大型液化天然氣儲罐內(nèi)罐壁9Ni鋼板及制造方法和罐壁結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及寬厚鋼板生產(chǎn)技術，特別涉及大型液化天然氣儲罐內(nèi)罐壁9Ni鋼板及 制造方法和罐壁結構，該鋼板具有良好一 196°C低溫韌性，適用于到能源、化工行業(yè)中容量 在10萬立方米以上的大型液化天然氣儲罐。
【背景技術】
[0002] 在世界范圍內(nèi)，天然氣作為清潔能源之一，其需求總量在持續(xù)增長。特別是在日本 福島核事故之后，核能開發(fā)和利用受到了很大的阻力，取而代之的天然氣作為安全、清潔能 源更加受世界各耗能大國的青睞。與此相對應，國內(nèi)的天然氣需求量也在急劇上升，至2013 年，我國天然氣表觀消費量已達1650億立方米，進口天然氣達到530億立方米左右。預計 到2015年，我國天然氣供應量將達到2680億立方米，包括國內(nèi)資源1940億立方米和進口 740億立方米；2020年天然氣供應量將達到4310億立方米，包括國內(nèi)資源2700億立方米和 進口 1610億立方米。到2015年，我國天然氣消費量占全國一次能源消費總量的比重將增 至9 %，到2020年將繼續(xù)提升至12 %。
[0003] 作為陸上天然氣管道輸送以及海上船舶運輸?shù)慕K端，以接受、儲存、調(diào)峰、分流為 主要功能的大小液化天然氣站是整個天然氣供應鏈中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。天然氣經(jīng)液化 后體積縮小了 600倍后，以液化天然氣（以下簡稱LNG)的形式被安全、低成本地儲存在LNG 儲罐之中，LNG儲罐正是大小液化天然氣站中的關鍵設施之一。
[0004] 隨著國內(nèi)天然氣需求的快速增加，各類大型LNG儲罐的建設也在快速興起。自 2003年我國首個大型LNG儲罐開工建設以來，我國僅16萬立方米預應力混凝土 LNG儲罐已 開建或建成了 43個，容積20萬立方米的LNG儲罐也完成了設計，正在計劃興建之中。在上 述不同容器的LNG儲罐中，盡管儲罐結構有所不同，但目前最常見的、特別是在10萬立方米 以上LNG儲罐中占絕對主流的，均為圓筒形預應力混凝土罐。這種LNG儲罐罐體由鋼質(zhì)內(nèi) 罐和預應力混凝土外罐構成，內(nèi)罐和外罐罐壁都為圓筒結構。其中，內(nèi)罐罐壁都是由許多張 不同厚度的、具有良好的_196°C低溫韌性的9Ni鋼板焊接而成的圓筒形結構。
[0005] 盡管容量大小不同，傳統(tǒng)的圓筒形LNG儲罐內(nèi)罐所設計的鋼板規(guī)格尺寸也有所不 同，但總的來說，這些LNG儲罐內(nèi)罐的罐壁鋼板都有如下共同特點：
[0006] 1)內(nèi)罐罐壁結構均為圓筒形結構，罐壁用鋼板自上而下分若干層。同一層內(nèi)，鋼板 都是以板寬作為該層的層高、以板長作為罐壁的一段弧長，且鋼板的厚度都是相同的。而在 不同層間，鋼板厚度則由上而下呈階梯狀增加，即：下層鋼板的厚度總是大于或等于上一層 的厚度，以此來抵抗由上而下遞增的罐內(nèi)儲存LNG液體所產(chǎn)生的靜壓力。
[0007] 2)在同一層內(nèi)，鋼板的材質(zhì)都是相同的。根據(jù)行業(yè)規(guī)范，此類LNG儲罐內(nèi)罐的材 質(zhì)必須采用具有良好的-196°C低溫韌性、含有9%左右Ni元素的9Ni鋼板，采用"正火+ 回火"或"淬火+回火"工藝生產(chǎn)，常用的牌號有我國國家標準GB150中的06Ni9DR、歐標 EN10028-4 中的 X7Ni9、美標 ASTM 中的 A553Type 1 等。
[0008] 3)內(nèi)罐罐壁鋼板都需要進行卷曲成型加工，使其彎曲的曲率半徑等于或非常接近 于內(nèi)罐罐壁圓周的半徑。罐壁鋼板的卷曲成型加工是傳統(tǒng)內(nèi)罐罐壁板的必須要有的預制加 工工序之一。
[0009] 以目前某經(jīng)典的16萬立方米圓筒形預應力混凝土 LNG儲罐設計為例，其內(nèi)罐罐壁 周長為252米，內(nèi)罐壁鋼板材質(zhì)均為GB150中的9Ni鋼，牌號為06Ni9DR，按熱處理工藝區(qū)分 可分為"淬火+回火"型和"正火+回火"型兩種；總高36. 12米的罐壁由12層鋼板焊接而 成，每層罐壁鋼板的長度和寬度都是相同的，即都是由22張3. 01米寬X 11. 45米長的鋼板 焊接而成，但鋼板厚度則自上而下呈階梯狀增加，即下層鋼板的厚度總是大于或等于上一 層的厚度。
[0010] 該16萬立方米LNG儲罐內(nèi)罐罐壁用低溫韌性鋼板的具體設計如下表1。
[0011] 表 1
[0012]
[0013] 據(jù)此，可推算出：
[0014] 1)該16萬立方米LNG儲罐內(nèi)罐共需12X22 = 264張06Ni9DR鋼板，共計約（27+ 25+23+21+19+17+15+13+12+12+12+12) X2. 98X 11. 45X22X7. 85/1000 ~1228 噸；
[0015] 2)該16萬立方米LNG儲罐內(nèi)罐共需焊接總計22X252 = 2771米長的壁板間的環(huán) 形焊縫和12X22X2. 98 = 787米長的壁板間的縱向焊縫。
[0016] 目前，上述傳統(tǒng)的16萬立方米圓筒形預應力鋼筋混凝土 LNG儲罐已成為國內(nèi)LNG 儲罐的主流設計，現(xiàn)有設計技術已日趨成熟，且已開始納入相關國內(nèi)標準和規(guī)范的工作之 中。
[0017] 以16萬立方米圓筒形預應力混凝土 LNG儲罐為例，分析現(xiàn)有技術，其儲罐內(nèi)罐罐 壁的結構設計存在著以下不足：
[0018] ①雖然名稱為預應力混凝土儲罐，但上述LNG儲罐的真正核心還是耐低溫的鋼 質(zhì)內(nèi)罐，LNG儲罐建造的技術難點以及建造成本主要在內(nèi)罐上，因為其內(nèi)罐是直接接觸一 165°C的LNG液體。
[0019] 在內(nèi)儲罐裝滿LNG介質(zhì)后，內(nèi)罐罐壁上某一點的鋼板所承受的靜壓力反比于它的 高度，因此，每層鋼板上沿位置的承壓總是小于鋼板下沿位置的承壓。而且，每層的高度越 高，即鋼板越寬，鋼板的上沿和下沿所承受的靜壓力差就越大。顯然，單純從受力計算角度 上看，鋼板上沿的厚度完全可以小于下沿的厚度。然而事實上，現(xiàn)有的儲罐結構設計時， 罐壁鋼板的厚度都是根據(jù)其下沿位置所承受的靜壓力來計算的，也就是說，對于鋼板的上 沿，總有部分厚度是屬于"多余"的。而且，罐壁層高越高，即鋼板越寬，"多余"的厚度也越 多，產(chǎn)生的鋼材"浪費"就越嚴重。眾所周知，LNG儲罐內(nèi)罐壁所用的9Ni鋼板價格十分昂 貴。從減少鋼板使用量角度來講，罐壁的層高（也即鋼板寬度）越小越好。然而，罐壁的層 高越小，造成罐體建造時的環(huán)焊縫的總長也就越長。9Ni鋼配套焊接材料價格是鋼板價格的 數(shù)十倍，焊接成本同樣也是普通鋼板焊接成本的若干倍。從減少焊縫總長度角度考慮，鋼板 寬度則是越寬越好。顯然兩者間形成了一對矛盾。
[0020] 綜合平衡后，國內(nèi)目前常見的16萬立方米LNG儲罐的內(nèi)罐壁板寬度被設計為 3000mm 左右。
[0021] ②然而,3000mm這一板寬并非國內(nèi)主流寬厚板廠家的理想板寬。因為，目前主流寬 厚板軋機都為5米厚板軋機，實際最大成品寬度為4600~4800mm。因此對于3000mm的鋼 板寬度，上述5米厚板軋機的生產(chǎn)效率并不理想，只有4700mm寬度鋼板生產(chǎn)效率的75%左 右。
[0022] ③3000mm這一板寬同樣不利于焊接施工。如上所述，這樣一種16萬立方米LNG 儲罐的設計，共有約3560米長的總焊縫，其中，罐壁鋼板間的環(huán)形焊縫長約2770米，縱向焊 縫長約790米，環(huán)形焊縫的長度數(shù)倍于縱向焊縫的長度。對于LNG儲罐，目前壁板間的環(huán) 形焊縫通常采用埋弧橫焊或手工焊條電弧焊，縱向焊縫和角焊縫則通常采用手工焊條電弧 焊。與15萬立方米原油儲罐焊接相比，埋弧橫焊、手工焊條電弧焊的焊接效率很低。顯然， 減少壁板間環(huán)形焊縫的長度就意味著可成倍地提高LNG儲罐內(nèi)罐罐壁的焊接效率。
[0023] ④鋼板都是以板寬作為罐壁的層高、以板長作為罐壁圓周上的一段弧長，因此，傳 統(tǒng)罐壁壁板都需要進行卷曲成型加工，其彎曲的曲率半徑就是罐壁圓周的半徑。壁板的卷 曲成型加工作為傳統(tǒng)儲罐罐壁板的預制加工工序之一，既增加了儲罐制造成本，也延長了 制造周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 本發(fā)明的目的在于提供一種大型液化天然氣儲罐內(nèi)罐壁9Ni鋼板及制造方法和 罐壁結構，在儲罐容量、安全性不受到任何損失的情況下，顯著減少內(nèi)罐罐壁鋼板的使用 量，減少壁板的預制加工工序，提高內(nèi)罐罐壁的焊接施工效率，而且，配套罐壁鋼板具有大 寬幅、厚度呈梯形漸變的特點，且該罐壁鋼板的鋼種為具有良好的-196°C低溫韌性、含有 9%左右Ni元素的9Ni鋼板，牌號如國標GB150中的06Ni9DR、歐標EN10028-4中的X7Ni9、 美標ASTM中的A553Type 1等，適用于容量在10萬立方米以上的大型LNG儲罐。
[0025] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是：
[0026] 大型液化天然氣儲罐內(nèi)罐壁用9Ni鋼板，其特征是，鋼板在長度方向上一端厚、一 端薄，且其板厚在全部或部分長度區(qū)段內(nèi)呈線性增加或減小，鋼板的板寬W與板長L是恒定 的；鋼板的厚度是沿長度方向漸變的，漸變的斜率是全長恒定的或是分段恒定的；其中，最 厚端的板厚Tb與最薄端的板厚Ta之比不大于2 ;L1、L2…分別為離開鋼板薄端部的不同距 離，在該距離上，鋼板的厚度分別為T1、T2···，其余類推；在0~L1、L1~L2...長度區(qū)間范 圍內(nèi)板厚呈線性增加或減小，且增加或減小的斜率在該長度區(qū)間內(nèi)是恒定的。
[0027] 本發(fā)明大型液化天然氣儲罐內(nèi)罐壁用鋼板的儲罐內(nèi)罐，該儲罐內(nèi)罐結構為多邊形 筒體結構，采用至少一層差厚鋼板焊接而成，差厚鋼板以其板長為高、以其板寬為多邊形之 一段邊長焊接成為一層差厚板層；差厚鋼板的厚度自上而下呈線性地增加，即其垂直剖面 的幾何形狀為梯形。
[0028] 進一步，當差厚板層超過二層時，差厚板層與差厚板層之間有等厚板層作為過渡， 等厚板層以板寬為高、以板長為多邊形之邊焊接而成；各層罐壁鋼板的焊縫上下