1、0 引言近年来，油气行业飞速发展，这不仅带来了经济增长，便利了人们的生活，但同时也带来了日趋严重的环境问题。目前，中国已承诺将在 2035 年实现“碳中和”，2060 年实现“碳达峰”，这势必会导致天然气的竞争环境发生变化1-2。但是作为最清洁的化石能源，天然气仍是重要的能源转型桥梁。天然气开采之后，主要通过天然气管道、LNG管道以及浮式 LNG 运输装置 3 种方式输送至终端用户，而天然气和 LNG 管道运输又分为陆地和海底管道。其中陆地管道运输将会在沿线设置压气站、清管摘 要 天然气是清洁化石能源，也是中国实现大气污染治理的重要能源转型桥梁。天然气有多种运输方式，其中船用C型LNG液舱是海
2、上浮式运输的重要设备，压力容器是陆上管道运输流程中站场的重要设备。从结构形式、执行规范、材料选择、低温绝热形式以及鞍座形式等方面对二者的异同进行简要对比分析，为实际工程中相关的设计提供参考。关键词 天然气 LNG C型罐 压力容器中图分类号 TE 88 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.04.013Brief Analysis of the Differences and Similarities between Marine Type C LNG Tanks and Pressure Vessels Commonly Used in Gas Transm
3、ission StationsSHEN Qi WANG Ying WANG Zilong GAO Feng NIU HaizhongAbstract:Natural gas was a clean fossil energy and an important energy transformation bridge for China to achieve air pollution control.There were various modes of transportation of natural gas,among which the marine C-type LNG tank w
4、as an important equipment for offshore floating transportation,and the pressure vessel was an important equipment for the station in the onshore pipeline transportation process.A brief comparative analysis was made of the similarities and differences between the two in terms of structural form,execu
5、tive specifications,material selection,low-temperature insulation form,and saddle form,providing reference for relevant design in practical projects.Key words:Natural gas;LNG;Type C tank;Pressure vessel申 奇*1 王 莹2 王子龙1 高 枫1 牛海仲1（1.中国石油天然气管道工程有限公司 2.国家管网集团北方管道公司廊坊输油气分公司）浅析船用C型LNG液舱与输气站场常用压力容器的异同*申奇，男，
6、1989年生，硕士研究生，工程师。廊坊市，065600压力容器49化工装备技术第 44 卷第 2 期 2023 年 4 月第 44 卷第 2 期化工装备技术50站、分输站等，包括计量、调压、过滤、排污等功能，涉及到过滤分离器、旋风分离器、排污罐等压力容器设备。浮式 LNG 运输装置主要包括 FLNG、FSRU 等，其功能有一定差别，但均设置 LNG 液舱。LNG 液舱根据结构形式可以分为薄膜型和独立型，独立型又分为 A 型、B 型、C 型，其中 C 型 LNG 液舱（以下称为“C 型罐”）因建造成本低、周期短而被广泛应用。同样作为天然气输送流程中的设备，输气站场压力容器和 C 型罐（本文仅讨论
7、单体形式）结构形式类似，但也有部分差异。本文主要针对二者在设计中的几点异同进行了简要分析。1 输气站场压力容器与C型罐的异同分析1.1 结构形式目前输气站场常见的过滤分离器、排污罐等压力容器一般为卧式圆筒形结构，并根据不同的功能设置内构件。卧式过滤分离器主要功能是通过筒体内的滤芯来分离天然气中的固体颗粒、粉尘和液滴，保证下游管道、设备和仪表正常运行；卧式排污罐的主要功能是收集站场中分离、清管等流程产生的残液、污油等。从外观上看，C 型罐同样是卧式圆筒形结构，同时设置内构件，但其主要用于海上浮式装置储存LNG，保证 LNG 能够顺利运往接收站以及下游用户。从经济性的角度考虑，C 型罐通常需要储存
8、几千、甚至上万立方米的 LNG，因此尺寸与输气站场压力容器相比大很多，详见图 1 和图 2。图 1 输气管道站场卧式排污罐 图 2 船用C型LNG液舱虽然尺寸相去甚远，但从结构形式来看，C 型罐与输气站场常用压力容器仍存在诸多相似点，尤其是卧式排污罐。主要相似点如下：（1）二者均为卧式圆筒形结构；（2）圆筒两侧均焊有封头；（3）二者均通过鞍式支座固定；（4）均需要设置检修人孔和爬梯；（5）如果排污罐为埋地形式，则筒体内部均设置加强筋结构；（6）除埋地排污罐为常压设计，其余输气站场压力容器与 C 型罐均为带压设计。当然，二者在结构形式上虽然相似，但也不是完全一致：（1）C 型罐内部设置有制荡舱壁
9、3-4，为了降低浮式 LNG 装置在航行过程中使液体剧烈晃动产生的冲击力，而压力容器内部则不需要设置此类装置；（2）压力容器上的工艺接管、人孔等开孔通常在筒体上方，而 C 型罐通常在上方设置气室，除人孔和集液槽外的主要工艺接管均在气室上开孔；（3）二者虽均通过鞍式支座进行固定，但压力容器通常采用标准型式的鞍座，符合 NB/T 470652018容器支座标准的相关要求；而C型罐由于尺寸和重量的特殊性，无法选用标准型式鞍座。1.2 执行规范输气管道站场压力容器目前在国内主要执行的设计制造规范是 GB/T 1502011压力容器，同时受 TSG 212016固定式压力容器安全技术监察规程的监察。C
10、型罐虽结构形式与压力容器类似，同时也是带压设计，但由于它主要用于船舶运输中，因此不适用于 GB 1502011 和 TSG 212016 标准。根据国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）决议通过的国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则（IGC 规则）及其修正案的技术要求，中国船级社（CCS）制定了散装运输液化气体船舶构造与设备规范，规定了船用独立 LNG 液舱的相关技术要求，其中就包括 C 型独立液舱，即 C 型罐。因此 C型罐目前在国内的设计制造等相关要求主要执行散装运输液化气体船舶构造与设备规范。两个规范的体系不同，但是由于压力容器和 C型罐有一定的相似性，因此规范中部分技术要求的
11、规定也有相似之处，例如筒体和封头壁厚的计算方法：根据 GB150.32011 标准要求，内压圆筒的计算厚度 按式（1）计算，椭圆形封头 h的计算厚度可按式（2）计算：（1）（2）式中：pc容器设计压力，MPa；2023 年 4 月51 Di筒体内径，mm；设计温度下材料的许用应力，MPa；K 形状系数；焊接有效系数。而根据散装运输液化气体船舶构造与设备规范的规定，C 型罐的圆柱壳体及球形封头的板厚 t应分别满足式（3）和式（4）要求5：（3）（4）式中：peqC型罐内部压力，MPa；DiC 型罐内径，mm；材料许用膜应力，MPa；C腐蚀余量，mm；y 形状系数；焊接有效系数。式（1）和式（2）
12、规定的是内压容器筒体和封头的计算壁厚计算方法，GB1502011 标准规定筒体的名义厚度还需要考虑腐蚀余量等厚度附加值，并圆整之后最终得出。而散装运输液化气体船舶构造与设备规范中没有明确规定“名义厚度”的定义，因此在式（3）和式（4）中直接考虑了腐蚀余量 C，并规定厚度 t 不小于计算值，实际上与 GB/T 1502011标准的要求基本一致。由上述可知，GB/T 1502011 标准和散装运输液化气体船舶构造与设备规范中对筒体及封头壁厚计算方法的要求类似，除了后者对 C 型罐壁厚有额外的最小厚度 tmin要求：（5）此外，2 本规范在开孔补强、焊接接头型式等方面也有类似的要求。除上述相似点之外
13、，2 本规范在某些技术要求上也有较大的区别，例如设计压力确定的计算方法：GB/T 1502011 标准规定的压力容器筒体及封头壁厚计算公式中设计压力 pc，指的是设定的容器顶部的最高压力。压力容器设计压力的确定与容器的工作压力和安全阀整定压力有关。根据 GB/T 150.12011 标准中 B4.7 条规定，容器的设计压力确定步骤为：（1）根据容器的工作压力 pw，确定安全阀整定压力 pz，一般取 pz=（1.051.1）pw；当 pz 0.18 MPa 时，可适当提高 pz相对于 pw的比值。（2）取容器的设计压力 pc等于或稍大于安全阀整定压力 pz，即 pc pz。而散装运输液化气体船舶
14、构造与设备规范规定的 C 型罐筒体及封头壁厚计算公式中内部压力 peq，指的是计算蒸汽压力 p0与为由重力及动力加速度引起的液体内部压力 pgd（即液体晃荡压力）之和，即 6。计算蒸汽压力为 p0计算方法为：（6）（7）式中：材料许用膜应力，MPa；许用动态膜应力（双振幅，概率水平为Q=10-8），且等于55 MPa（铁素体（珠光体）/马氏体和奥氏体钢），或25 MPa 铝合金（5038-O）；C液舱的尺寸特性，取 Max（h，0.75b，0.45l）；h液舱高度（沿船舶的垂向量取），m；b液舱宽度（沿船舶的横向量取），m；l液舱长度（沿船舶的纵向量取），m；设计温度下货物的相对密度（淡水=1
15、）。液体晃荡压力 pgd计算方法为：（8）式中：在任意的 方向上由重力和动载荷引起的无因次加速度（即相对于重力加速度）；设计温度时的货物最大密度，kg/m3；从所决定的压力点沿方向向上量至液舱壳板的最大液柱高度，m。由上述不难看出，GB/T 1502011 标准规定的压力容设计压力 pc和散装运输液化气体船舶构造与设备规范规定的 C 型罐内部压力 peq的计算方法有较大区别，主要原因是：输气站场压力容器内部压力通常是由上游相接管道内的压力引起的，而 C型罐内部压力主要是由其内部储存的 LNG 气化产生的压力以及海上浮式装置航行时使罐内储液晃荡对 C型罐产生的压力。1.3 材料选择输气站场的操作
16、介质通常为天然气或污水、污油等，操作温度不涉及低温，因此压力容器的材料一般选用碳钢钢板或锻件。即使环境温度低于-20 申奇，等：浅析船用C型LNG液舱与输气站场常用压力容器的异同第 44 卷第 2 期化工装备技术52，也可选用低温碳钢钢板或锻件。而 C 型罐的储存介质为 LNG，即低温液化后的天然气，温度可以低至-161.5 以下，因此普通的碳钢材料无法在该深冷工况下使用。镍在钢中的作用主要是强化铁素体基体，降低钢的临界点，抑制粗大的先析出相铁素体，降低脆性转变温度，改善钢的低温韧性和焊接性能，因此目前镍系低温钢被广泛应用于深冷领域，其中 9%镍钢应用最为广泛。这类钢安全可靠性强，并广泛用于制作液氧储罐，焊接前不需要预热，焊后不需热处理来消除残余应力，制造工艺简便，质量稳定。目前在 LNG 低温储罐选材中，除 9%镍钢之外，304L 不锈钢也是较为常用的一种材质。两种材质均可在深冷工况下使用，但 304L 不锈钢的强度相比 9%镍钢低 40%左右，因此采用 304L 不锈钢的 LNG 液舱将比采用 9%镍钢的 LNG 液舱的质量大很多，这对于浮式 LNG 装置在海上的运输和操作存在不利