球罐整体热处理控制工艺规程

2．1设计方案

1500m3LNG球罐采用地上式单容罐结构(内、外罐结构)。内罐为储存LNG的球罐，外罐为用低合金压力容器钢板制造的自支撑拱顶结构的立式圆筒形储罐。外罐与内罐之间的夹层空间为绝热层，绝热层采用普通堆积绝热的方式，充填膨胀珠光砂，使球罐达到低温绝热的目的，以便储存LNG。

绝热层的厚度通过绝热计算确定。 2.2设计参数

l500m3LNGN球罐公称体积为l500m3，公称直径14200mm，内罐设计压力0.42MPa，设计温度-196℃．外罐设计压力0.003MPa，工作压力为0.002MPa，设计温度-19/50℃。 2.3选材

内罐材质0Crl8Ni9，其Rp0.2≥205MPa，Rm≥515MPa，在使用温度范围内有足够的低温韧性。此外，0Crl8Ni9不仅加工性和焊接性较好，而且也比较经济。

内罐材质没有选择9Ni钢的原因：①9Ni钢易磁化，对焊接不利。②9Ni钢在正火+正火+回火供货状态下具有较好的低温韧性，但在焊接和热循环的作用下，熔合线的成分及热影响区的组织会发生变化，破坏材料原始的热处理状态，使低温性能下降，脆性组织生成，呈现较大的冷裂倾向[6]。由于Ni元素是奥氏体化形成元素，焊缝金属中几乎全部为奥氏体，无铁素体等第二相存在，因此，9Ni钢抗裂性较差，其焊接过程中要严格控制焊接线能量。

③9Ni的钢韧性比奥氏体不锈钢差，对9Ni钢要求做-196℃下的低温冲击试验，冲击功最低值大于35J[3]一般通过焊接工艺评定比较困难。相对而言，奥氏体不锈钢在-196℃下的线膨胀系数只有14.67×10-℃-1[2]，其焊接性更好。在低温下有良好的韧性，奥氏体不锈钢的冲击值随温度的降低减小较缓慢，并且不存在脆性转变温度。④奥氏体不锈钢的价格也要比9Ni钢低。1500m3LNG球罐设计压力较低，经强度计算，壁厚较小，故不需要强度更高的材料，而希望有较高的刚性余量，选用强度级别较低的0Crl8Ni9比较合理。

外罐仅片来保护和支撑绝热材料，所以选择低合金压力容器钢板16MnR，外罐材料与最低设计温度有直接的联系，最低设计温度按设备安装地历年来月均最低气温的最低值进行设计，根据最低设计温度确定外罐材料的类别。

球罐进、出液管道等工艺管件在工作状态下应具有低温韧性要求，管道材料选用0Crl8Ni9制无缝钢管。 2．4结构

考虑不锈钢材料的板幅限制，球壳结构选为4带12柱混合式，利用球罐自身表面积最小的优势，可以最大幅度降低LNG的蒸发损失。球罐采用支柱支撑，与低温工作下的立式平底圆筒形储罐相比，低温物料的火部分冷能部能直接传导，避免了对基础的冷冻破坏。但考虑到1500m3LNG球罐属首台产品，支座部分的冷传导所形成的温度梯度只有数值模拟计算结果；没有可靠的工程数据作参考，为了避免非不锈钢材料发生冷脆，支座及其部件全部

采用不锈钢材料。但是全部采用不锈钢从经济上不合理，为此，在本次工程设计中考虑对温度数据进行采集和总结，即在产品投运后，利用设置在支柱上的测温点来监测温度，通过对

这些温度参数的收集和分析，可以在今后的设计中，把影响不大的支柱部分材质换成低合金钢材料，从而降低造价。

内罐接管根据工艺充装需要确定，分别设置有上下进液管、气相管、压力和液位测量取样管等。工艺管道的管径通过水力学计算确定，厚度根据压力确定，选用标准系列。上进液管伸人球罐内的管道为环状结构，物料通过分布在环管上的通孔注入内罐，此结构可以在第一次充装时起到预冷储罐的作用，也可以对有温度差异的物料从上向下充装时起冷却作用。考虑液封性及液位测量的全液位问题，将下进液管设置成弯管。为了隔断管道漏热和管道 的收缩膨胀量，管道出外罐的连接采用带膨胀收缩的装置并填充绝热材料。[3]

依据文献[2]附l录B中的相关条款，可以不直接在容器上安装安全阀，所以在内罐上不设安全阀。这主要是从保冷效果考虑，若在内罐上设安全阀，由于其在绝热空间与外罐的连接处结构较复杂，若结构不合理及施工不当，会使这个部位形成最大的漏热点，从而影响储罐的保冷效果，既对储罐的安全运行不利，也不便于现场施工。因此，将安全阀设置在 与内罐顶相通的气相管线上。 2．5绝热方式

由于内、外罐夹层的体积大于2000m，空间大，现有的真空设施无法确保如此大空间的真空度，不能采用真空方式来保冷，凶此，选用普通粉末正压堆积绝热，绝热材料为珠光砂。通过传热计算确定绝热层厚度(内、外罐间距)后再按此进行核算。本例核算结果为，LNG球罐的日蒸发率小于0.15％，其结果满足建没单位的要求。此蒸发率只有目前使用相同体积的子母罐的一半。

为了使绝热材料保持绝热效果，对绝热空间充入200Pa微正压的氮气。其作用是：①防止潮湿空气渗入夹层，使珠光砂吸潮后绝热效果减弱。②排出夹层中空气，将夹层中的含氧量降至最低，防止LNG泄漏后与氧气混合后发生危险。③可通过测定夹层空间中的烃组分来判断内罐是否泄漏。 2.6基础

外罐立式平底圆筒形储罐需要的是平面圆形基础面，而内罐球罐需要的是满足支柱支撑的环形梁基础，在设汁底板结构时，采用π型结构，避免了软硬基础不均匀沉降的问题。 2．7其它

LNG的密度差异等会造成充装过程的分层和涡旋等不利现象。在球罐外罐壁设置测量温度的热电偶，以监测不同储存深度的LNG的温度，使操作者能够及时采取合适的充装程序。在绝热空间中也分散设置了相应的测温装置，绝热层的暖侧和冷侧及过度空间中的测温装置可以将异常的温度变化反馈给操作者[4]，以便判断是否存在漏热等，从而采取有效的控制措施。在支柱不同的高度上也设置了热电偶，以反馈外界是否通过支撑系统向球罐漏热的信息。 3、球罐作低温绝热容器的优点

采用内罐为球罐的LNG储罐有以下优点：①相同体积下，球罐具有最小的表面积，没备质量和造价降低。内壳的传热面积可以最小，可很有效降低设备的蒸发率。②球罐的结构使其具有更好的耐内、外压的能力，即正常气化产生的气体压力不致于对储存设备造成危害。③球罐

可以带压储存，提高设备内LNG的自排泄能力。④球罐采川支柱支撑，柱腿结构可阻断内壳冷能向基础传递．小用考虑基础隔冷。⑤球罐的体积可以在400～10000m3选择，充分解决LNG的生产装置、调峰型液化装置等工况下液化天然气的储存问题。 4、结语

1500m3LNG球罐是国内首次采用球罐作为低温绝热压力容器用于储存LNG，也是国内首例采用不锈钢制造的球罐。在其设计、制造的过程中，解决了作为低温绝热压力容器存在的传热计算、绝热体热模拟及优化计算、低温下设备及管道收缩变形的控制、软硬基础的互补、测温系统和液位控制系统的可靠性、支撑结构的可行性以及接管变形结构等工程实际问题，对以后同类项目的实施有一定的示范作用。

1500m3LNG球罐的成功设计和应用，拓宽了球罐以往的带压气态、液态储存范围，不仅对带压低温液态储存液化天然气工厂以及调峰型液化装置的储存设备进行了探索，而且也为其它低温液态碳氢化合物、液态一氧化碳、液态氧气、液态氮气以及液态氩气等低温液化气体的储存设备提供了新的选择

天然气球罐置换方案初探

摘 要：本文通过对天然气球罐几种置换方案介绍、分析和对比，并以学堂堡储配站天然气球罐置换为例介绍，说明天然气球罐可用天然气直接置换方法。

随着城市燃气事业的迅速发展，为解决天然气供气不均匀性即日负荷调峰问题，根据重庆的天然气资源、实际条件和多年的实践经验证明，一般在储配站按要求宜设置多台球型储罐。目前，重庆燃气有限责任公司共建设了19台球罐，几何容积共23，600m3。同时为满足逐年用气量增加的趋势，还计划在江北区溉澜溪头塘建造6台（每台几何容积为10000m3）球罐的大型储配站。按照国家质量技术监督局颁布的《压力容器安全技术监察规程》的要求，公司每年都有球罐开罐检查的任务，它包括超声波或磁粉探伤、射线照相检查、测厚和球罐表面的防腐处理等工作。并对有缺陷部位进行维修，检查合格后需对球罐进行强度和严密性试验；试压合格后再对球罐进行置换。球罐置换首先要确保球罐的自身安全；其次是确保第一次由球罐中供出的燃气能满足用户的使用要求。球罐置换是一项危险性的工作，若置换方案选择不当或操作失误，均可能发生恶性事故造成惨重损失。为此，球罐置换的安全问题显得特别重要；其次，球罐置换还应考虑问题，若方案不当将造成置换工作量大，费用高。用什么安全、经济的方法将罐内的空气置换到允许标准，这是一个值得探讨的问题。对此发表一些看法和意见，仅供参考。 根据目前的技术水平和储配站的具体情况，球罐的置换方案一般有如下三种方法可以采纳。 1 惰性气体置换法

用惰性气体先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的惰性气体。即把惰性气体作为置换中间介质，这里所说的惰性气体是指既不可燃又不可助燃的无毒气体。如氮气（N2或液氮）、二氧化碳（CO2）、烟气等，均可以采用。

此法具体操作过程是先将惰性气体充满球罐，加压到一定程度置换出空气，直至罐时惰性气体的浓度达到预定的置换标准为止；然后再以燃气充满球罐，同样加压到一定程度置换出惰性气体，从而完成置换程序。此法操作复杂、烦琐反复进行两次换气，不仅耗用大量惰性气体还耗

用大量的燃气发生费用较高，其换气时间长，工作量大，既不经济且费事。但是它可以确保进人罐内的燃气不会与罐内空气接触，不会形成具有爆炸的混合气体。因此此法可靠性好，安全系数高，成功性大。对于本身有制气（惰性气体）手段和条件的、燃气行业普遍采用这一成熟的传统置换方案。 2 水置换法

用水先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的水。即把水作为置换中间介质。

此方法操作过程是先将球罐灌满水以水排尽罐内空气，然后再排掉水同时充入燃气，待罐内水排尽时天然气也充满，置换就完成了。因为此法不但确保了进入罐内的天然气不会与罐内空气接触，不会产生具有爆炸性的混合气体，绝对安全可靠；而且水比其它惰性气体便宜得多，也很容易解决。而对于储配站内一般都设置了消防水池（栓）、消防泵房，充足的储水量以及配备的双电源等，这些给水置换带来了良好的条件。若是将置换工作安排在球罐的强度（水）试压会格后进行，即排水的同时进行充气置换，那更是一件很经济的事情。因此此法具有安全可靠、成功率高、操作简单、置换周期短、费用低和还可多台罐连续置换等优点。但是它要求球罐基础条件较好，即球罐基础（基座）可承担置换重量，同时置换用水浪费较大，对于1000m3以上球罐置换，考虑到球罐基础条件（因球罐投运多年）和置换用水量因素，一般不宜采用此法。

3 燃气直接置换法

此法操作过程是直接将燃气缓慢通人球罐替换出空气，从而达到置换目的。其置换示意如图1所示。

当置换到一定程度时，从排空管的采样口取样，通过气相色谱仪进行分析，可以确定空气达到预定的置换标准，置换宣告结束。

此方法的特点是比较简便也较经济，但是具有一定的危险性。因为在置换过程中，球罐里必然要产生燃气与空气的混合气体，并且要经历爆炸极限范围。对于纯天然气来讲，它的爆炸极限为5～15％，再考虑到其混合的不均匀性，天然气含量45％以下均应视为危险区，遇火源，就要发生爆炸。为此必须严格控制，采取各种安全措施，确保无火种，才能安全地渡过其危险区。 要确保置换过程中，没有任何火源引爆这极具危险的混会气。为此进行如下分析：球罐的检查入孔、接管（进出气管、排污管）全部是封闭的，不可能由外部投入火种；球罐封闭前进行了开罐检查、试压、清扫等工序，有时还搁置了一段时间，内部不可能有残留火种；罐内没有活动部件，不可能因运动、撞击产生火花；唯一可能并需要控制的就是随进罐天然气流带入的火种。这种带人火种有两种：一是高速气流会因摩擦产生静电。但是，由于球罐及管道系统都有良好的接地，即便有静电负荷产生，也会立即通过接地装置导人大地，不会有电荷集聚导致高电位，而产生放电火花。二是高速气流吹动管道中可能残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物品带进球罐，与罐壁、内梯等碰撞产生火花，这种可能性是存在的，这就是危险。根源是高速气流，解决它关键是坚决杜绝高速气流而确保低速；即便有石块等杂物，也不会被吹动，也就不可能产生火花了；同时为了避免杂物带进球罐，应事先在进气管道上设置过滤器。根据暖通资料及管道实际吹扫经验，我们确定将置换球罐用天然气速度控制在3m/s以下并采用流速计或

U型压力表（计）观察球罐升压速度的办法来测量其充气流速，用阀门的开度来控制流速（混气过程中控制阀前的压力要保持稳定）。

经上述分析、认识与措施，说明天然气球罐可用天然气直接置换；即先少量充气置换后再投入运行。该法必须注意排除其危险性，方法较简单，经济合理。目前我公司以及附近地区各燃气公司球罐的置换工作均采用天然气直接置换球罐里的空气方法，历经过了四十多次试验，已积累了一定的经验。 4 燃气直接置换法实例

沙坪坝学堂堡储配站投产于1987年，担负着沙坪坝区民用气调峰任务。站内设置了四台每台几何容积为1000m3的球形储罐，其贮气能力为3.2万m3。按要求1999年对3#、4#球罐进行了开罐检查；而2000年9月份，又对1#、2#球罐进行开罐检查，经重庆市锅检所对其进行超声波或磁粉探伤、X光照片和测厚等检测，并对有缺陷部位进行维修，合格后即进行气压试验，试压介质选用空气。试压合格后随即进行置换，步骤操作如下： （1）试压、置换前的准备工作

①成立球罐开罐检查（试压、置换）工作领导小组，明确具体的分工，各负其责。

②经过多方研究讨论，确定了试压、置换方案，并制定了实施细则和具体措施，打印成文以便遵照实施。

③对与球罐相联接的管道和设备进行了试压，对阀门、法兰、焊缝等各种设备和联接处都进行认真细致的检查，对有泄漏之处进行处理。

④联接好试压、置换工作所需用的临时管道和设备。如加气管、排气管、空压机等；并作好其它一切有关的安全防范物质准备工作。 （2）试压及置换工艺流程

①在球罐的排污阀（6）之后，加一短节。短节一端采用法兰联接，另一端盲死；在短节两侧各焊一加气管，并装上控制阀（7或8）加以控制，它们与空压机（9）相连。

②以球罐的进（出）气管作为置换的进气管，球罐上的安全放空、增设的加气管（卸下空压机后）作为空气的放空管，也可作为取样点。如图2所示。 （3）试压、置换的操作步骤

①为了便于指挥、控制，不致操作失误，在试压、置换前，首先关闭全部阀门，并加装盲板，使整个系统成为密闭状态。

②启动空压机（9），打开加气管的控制阀门（7或8），向球罐充空气，使压力先缓慢升压至规定试验压力的10％，保压5-10分钟并对所有焊缝和连接部位进行初次检查；如无泄漏可继续升压到试验压力的50％；如无异常现象，其后按规定试验压力的10％逐级升压，直至试验压力0.92MPa时（因球罐设计压力为0.8MPa，实际运行压力为0.78MPa，试验压力为设计压力的1.15借人停止加压稳压半小时，在试压前应将球罐的安全阀送国家压力容器部门将其开启压力调至0.92MPa（试压后将其压力调至设计压力，但不得超过设计压力的1.05倍），以确保球罐试压安全；最后将压力降至设计压力，保压足够时间进行检查，检查期间压力应保持稳定，观察球罐及基础均无异常情况，经肥皂液或其他检漏液检查无漏气、无可见变形即为合格。