摘要：本文主要介紹國內(nèi)城市燃氣中常用的真空罐和子母罐的原理、結構、相關規(guī)定及使用情況，并分析了這兩種儲罐在實際應用中的優(yōu)缺點。由制造和運輸?shù)臈l件決定了適合真空絕熱低溫容器的儲存量小于200m3，而現(xiàn)場組裝的非真空絕熱的子母罐適用于儲存量大于200m3，同時給出了設計和制造過程中典型規(guī)格技術參數(shù)表，為設計、制造和選用提供了技術依據(jù)。
關鍵詞：液化天然氣、真空罐、子母罐、低溫容器
1、前言
近年來隨著國際油價的上漲，液化石油氣(LPG)作為石油的副產(chǎn)品，價格也隨之上揚，而天然氣作為一種清潔、廉價能源越來越引起世人的關注。燃氣運營商著眼于天然氣的經(jīng)濟有效利用，加大了液化天然氣(LNG)在存儲運輸中的比例。
LNG主要有以下的幾個特性：
1)溫度低：其沸點在大氣壓力通常在-166℃到-157℃之間。
2)安全性高：無色、無味、無毒且無腐蝕性。
3)存儲空間小：其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600。
4)重量輕：密度通常在430kg/m3～470kg/m3之間，較少情況下可達520kg/m3。
5)熱值高：熱值為52MMBtu/t(1MMBtu=2.52×108cal，13104kcal/kg)。
而我國已建和在建較多的LNG接收站、LNG氣化站和LNG調峰站，用于大量存儲LNG。
當LNG容器的有效容積V≤200m3時，可采用真空粉末或真空多層絕熱方式儲存，也就是我們常說的真空罐．在制造廠內(nèi)整體制作完工，經(jīng)公路、鐵路或水路運輸至現(xiàn)場安裝。當有效容積V＞200m3時，如做成單獨的一個罐體，則由于體積龐大使罐的運輸、吊裝都十分困難，導致運輸、吊裝及制造成本大幅度上升，甚至無法實現(xiàn)。因此，對于有效容積V＞200m3時，常采用“化整為零”的子母罐形式，即將多個容積較小的罐(即子罐)組成內(nèi)罐以滿足對容積的要求，外部加保冷絕熱材料后置于一個大型外罐 (即母罐)之中。這樣既解決了運輸與安裝的難題，又滿足了對儲存量的需要，同時比多個獨立的真空管減少占地面積，減少用戶的設備投資成本，又易于維護和管理。
目前國內(nèi)城市燃氣常用的儲存形式也主要是真空罐和子母罐這兩種低溫帶壓儲罐形式。以下分別介紹這兩種儲罐。
2、真空罐
國內(nèi)的LNG氣化站，采用真空罐儲存LNG的較多。常用的真空罐有40m3、50m3、100m3、150m3、200m3和250m3等幾種規(guī)格，適用于存儲量較小的場合。結構上真空罐分為內(nèi)外兩層，內(nèi)罐用于存儲LNG，外罐用于保持內(nèi)外罐壁間的真空度以保持內(nèi)罐的低溫并抵抗外界的大氣壓力。故內(nèi)罐采用耐低溫的奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9(GB 4237-1992)制成，外罐采用壓力容器用鋼板16MnR(GB 6654-1996)制成。內(nèi)外罐壁材料必須符合《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》(1999)、《鋼制壓力容器》GB 150(1998)和《低溫絕熱壓力容器》GB 18442(2001)的相關規(guī)定。建成后內(nèi)外罐壁均須接受焊接工藝評定、焊接試板力學性能檢驗、真空檢漏(包括氦質譜真空檢漏考核，以符合真空絕熱要求)的嚴格檢測。
內(nèi)、外罐壁間安裝有內(nèi)、外罐的固定裝置，用來確保真空罐能夠滿足其在生產(chǎn)、運輸、使用過程中對于強度、穩(wěn)定性及絕熱保冷需要。夾層保冷填料為珠光砂，填裝容重為40~60Kg/m3，粒度 0.1~0.2mm，含濕量重<0.1%(質量)，露點≤-25℃；同時夾層內(nèi)還設置抽真空管道，封結真空度≤5Pa。
本文以100m3真空儲罐為例，見表1，進行介紹。
罐體上的接口包括底部進液口(DN50)、頂部進液口(DN50)、出液口(DN50)、氣相口(DN50)、溢流口(DN15)、液位計及壓力表接口 (DN10)、抽真空口(DN50)、測真空口(1/8NPT)和防爆口(φ127)等。與罐體相連的管線均由耐低溫奧氏體不銹鋼管制成，接管在內(nèi)外罐之間設膨脹彎，用以適用低溫工況、減小LNG接管的溫差應力。所有進出料管均由外罐底部的封頭引出。引出管與外罐封頭采用杜拉管結構；液位計接口管道分別引自內(nèi)罐的頂部和底部，在外罐側部位置統(tǒng)一引出，便于安裝液位計及壓力表。
在實際運用中LNG真空儲罐配有液位計、差壓變送器、壓力變送器、壓力表各一套，實現(xiàn)了對儲罐內(nèi)LNG液位、壓力的現(xiàn)場指示及遠傳顯示控制，增強了使用過程中的安全性。表1 100m3低溫LNG儲罐技術參數(shù)表
3、子母罐
對于某些用氣量大且離氣源較遠的城市，需要的存儲周期較長(一般為7-15d)，如采用真空罐存儲LNG來滿足城市對燃氣的需求，則需要大幅增加基建投資，在這種情況下采用子母罐來儲存LNG，則可以相對減少占地面積及材料設備的投資。
子母罐是將多個子罐并列組裝在一個大型外罐即母罐之中。子罐一般為3-10個，單個子罐的有效容積通常在100~250m3之間，可以組建300~2500m3的大型儲槽，以滿足站場對低溫液體儲存量的要求。為減少占地面積以、保證操作的安全性，子罐通常采用立式圓筒形結構，外罐采用常見的立式平底拱頂圓筒形結構。子罐為該種存儲形式的關鍵所在，一般設計成壓力容器，可以實現(xiàn)帶壓存儲(子罐的工作壓力通常為0.2～1.0MPa)，降低對絕熱材料及環(huán)境條件的要求，減少投資。外罐形狀尺寸大，不易做成耐壓結構，一般為常壓罐。 內(nèi)外罐之間采用堆積填加珠光砂粉末以減少罐內(nèi)外的傳熱量。
子罐通常是在壓力容器制造廠制造完工后運抵現(xiàn)場吊裝就位，外罐則是由零部件在現(xiàn)場組裝而成。
考慮到子母罐后期的維護和維修一般同時建兩座，也可建一座，而把子罐分為兩個流程。
本文以2500m3子母罐為例，見表2和圖1，進行介紹。
該子母罐內(nèi)部設置10只子罐，結構為立式、圓柱形式，底部為支腿支撐。單個子罐貯存容積為250m3，工作壓力為0.6MPa，主體材質為0Cr18Ni9；外罐為平底拱蓋結構，材質為16MnR。
在子罐上、下部分別設置可遠傳的測溫點，對子罐進行觀測、監(jiān)控，及時檢測LNG貯存的分層情況。在母罐底部設置測溫點，頂部設置測溫點，對母罐進行觀測、監(jiān)控。同時還有一套完善的就地壓力、液位指示系統(tǒng)，并遠傳中控室，對儲罐的壓力、液位進行就地觀測和遠程監(jiān)控。
子罐設有頂部進液和底部進液2條管線。頂部進液管線采用噴淋裝置，以保證內(nèi)罐均勻冷卻，避免局部溫差引起翻沸。子罐所設的排液管線滿足LNG排量，排液管線還設有專用氣封補償結構，由封頭下部引出，以保證液體排盡。子罐上還設有兩套安全閥，并配備三通切換閥，保證使用過程中的安全性，并滿足安全監(jiān)檢的要求。
罐體上部引出管道的溫差應力補償均采用不銹鋼π形管道和波紋管補償器。所有液相引出外殼管道均采用真空絕熱管道，最大限度地減少冷損。
外罐頂部設置了珠光砂填充口以確保珠光砂填充均勻；頂部和側面各設置人孔，便于檢修時人員的出入；外罐還設有珠光砂扒出口，以滿足維修的要求。同時外罐還設有呼吸閥和防爆裝置。罐上有氣相、液相分析閥，可對罐內(nèi)LNG純度進行分析。罐上有測滿閥和控制貯槽壓力的自動放空管線，并聯(lián)手動放空閥。
夾層充微正壓干氮氣以保證珠光砂的干燥，保證其絕熱效果。氮氣系統(tǒng)采用自力式調節(jié)閥控制(帶旁通)，保證夾層壓力恒定。
儲罐還設有導靜電接地接口、防雷設施和消防水噴淋管道等，以最大限度的保證儲罐使用過程中的安全性。表2 2500m3子母罐技術參數(shù)表
關鍵詞：液化天然氣、真空罐、子母罐、低溫容器
1、前言
近年來隨著國際油價的上漲，液化石油氣(LPG)作為石油的副產(chǎn)品，價格也隨之上揚，而天然氣作為一種清潔、廉價能源越來越引起世人的關注。燃氣運營商著眼于天然氣的經(jīng)濟有效利用，加大了液化天然氣(LNG)在存儲運輸中的比例。
LNG主要有以下的幾個特性：
1)溫度低：其沸點在大氣壓力通常在-166℃到-157℃之間。
2)安全性高：無色、無味、無毒且無腐蝕性。
3)存儲空間小：其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600。
4)重量輕：密度通常在430kg/m3～470kg/m3之間，較少情況下可達520kg/m3。
5)熱值高：熱值為52MMBtu/t(1MMBtu=2.52×108cal，13104kcal/kg)。
而我國已建和在建較多的LNG接收站、LNG氣化站和LNG調峰站，用于大量存儲LNG。
當LNG容器的有效容積V≤200m3時，可采用真空粉末或真空多層絕熱方式儲存，也就是我們常說的真空罐．在制造廠內(nèi)整體制作完工，經(jīng)公路、鐵路或水路運輸至現(xiàn)場安裝。當有效容積V＞200m3時，如做成單獨的一個罐體，則由于體積龐大使罐的運輸、吊裝都十分困難，導致運輸、吊裝及制造成本大幅度上升，甚至無法實現(xiàn)。因此，對于有效容積V＞200m3時，常采用“化整為零”的子母罐形式，即將多個容積較小的罐(即子罐)組成內(nèi)罐以滿足對容積的要求，外部加保冷絕熱材料后置于一個大型外罐 (即母罐)之中。這樣既解決了運輸與安裝的難題，又滿足了對儲存量的需要，同時比多個獨立的真空管減少占地面積，減少用戶的設備投資成本，又易于維護和管理。
目前國內(nèi)城市燃氣常用的儲存形式也主要是真空罐和子母罐這兩種低溫帶壓儲罐形式。以下分別介紹這兩種儲罐。
2、真空罐
國內(nèi)的LNG氣化站，采用真空罐儲存LNG的較多。常用的真空罐有40m3、50m3、100m3、150m3、200m3和250m3等幾種規(guī)格，適用于存儲量較小的場合。結構上真空罐分為內(nèi)外兩層，內(nèi)罐用于存儲LNG，外罐用于保持內(nèi)外罐壁間的真空度以保持內(nèi)罐的低溫并抵抗外界的大氣壓力。故內(nèi)罐采用耐低溫的奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9(GB 4237-1992)制成，外罐采用壓力容器用鋼板16MnR(GB 6654-1996)制成。內(nèi)外罐壁材料必須符合《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》(1999)、《鋼制壓力容器》GB 150(1998)和《低溫絕熱壓力容器》GB 18442(2001)的相關規(guī)定。建成后內(nèi)外罐壁均須接受焊接工藝評定、焊接試板力學性能檢驗、真空檢漏(包括氦質譜真空檢漏考核，以符合真空絕熱要求)的嚴格檢測。
內(nèi)、外罐壁間安裝有內(nèi)、外罐的固定裝置，用來確保真空罐能夠滿足其在生產(chǎn)、運輸、使用過程中對于強度、穩(wěn)定性及絕熱保冷需要。夾層保冷填料為珠光砂，填裝容重為40~60Kg/m3，粒度 0.1~0.2mm，含濕量重<0.1%(質量)，露點≤-25℃；同時夾層內(nèi)還設置抽真空管道，封結真空度≤5Pa。
本文以100m3真空儲罐為例，見表1，進行介紹。
罐體上的接口包括底部進液口(DN50)、頂部進液口(DN50)、出液口(DN50)、氣相口(DN50)、溢流口(DN15)、液位計及壓力表接口 (DN10)、抽真空口(DN50)、測真空口(1/8NPT)和防爆口(φ127)等。與罐體相連的管線均由耐低溫奧氏體不銹鋼管制成，接管在內(nèi)外罐之間設膨脹彎，用以適用低溫工況、減小LNG接管的溫差應力。所有進出料管均由外罐底部的封頭引出。引出管與外罐封頭采用杜拉管結構；液位計接口管道分別引自內(nèi)罐的頂部和底部，在外罐側部位置統(tǒng)一引出，便于安裝液位計及壓力表。
在實際運用中LNG真空儲罐配有液位計、差壓變送器、壓力變送器、壓力表各一套，實現(xiàn)了對儲罐內(nèi)LNG液位、壓力的現(xiàn)場指示及遠傳顯示控制，增強了使用過程中的安全性。
序號
技術參數(shù)名稱
內(nèi)罐
外罐
01
容器類別
三類
02
全容積(m3)
105.3
46(夾層)
03
有效容積(m3)
100
04
貯存介質
LNG
珠光砂(夾層)
05
直徑(mm)
φ3000
φ3500
06
材質
0Cr18Ni9
16MnR
07
設計溫度(oC)
－196
50
08
工作溫度(oC)
－162
環(huán)境溫度
09
工作壓力(MPa)
≤0.60
真空
10
設計壓力(MPa)
0.66
-0.1
11
氣壓試驗壓力(MPa)
0.80
/
12
日蒸發(fā)率
≤0.25％/d
/
13
內(nèi)槽射線探傷比例
100%RTⅡ級
100％UT+ 100％PT I級
14
腐蝕裕量
0
1
15
焊縫系數(shù)
1.0
0.85
16
設備總重(kg)
約37380
17
外形尺寸(mm)
Φ3500×16983(直徑×總高度)
3、子母罐
對于某些用氣量大且離氣源較遠的城市，需要的存儲周期較長(一般為7-15d)，如采用真空罐存儲LNG來滿足城市對燃氣的需求，則需要大幅增加基建投資，在這種情況下采用子母罐來儲存LNG，則可以相對減少占地面積及材料設備的投資。
子母罐是將多個子罐并列組裝在一個大型外罐即母罐之中。子罐一般為3-10個，單個子罐的有效容積通常在100~250m3之間，可以組建300~2500m3的大型儲槽，以滿足站場對低溫液體儲存量的要求。為減少占地面積以、保證操作的安全性，子罐通常采用立式圓筒形結構，外罐采用常見的立式平底拱頂圓筒形結構。子罐為該種存儲形式的關鍵所在，一般設計成壓力容器，可以實現(xiàn)帶壓存儲(子罐的工作壓力通常為0.2～1.0MPa)，降低對絕熱材料及環(huán)境條件的要求，減少投資。外罐形狀尺寸大，不易做成耐壓結構，一般為常壓罐。 內(nèi)外罐之間采用堆積填加珠光砂粉末以減少罐內(nèi)外的傳熱量。
子罐通常是在壓力容器制造廠制造完工后運抵現(xiàn)場吊裝就位，外罐則是由零部件在現(xiàn)場組裝而成。
考慮到子母罐后期的維護和維修一般同時建兩座，也可建一座，而把子罐分為兩個流程。
本文以2500m3子母罐為例，見表2和圖1，進行介紹。
該子母罐內(nèi)部設置10只子罐，結構為立式、圓柱形式，底部為支腿支撐。單個子罐貯存容積為250m3，工作壓力為0.6MPa，主體材質為0Cr18Ni9；外罐為平底拱蓋結構，材質為16MnR。
在子罐上、下部分別設置可遠傳的測溫點，對子罐進行觀測、監(jiān)控，及時檢測LNG貯存的分層情況。在母罐底部設置測溫點，頂部設置測溫點，對母罐進行觀測、監(jiān)控。同時還有一套完善的就地壓力、液位指示系統(tǒng)，并遠傳中控室，對儲罐的壓力、液位進行就地觀測和遠程監(jiān)控。
子罐設有頂部進液和底部進液2條管線。頂部進液管線采用噴淋裝置，以保證內(nèi)罐均勻冷卻，避免局部溫差引起翻沸。子罐所設的排液管線滿足LNG排量，排液管線還設有專用氣封補償結構，由封頭下部引出，以保證液體排盡。子罐上還設有兩套安全閥，并配備三通切換閥，保證使用過程中的安全性，并滿足安全監(jiān)檢的要求。
罐體上部引出管道的溫差應力補償均采用不銹鋼π形管道和波紋管補償器。所有液相引出外殼管道均采用真空絕熱管道，最大限度地減少冷損。
外罐頂部設置了珠光砂填充口以確保珠光砂填充均勻；頂部和側面各設置人孔，便于檢修時人員的出入；外罐還設有珠光砂扒出口，以滿足維修的要求。同時外罐還設有呼吸閥和防爆裝置。罐上有氣相、液相分析閥，可對罐內(nèi)LNG純度進行分析。罐上有測滿閥和控制貯槽壓力的自動放空管線，并聯(lián)手動放空閥。
夾層充微正壓干氮氣以保證珠光砂的干燥，保證其絕熱效果。氮氣系統(tǒng)采用自力式調節(jié)閥控制(帶旁通)，保證夾層壓力恒定。
儲罐還設有導靜電接地接口、防雷設施和消防水噴淋管道等，以最大限度的保證儲罐使用過程中的安全性。
序號
技術參數(shù)名稱
單臺子罐
母罐
備注
01
工作壓力
0.6 MPa
2.0kPa
02
設計壓力
0.66 MPa
3.0kPa
03
氣壓性試驗壓力
0.76MPa
3.75kPa
04
有效容積(m3)
2500
/
充滿率95％
05
幾何容積(m3)
2640
5040 (夾層)
06
貯存介質
LNG
珠光砂充氮(夾層)
07
直徑(mm)
Ф3800
Ф19338
08
壁厚(mm)
10/12
8/10/12
壁厚沿高度變化
09
母罐底板厚度(mm)
8～15
10
高度(mm)
23880
27195
11
材質
0Cr18Ni9
16MnR
12
地震烈度
7度
13
設計風速(m/s)
/
29
14
設計溫度(℃)
－196
－19
15
日蒸發(fā)率
≤0.2%
環(huán)境溫度20℃
16
射線探傷比例
100%射線Ⅱ級
按照國家相關標準
17
腐蝕裕量
0
1
18
焊縫系數(shù)
1
0.8
19
單臺子罐凈重(t)
約34
20
子母罐空重(t)
約897
21
子母罐滿重(t)
約1962
22
設計壽命
15年
