物围护系统，降低了船体整体风阻，并且电缆等附件安装在船舱内部，使得设备的可维护性得到了极大的提升。2012 年，MHI 又在此基础上开发了MHI SayaendoⅡ型Moss型储罐货物围护系统，储罐外形似苹果，运输船重量减少约10%，内部容积增加约8 000 m3，能耗降低约20%［6］。

2.3 C型储罐

C型储罐结构如图3所示。C型储罐独立于船体，由中间圆柱形的筒体和两端半球形的封头构成。与SPB型储罐和Moss型储罐一样，C型储罐内部为货舱，货舱表面覆盖热绝缘层，最外层是保护型金属外壳。

图3 C型储罐结构

通常C型储罐选择5083铝合金、304不锈钢或9%镍钢作为货舱材料，液货舱外层覆盖的是聚苯乙烯板或喷涂发泡聚苯乙烯等绝缘材料。

C型储罐按照常规压力容器标准设计，无专利限制，属于通用技术。C型储罐承压性能好，无需另外设置防漏层，可将干空气或者惰性气体填充到储罐与船体之间的缓冲空间。同时C型储罐对液货装载高度没有限制。

C型储罐具有不受专利限制、造价低、制作工艺相对简单等特点，在中小型LNG运输船中应用前景可观。近年来，由于内河LNG运输船发展迅猛，C型储罐的市场发展空间进一步扩大。这是因为内河LNG运输船受航道水深、桥梁高度等多种因素制约，所以多数是容积为10 000～20 000 m3的小型运输船［7］，该种运输船储罐的容积不大，且为短途运输，故多采用C型储罐。

3 薄膜型储罐

薄膜型储罐采用双壳结构，内壳是液货舱的承载壳体，外壳是船体。与自撑式储罐相比，薄膜型储罐具有容积利用率高、重量轻等优点，因此新建的液化天然气船，尤其是大型LNG运输船，多采用薄膜型储罐。

3.1 MarkⅢ型储罐

MarkⅢ型储罐结构如图4所示，储罐由船体结构直接支撑，内壁为波纹型。MarkⅢ型储罐从内到外分别是主屏壁、主层热绝缘板、次屏壁、次层热绝缘板。主屏壁是指用于装货的内层构件，次屏壁是指如果主屏壁泄漏，能在规定时间内容纳泄漏液体的外层结构。国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则（IGC code）中要求，由意外破损、失效等原因引起主屏壁发生泄漏时，在15天内，次屏壁要保存泄漏的LNG并保护船体钢板。

图4 MarkⅢ型储罐结构

主屏壁采用波纹不锈钢板，一般选用304不锈钢；次屏壁由两层玻璃纤维布中间夹一层铝箔构成［8］。热绝缘板材料可选择硬质聚氨酯泡沫（PU）。

MarkⅢ型储罐设置有完整的二级防漏隔层，该专利属于GTT公司。MarkⅢ型储罐的装载液位为液货舱高度的10%～70%，部分装载时，由于薄膜型储罐的强度较弱，为了防止液体晃荡所产生的压力破坏储罐内壁，需要设计防晃结构。

MarkⅢ型储罐主要适用于大中型LNG运输船，其主要优点在于大量部件可以提前加工，缩短了造船时间；较薄的保温层增大了液货装载空间。

3.2 No.96型储罐

No.96型储罐结构如图5所示。储罐由船体结构直接支撑，内壁为平板型，热绝缘层分为主、次层热绝缘板，储罐从内到外分别是主屏壁、主层热绝缘板、次屏壁、次层热绝缘板。热绝缘板需要利用树脂绳粘合到船板表面，树脂绳可以锚固绝缘层并均匀分配液货载荷。

图5 No.96型储罐结构

主、次屏壁均采用殷瓦合金，也称殷钢［3］。热绝缘层选择珍珠岩作为保温材料，在减少保温材料费用的同时，由于气体可以渗透珍珠岩，因此能够填充更多的惰性气体，从而保证结构的可靠性。

与MarkⅢ型储罐相同，No.96型储罐也需要设置完整的二级防漏隔层，该专利属于GTT公司。No.96 型储罐装载液位为液货舱高度的10%～70%，部分装载时，由于薄膜型储罐的强度较弱，为了防止液体晃荡所产生的压力破坏储罐内壁，需要设计防晃结构。

No.96型储罐的优点是制造工艺相对简单；缺点是：少量提前加工的部件使得造船时间较长；较厚的保温层减小了液货装载空间。

由于薄膜型储罐的空间被利用得更充分，使得储罐同时具备薄、轻、总容量大等特点，因此多数LNG运输船都采用薄膜型储罐。目前，沪东中华造船 （集团）有限公司已经成功制造出使用MarkⅢ型、No.96型储罐的LNG运输船。

4 新型LNT-A型储罐

挪威LNT Marine公司在A型储罐的基础上，历时两年多的研发，解决了A型储罐必须有独立的次屏障和优质热绝缘层的问题［9］，最终在2013年开发出了具有自主知识产权的LNT-A型储罐。

LNT-A型储罐结构如图6所示。该储罐按传统设计，最内层为主屏壁，外形似棱柱形，作为货舱壁，货舱内部与SPB型储罐类似，均设有纵向制荡舱壁。次屏壁为覆盖在热绝缘板内表面的密封膜，具有液体密封功能。热绝缘板附着在船体内甲板上，热绝缘板可以分为冷板和暖板两部分，冷板与次屏壁接触，暖板与船体内部甲板接触。主、次屏壁之间的空隙称作屏壁间空隙（IBS），填充惰性气体，可以使空间保持干燥，并且当主屏壁LNG泄漏时，空间中填充的惰性气体也可以降低发生爆炸的风险。另一方面，该间隙也可以用于检修人员开展检查维修工作。货舱支撑系统由止浮装置和基座组成，同时为了保证热绝缘和支撑强度，需要在基座上设置层压木。

图6 LNT-A型储罐结构

考虑到成本因素，通常选择304不锈钢、镍钢或铝合金作为主屏壁材料。次屏壁由两层玻璃纤维布间夹一层铝箔构成，需要采用液体密封的方法完整覆盖在冷板外表面。热绝缘层材料选择聚氨酯（PUF）板。

LNT-A型储罐能很好地适应船体结构，使得船体内部空间可以得到充分利用，因此其装载量较大。同时，由于其内部设有纵向制荡舱壁，因此该型储罐对液货装载高度没有要求。

与薄膜型储罐的热绝缘层相比，LNT-A型储罐的热绝缘层不用承受罐内液体负荷，密度最低可达40 kg/cm3。而薄膜型储罐的热绝缘层需要考虑舱内液体应力，其中MarkⅢ型储罐密度需要达到140 kg/cm3方可保证其可靠性。可见，LNT-A型储罐热绝缘层对于材料性能的要求以及材料价格均更低，闪蒸气也更易控制。

与SPB型储罐相比，LNT-A型储罐结构只需按常规设计即可，因而设计更简单、建造更容易、成本更低。与C型储罐相比，相同安装空间情况下，LNT-A型储罐储存容积有25%～50%的提升［4］。

5 结论

5.1 自撑式储罐中常用的SPB型储罐、Moss型储罐和C型储罐，装载液位没有限制。其中C型储罐因为不需要设置防漏层，并且设计储罐时按常规压力容器进行，不受专利限制，使得C型储罐具备造价低、制作工艺相对简单等优点，在中小型LNG运输船中应用前景可观。近年来由于内河LNG运输船发展迅猛，C型储罐的市场发展空间进一步扩大。

5.2 多数LNG运输船尤其是大型LNG运输船，多采用薄膜式储罐，薄膜式储罐在未来几年仍然会占据主流地位。分析其原因在于薄膜式储罐具有容积利用率高、重量轻等优点。但是薄膜式储罐不耐受液体晃荡产生的压力，且货舱装载液位受到限制，需要设置次屏壁作为防漏隔层。

5.3 与薄膜式储罐相比，LNT-A型储罐材料性能要求低、价格低，闪蒸气也更易控制。与SPB型储罐相比，LNT-A型储罐设计更简单、建造更容易、成本更低。与C型储罐相比，在相同安装空间的情况下，LNT-A型储罐储存容积有25%～50%的提升。由于船舶废气排放控制越发严格，选择LNG作为船用燃料是大势所趋，这就要求储罐在有限的安装空间下，存储量最大化，并且高可靠性与低成本并存。LNT-A型储罐与其他储罐相比具有容积大、重量轻、成本低等优点，使得LNT-A型储罐成为有效解决方案之一，LNT-A型储罐将是未来的发展趋势。