液化天然氣儲罐底部泄漏的途徑.docx

1、液化天然氣儲罐底部泄漏的途徑Z.MEBATLACDS研究有限公司，套房 100,565-l 7 號街，西溫哥華，公元前 V7V 3S9 (加拿大)(于1989年12月1日收到 ；1990年3月5日接受修訂) 摘要LNG儲罐底部泄漏的難點(diǎn)往往在于確定其位置、泄漏的類型及原因。這是由于缺乏相應(yīng)的輔助設(shè)施和專業(yè)儀器儀表所造成的。出于安全方面的考慮，有時(shí)必須修復(fù)儲罐泄漏和進(jìn)行被認(rèn)證的恰當(dāng)?shù)臋z修。本文主要討論儲罐修理所面臨的材料、人力和程序的實(shí)際問題。            

2、                                                  

3、                 簡介 按照API 620附錄Q1蒸氣壓力，大型液化天然氣 (LNG) 儲罐壓力通常設(shè)計(jì)為6.9kPa。承載LNG的主容器，應(yīng)適用于液體的溫度，外部包圍足夠的保溫材料以維持符合設(shè)計(jì)規(guī)范的汽化率。外罐用碳鋼制造可以保持絕熱狀態(tài)和提供防氣層將蒸汽引導(dǎo)至支撐面板。外筒和上封頭都與環(huán)境直接接觸。安裝在外罐底部的加熱系統(tǒng)保持約4的溫度，以防止霜凍線穿透儲罐基礎(chǔ)。自然通風(fēng)的架空基礎(chǔ)板在設(shè)計(jì)上滿足相同的目的。

4、碳鋼外罐底部的故障會導(dǎo)致汽化氣體的釋放。蒸汽從儲罐的圓頂空間，沿環(huán)形路徑，向泄漏點(diǎn)散發(fā)，直至儲罐承臺。圖1說明了本文所述的儲罐設(shè)計(jì)。主容器底部的故障導(dǎo)致液化天然氣泄漏進(jìn)入外罐底部的隔熱層中。根據(jù)泄漏的情況，當(dāng)外罐底部與-161的低溫液體直接接觸時(shí)，可能會發(fā)生破裂而導(dǎo)致液化天然氣釋放到儲罐基礎(chǔ)中。通常情況下，LNG罐底的泄漏會導(dǎo)致底座的溫度讀數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)碳鋼外罐底部破裂時(shí)，一般會在外罐基礎(chǔ)發(fā)生氣體泄漏。 圖1. 48,000 m3 LNG儲罐的配置 液化天然氣儲罐的完善 自1944年俄亥俄州克利夫蘭市的3.5%Ni不銹鋼LNG儲罐發(fā)生第一個(gè)LNG儲罐的脆性斷裂事故

5、以來，LNG行業(yè)就不斷的努力以提高儲罐的安全性。就總體而言，內(nèi)罐的施工材料，如9 %Ni鋼，有十分不錯(cuò)的表現(xiàn)。一般情況下，LNG儲罐泄漏問題被提交后，根據(jù)問題的性質(zhì)，會進(jìn)行令人滿意的永久性修復(fù)或立即停止使用。在某些情況下，修理的信任級別并不被認(rèn)可，則建造新的儲罐。以阿聯(lián)酋DAS島上的兩個(gè)150000 m3LNG儲罐的為例。一個(gè)儲罐發(fā)生了底部穿透裂紋2。則替換具有雙完整性的儲罐，即內(nèi)罐和外罐均能夠容納低溫液體。內(nèi)部泵會進(jìn)一步消除儲罐液面以下的所有滲漏。近年來建成的LNG儲罐大多都具有雙完整性。 評估模型和低基礎(chǔ)溫度的原因 處理這類的問題的第一步是對儲罐問題所顯示的受影響的外觀

6、檢查，包括檢查易燃?xì)怏w，并進(jìn)行功能檢查以確保儀器上的正確的溫度讀數(shù)。然后，對問題進(jìn)行全面評價(jià)，以確定需要采取的措施：(a) 應(yīng)繼續(xù)密切觀察儲罐的正常運(yùn)作，在最終退役前是否需要進(jìn)行維修？(b) 最高標(biāo)準(zhǔn)操作應(yīng)該減少嗎？(c) 儲罐應(yīng)立即退役嗎？(d) 無需退役的儲罐可以維修嗎？每個(gè)泄漏問題要根據(jù)具體情況確定其自身的要求。對文中提到儲罐的而言，應(yīng)該在預(yù)定退役時(shí)限前進(jìn)行必要的修理。根據(jù)上述泄漏狀況并不能精確定位其泄漏點(diǎn)。但是，從圖2中所示的基礎(chǔ)溫度測量結(jié)果可知，故障僅限于底部區(qū)域的排放噴嘴?；谝韵赂黜?xiàng)，測量故障區(qū)域是為了解決可能的原因：(a) 如圖2和圖3所示，一個(gè)排放管口的焊接區(qū)域形成了一條裂縫

7、。(b) 內(nèi)罐基底的排放管口存在焊接缺陷。(c) 固定管口凹陷處的珍珠巖保溫材料。(d) 內(nèi)罐底板或搭接接頭產(chǎn)生裂縫。(e) 加熱系統(tǒng)故障或加熱不充分。(f) 因?yàn)榈蜏匾后w通過夾層泄漏到外罐底部，故可能會形成重端冷凝。回顧檢測操作過程，通過加熱系統(tǒng)的檢查、局部低溫讀數(shù)和外部觀察可知導(dǎo)致較低的溫度讀數(shù)的原因是(a)、(b)或(d)。 圖2. 外罐底部和基礎(chǔ)上的采樣點(diǎn)溫度讀數(shù)()內(nèi)罐基底的故障維修焊縫； () 儲罐入口下的泄漏位置。 圖3. 排放管口標(biāo)志截面視圖。 維修指南 經(jīng)過維修的LNG儲罐的重新認(rèn)證要有嚴(yán)格可控的維修規(guī)程：應(yīng)盡量減少對內(nèi)罐的修改。在修復(fù)

8、程序的每一步之前必須進(jìn)行徹底的檢查和評估，以消除不必要的工作。內(nèi)罐底部的入口和末端應(yīng)該嚴(yán)格的按照程序執(zhí)行包括：-標(biāo)記和標(biāo)識應(yīng)該遠(yuǎn)離每個(gè)元素。-記錄尺寸和方向。-為培訓(xùn)維修人員制作噴嘴凹陷模型包括所有的支撐和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。-確立焊接規(guī)程和有資格的焊工。應(yīng)對維修時(shí)的載荷和儲罐停用前的底板均布載荷進(jìn)行控制。 對使用中LNG儲罐的調(diào)查工作 LNG儲罐可正常使用約12年。之后在排放口儲罐基礎(chǔ)的熱電偶就會顯示低溫度讀數(shù)。溫度降低至-79。外部樣本溫度記錄如圖2所示，沒有任何跡象表明該儲罐出現(xiàn)故障。對儲罐外部環(huán)墻式基礎(chǔ)和加熱系統(tǒng)出入口的檢測表明沒有易燃性氣體。雖然溫度讀數(shù)會在幾個(gè)月里發(fā)生各種

9、變化，但是沒有能夠改變相關(guān)罐內(nèi)液壓和蒸氣壓力的顯著變化。在所有熱電偶測試中表明無故障。 圖 4. 基礎(chǔ)調(diào)查。因?yàn)闆]有任何外部的結(jié)冰、冷凝或其他泄漏癥狀，故決定進(jìn)行以下項(xiàng)目。(a) 外層筒壁有一個(gè)超過90%的深度的直徑為25mm的孔，如圖4所示深度增加會導(dǎo)致溫度的降低。在1.10m深度時(shí)溫度為-2.5(b) 因?yàn)橥馔脖诒讳摻钿摪寮訌?qiáng)，在外筒壁上停止鉆孔并且挖掘1m深、1m寬的槽。儲罐基礎(chǔ)，由一層珠光砂組成，發(fā)現(xiàn)其被凍結(jié)在筒壁上，卻沒有任何游離冰形成的跡象或其他的凍脹的痕跡。槽被終止于距外筒殼大約2.4 m處，如圖4所示。能發(fā)現(xiàn)外部暴露的加熱管道完全被腐蝕。沒有任何易燃?xì)怏w暗示外罐底部的

10、破壞。基礎(chǔ)中鉆入0.90 m的深孔，在槽的最遠(yuǎn)點(diǎn)，在罐底低于0.50 m處顯示溫度為-5.5。在深孔中安裝一個(gè)熱電偶，以便在儲罐預(yù)熱期間監(jiān)測基礎(chǔ)溫度?？變?nèi)暫時(shí)被回填。修繕范圍的確定 由于儲罐退役前不能確定問題的確切原因，則在采購材料和制造模具時(shí)都應(yīng)基于最壞的情況，即其中一個(gè)排放管已失效。在儲罐退役后核心轉(zhuǎn)換需要的材料、設(shè)備和維修規(guī)程仍可用。排放管口故障的假設(shè)意味著大量的修理工作，具體要求如下：(a) 如圖3所示移除內(nèi)罐受影響區(qū)上的底板以便直接對排放管入口進(jìn)行處理。(b) 移除排放管上部的混凝土厚板。(c) 清理管口周圍的泡沫玻璃纖維和珍珠巖保溫材料。(d) 去除故障管口周圍的鋼筋支撐

11、，以便維修或更換。(e) 對于在泄漏點(diǎn)區(qū)域的偶然凍脹損壞或外罐底部的過度熱應(yīng)力，直接作出如下規(guī)定：去除外罐底部處的混凝土板進(jìn)行檢查。去除破裂的外罐底板。(f) 提供足夠的泡沫玻璃纖維更換在外罐底部失效的管口延伸段周圍。(g) 進(jìn)行必要的維修和測試，直至外罐底部區(qū)域還原到其原始狀態(tài)。(h) 在罐內(nèi)進(jìn)行有計(jì)劃的檢查和維修活動導(dǎo)致選擇外側(cè)的開放，允許出口和入口的材料和模具尺寸超過低人孔的直徑。進(jìn)入端口可定位和調(diào)整大小，但需遠(yuǎn)離內(nèi)膽和外殼上任何對接焊縫至少一英尺。此外，還應(yīng)遠(yuǎn)離外殼到基底間焊縫的高應(yīng)力區(qū)，計(jì)劃中的第二步是對內(nèi)殼的打開。這導(dǎo)致要為內(nèi)殼和外殼更換底板訂立規(guī)則。 儲罐入口的檢查&#

12、160;9 %Ni鋼中的誘發(fā)型殘留磁性材料的焊接較困難。因此，禁止對磁性粒子進(jìn)行無損檢測。磁性設(shè)備也不允許安裝在罐內(nèi)。無損檢測技術(shù)被用于真空設(shè)備、液體滲透和肥皂檢漏測試。因?yàn)閱栴}區(qū)域有較清楚的定義，幾乎可以立即確定真空設(shè)備中的泄漏點(diǎn)：對大約直徑25 mm的焊接維修，能發(fā)現(xiàn)基底板上問題的原因。在受影響區(qū)域的無損檢測顯示，沒有重大缺陷或故障。在相同的最大的液位下排放管的內(nèi)部檢查包括與液體滲透和壓力測試。則任何零散的缺陷都會被發(fā)現(xiàn)。由于泄漏點(diǎn)的位置在外觀底部，故沒有必要對內(nèi)罐底板進(jìn)行操作，或使用材料和工具打開內(nèi)罐側(cè)面。通過下面的檢視孔可操作儲罐入口。對全部內(nèi)罐底板和兩個(gè)下面的檢視孔的檢查后沒有找到任

13、何穿透裂紋。然而，整個(gè)外罐底部的極度低溫的異常讀數(shù)仍是一個(gè)遺留問題。事實(shí)上被凍結(jié)的底層位置可能會阻礙泄漏氣體的溢出。儲罐停止使用后，底部存在易燃?xì)怏w，因此針對易燃?xì)怏w的測試不是一個(gè)有效的測試。對于外罐底部泄漏可能性的測試, 儲罐下面的槽一直延伸超過了泄漏點(diǎn)如圖 4所示。清除珠光砂和外罐底部之下的隔離襯底，并且對底部進(jìn)行噴砂處理。染料滲透劑、 肥皂測漏試驗(yàn)和目視檢查，未顯示任何缺陷。故這個(gè)底板并沒有被腐蝕。 關(guān)于焊縫缺陷的討論 泄漏是由于在排放管口與內(nèi)殼之間的金屬底板在修理時(shí)未焊透。從金屬底板的高應(yīng)力區(qū)到殼體焊接接頭的距離較遠(yuǎn)。由經(jīng)過正火和調(diào)制雙重處理的9%Ni鋼制造的2.2

14、8m×63mm厚金屬板。如圖5所示，裂縫被限制在焊縫填充金屬的外圍。在正常工作的第一個(gè)12年中，低溫問題并不明顯，表明裂縫在12之后才徹底的發(fā)展。對程斜角的金屬板表面進(jìn)行優(yōu)先焊接修理被認(rèn)為是隨著液體壓差的增加而導(dǎo)致裂縫逐漸封閉，因此應(yīng)盡量減少靜壓頭對泄漏率的影響。從而，隨著日益增加的LNG技術(shù)溫度變化并未被檢測到。而且，泄漏點(diǎn)也遠(yuǎn)離了混凝土厚板之上的焊接接頭和管口凹陷處之下的筋板，導(dǎo)致少量的LNG泄漏平均分布在很大的區(qū)域上。這種狀況可能會被認(rèn)為外罐底板并沒有被破壞。 圖 5. 里面-儲罐的焊接維修漏行的視圖。外罐底部夾層的回填 在密閉的夾層空間內(nèi)不允許進(jìn)行壓縮回填

15、。在滿足以下條件時(shí)，多段的，雙層堆積的混凝土回填法可被使用：(a) 不能顯著改變原來的支撐強(qiáng)度。這就可以防止在原基礎(chǔ)上產(chǎn)生弱或強(qiáng)的力集中點(diǎn)。(b) 不能在回填物料與現(xiàn)有的基底間產(chǎn)生與之相關(guān)的局部沉降，從而防止空隙形成。(c) 回填不能將任何載荷轉(zhuǎn)移到加熱元件上。(d) 加熱元件周圍的回填物料的熱導(dǎo)率必須盡可能與已填充的珠光砂相近。(e) 回填物料必須有較小的的可壓縮率。除了以上所述，需恢復(fù)覆蓋在外罐底部暴露區(qū)域上的防水墊。 安全注意事項(xiàng) 使用未退役的儲罐要有合格的安全措施，特別是在大氣條件下要求有特別的安全措施。盡管LNG儲罐清理原則已被充分的確立3，4，但仍發(fā)生了一些重大

16、事故。當(dāng)放寬或不遵守安全檢查時(shí)，導(dǎo)致幾乎所有儲罐事故的都在開始使用的幾個(gè)星期后發(fā)生。1973年2月19日5 紐約史坦頓島的LNG儲罐爆炸就是這類事故的證明。本文所述的LNG儲罐，大量的安全規(guī)范被用于儲罐的內(nèi)部和外部，以及夾層。本文不再對這些規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，規(guī)范中相關(guān)內(nèi)容提到在使用液氮對儲罐夾層進(jìn)行清理時(shí)會引起窒息風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)項(xiàng)目中，在更換加熱元件期間，大量的水被引入導(dǎo)管。在安裝任何加熱元件之前，要使用氮對管道進(jìn)行清理。因?yàn)榧訜峁苡捎诟g而穿孔，則需要用干燥的儀器替換氮清理時(shí)夾層上部通風(fēng)。已經(jīng)停止使用的儲罐要完全從所有的操作進(jìn)程中脫離。 結(jié)論 雖然9 %Ni鋼在LNG的

17、溫度下有良好的沖擊韌性，但本報(bào)告所述的問題更強(qiáng)調(diào)對板材、 維修及現(xiàn)場裝配執(zhí)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)查工作可以消除伴隨內(nèi)部控制的儲罐底部泄漏的不必要干擾。這種方法能讓儲罐重新投入使用的成本減至最低限度，也能盡量消除那些昂貴且占用大量時(shí)間的證明試驗(yàn)。 引用1. Recommended Rules for Design and Construction of Large Welded, Low Pressure Storage Tanks, API Standard 620, Appendix Q, 7th edn., 1982, American Petroleum Institute.2. R. Vielvoye, The Troublesome LNG Tank on Das Island, Oil Gas J., 77 (1979) 107-113.3. Purging Principles and Practice, American Gas Association, Arlington, VA, 1975.4. P.E. Duus, G.E. Riley and I.V. La Fave, The DecommissioNing,