CN1100231C - 液化气储罐 - Google Patents

Abstract

一种在陆地上或地基结构(GBS)上用于储存液化气的大型箱状多边形储罐，以及建造这种储罐的方法。该储罐包括一个桁杆支撑的内部刚性构架，并在刚架上设有蒙皮以盛容储罐所要储存的液体。所说桁杆支撑的内部刚性构架使得储罐的内部保持整体连通，从而补偿了由所储存液体的涌晃作用产生的动态载荷，而液体的涌晃又是由于地动或其它地动的短周期激振引起的。

Description

液化气储罐

本发明涉及液化气储存罐，并在某一个方面着重涉及适于在地震高发地区以低温常压条件储存低温液化气(例如液化天然气LNG)的一种储罐。

液化天然气(LNG)通常储存在双层壁结构的储罐或容器中。内层罐体作为液化天然气(LNG)的第一级盛容体，而外层壳体则用于将绝热材料固定在正确的位置上，并保护内层罐体和保温材料免受环境的不利影响。通常外层罐体在内层罐体失效的情况下在设计上往往也可作为LNG及其挥发蒸汽的第二级盛容体。目前尽管容积高达200000立方米的储罐已经建成或正在建造中，在进气库站和输气库站的岸上储罐的容积一般在50000立方米到100000立方米之间。

在海岸区域，用来储存LNG的储罐普遍采用了两种截然不同结构。其中一种结构包括一个向上直立的平底圆柱形罐体，该罐体一般用含镍9％的钢制造内层罐，并用碳钢、9％的镍钢或钢筋/预应力混凝土来制造外层壳体。第二种罐体是隔板型的结构，在这样的结构中，在一个圆柱形的混凝土建筑中设置了一块薄的(例如1.2mm厚)金属隔板，而混凝土建筑又被建在地表上或地表下。在不锈钢或镍铁的隔板和承受载荷的混凝土圆桶壁及水平地板间设置一层保温材料。

最近，关于LPG库站尤其是进气库站的建造提出了许多有根本变化的提议。其中的一条建议涉及在近海大陆架海域上建设库站，在这样的库站上，LNG在其通过管道被输送到岸上进行销售或使用之前，将在此进行从运输船上卸下、储存、泵取和重新气化的一系列处理过程。这种类型的库站较有前景希望的一种设计可能是将LNG储罐及再气化设备安装在一个重力沉底的箱形驳船状基础结构(GBS)上，该基础结构类似于现在在墨西哥湾中作为海上采油平台使用的固定式混凝土重力式海床落座结构。

但遗憾的是，无论是圆桶形的储罐还是隔板型的储罐在GBS库站上用来储存LNG方面都不被特别看好。圆桶形的储罐相对于它所储存的LNG容积而言，占据了GBS上太大的空间，并且在GBS上建造这种储罐是困难的，成本也很高。此外，这种气罐的尺寸必须限制在一定范围内(例如50000立方米)，以使得GBS结构可用容易获得的制造手段比较经济地建造出来。这样为了满足某一特定的储存要求，就必须具有多组储存单元。但这样做从成本和操作安全性的角度考虑都是不希望的。

而在另一方面，由于隔板型储罐系统可被建造在GBS的内部，从而可提供相对较大的储存容积。但是，建造一个隔板型的气罐却需要依次顺序的构建流程，在这一流程中，在可将保温材料和隔板件安装在GBS外部建筑内的空腔中之前，外部结构必须被完全建造完备。这一般需要一个更长的建设周期，而这就会大大增加成本。此外，由于隔板型储罐是按照一种被称为“经验设计”的思路进行设计的，在这种设计模式下，对某一储罐的理想工作性能和其安全性的保证是建立在以往设计经验和实验室研究的基础上，而不是建立在通过理论分析和定量化研究所获得的严格论证基础上。在需要新的形状或尺寸的储罐时，或当遇到了不同的环境状况和/或其它的地震载荷条件时，隔板型储罐在所储存的LNG液面变化时的工作可靠性是很难得到保证的。

从而，近海LNG储存站需要一种克服了上述圆桶形储罐和隔板型储罐缺点的储罐系统。这种储罐是多边形的箱状结构，它可安装在钢制或混凝土制GBS的内部空间中，并可在低温条件下储存大容量的LNG(例如100000立方米或更多体积)。这种罐体应当在可能遇到地表脉动(如地震)的地区不管LNG的液面是多高都能安全地工作，其中所说的地动可能引起液体的涌晃，并在罐体内产生相应的动态载荷。

类似的多边形箱状储罐已经被应用在远洋运输船上进行储存LNG。例如被广泛称作为“海螺”(Conch)的储罐(例如可见美国专利2982441号)，这种储罐由9％的镍钢或铝合金建造出来。在上述提及的专利提出的最初的设计中，储罐由是六块板件构建成的(也就是四个侧面、顶板或上板以及罐体的底面地板)，这些板件只用水平的梁、加强杆或类似的元件进行补强或加固。根据发明者的设计，特意省去了垂直方向的加强，以消除或降低热应力，其中热应力是由于LNG在罐体中液面变化而在垂直方向出现的温度梯度而产生的。

在“海螺”(Conch)储罐中，在侧壁垂直接合面的交角处设置了水平的约束杆以加强交角处的强度，和/或以约束杆作为相对侧板间的连接以减小壁板的变形。尽管如此，如上述提到的专利中的实施例那样，仍是水平加强的壁板和二维补强了的地板和顶板提供了罐体基本的结构强度和刚度。最初按照这样的构思建造的储罐据报道其容积低于10000立方米。

当Conch型的设计(如2982441号专利所展示的那样)被延用到更大的储罐时，就呈现了类似图1那样的设计(即现有已知的由日本东京IHI公司研制的棱形储罐)。在考虑了由于LNG液面改变而产生的温度梯度的问题，现代的材料和设计方法并不限制设置垂直的加强筋。从而，图中所示的棱状储罐包括由水平和垂直梁/加强筋进行补强的侧壁板。但即使对于23500立方米的小尺寸罐体，为了在工程建造和工作应用中达到理想的强度和刚度，Conch储罐也必须用中等程度加强的板状隔墙和隔板，这一点可从IHI储罐在每个长度和宽度方向都设置一个垂直的隔墙来看出。这种类型的设计被认为只适用于具有相对较小容量的储罐。

如根据现有技术设计一个适用于现代库站的更大容量储罐则需要更多的隔墙来支撑罐顶建筑和提供工作使用中所需的结构强度和刚性(例如见图2)。因而，一个典型的大容量储存气罐实际上可被看作包括多个排列在一起的较小型Conch储罐，在这样的气罐中，相邻罐室间的共同侧壁就成为了总的储存系统在整个储存容积内的水平和横断方向的隔墙。

对于在轮船和其它运输船上的应用场合，储罐内的隔墙不但对相对较大的储存罐提供了强度和刚性，还减少了由于罐内的LNG液体的任何涌晃而作用在罐体上的动载荷，其中LNG的涌晃是由漂浮船体在运输中的运动而引起的。由于船体在风浪作用下的振荡所引起的动力学激振具有相对较长的周期(例如6-12秒)。而由罐体内隔墙而引起的舱内液体涌晃的固有周期相对较短，从而避免了共振的发生和涌晃载荷的增强。尽管隔墙结构使得这样的罐体适合于LNG的海上运输，在应用到岸上或底板沉底型储存站(如GBS)时，它还是存在某些缺点，主要是因为在这些环境条件下，由地动(如地震等)引起的动力学激振具有非常短的周期(例如1/2秒到1秒)。

由于在小而有限空间内的涌晃波的固有周期和由地动引起的一阶“短”激励周期靠近，由储存罐中的隔墙形成的尺寸较小的各个隔仓，在由地动而在储罐中激起液体涌晃时就成为非常有害的。从而，希望陆基LNG罐体或安装在GBS上的罐体的储存空间是长而不隔断的，其中的GBS则落座在海床上。这是因为这样的开通空间有助于减小当产生任何地动时较短的激励周期所引起的动态载荷。此外，通常由隔墙在罐体内造成的大量隔间将需要多套低温冷却泵和用于注满和抽空罐体的处理系统，以及经顶板的多个穿孔和连接管，而这相应地不但增加了通常在储存和处理LNG时所涉及的安全风险，还使投资增加、运行成本提高。

本发明提供一种用于储存液化气的大型箱状多边形储罐以及用于构建这种储罐的方法。这种储罐尤其适合于使用在陆地上或与例如重力沉底结构(GBS)的底板支撑式海上构架相结合。此处使用的“箱状储罐”一词是指代具有两个端壁、侧壁、一个顶板和一个底板的多边形储罐。该储罐基本上包括(a)一个内部二维桁梁刚架结构，即在铅垂面内的多组桁架，它们沿纵长方向(即沿长度方向)和横断方向(即宽度方向)交叉排列设置；以及(b)一个蒙皮，密封地包住刚架结构，以在罐体内盛容所要储存的液体。

所说的内部桁梁刚架包括一系列垂直延伸的支撑件和水平延伸的支撑件，将这些杆件各自的端头连接就形成一个箱状的刚架，而在刚架内又固定了一些管状和非管状的梁、支柱、支架等元件来进一步增加刚架的沿长度和宽度方向的强度和刚度。将一系列刚化或未经刚化的板件(例如9％的镍钢、铝材或铝合金等)固定在箱状刚架的外部来形成罐体的蒙皮。

如同在桥梁和其它民用建筑上使用桁架那样，通过对臂梁、支柱、支架排列关系的不同设计可使一个桁梁刚架达到所需的强度和刚度。为了实现本发明的储罐，桁梁刚架的结构在纵向方向和横向方向上可能是不相同的，甚至是不相似的。在这两个方向的桁架在设计上更偏重于提供抵抗由地动引起的总的动力载荷所需的特定强度和刚度，以及支撑巨大的顶板建筑和承受由于无法避免的底板不平而产生载荷的要求。在本发明的最佳实施例中，只在横向上设置内部桁架，而不在纵向上设置任何支杆就能适于中等强度的地动区域。

更具体来讲，本发明最佳实施例中的大型箱状多边形储罐包括两个基本相同的端部和零个、一个或多个中间部分。所有的中间部分基本上具有相同的结构，每个中间部分都有一个刚性构架，而该刚架又由至少两个垂直延伸的支撑件和至少两个水平延伸的支撑件构成，这些支撑件各自的端部相互连接。其它的臂梁、支柱、支架等元件固定在所说的刚架上，以进一步增加刚架的强度和刚性。当各个部分被组装在一起时，将一系列板件固定在所说刚架的外部，它们形成了所说罐体的蒙皮或包容壁。

通过使用箱状的内部桁梁刚架作为罐体的主要支撑架，储罐的内部实质上全部处于连通状态，而没有任何由隔墙或类似部件形成的隔挡。这就使得本发明罐体的较长内腔在地动引起的涌晃动态载荷作用下避免发生共振，这样的动态载荷基本不同于由于航海船只的运动而发生的动载荷，而是与此相反。

参照附图可对本发明的实际工作结构和显见的优点有更好的理解，附图并不需要按比例标定，在图中相同的数字指代类似的部件，图中：

图1简略表示了根据现有技术设计目前使用的典型LNG储罐的部分剖开轴测视图；

图2是根据现有技术的一种扩展而设计的适于应用在现代库站上的大型储罐的轴测视图；

图3是根据本发明最佳实施方式的一种LNG储罐端头部分的透视图；

图4是本发明最佳实施例中的中间部分的轴测视图；

图5是沿图4中的5-5线所作的剖面视图；

图6是沿图5中的6-6线所作的剖面视图；以及

图7表示根据本发明最佳实施例的组装好的储罐的部分剖开轴测视图。

更具体地参照附图，图1表示了一种现有技术中典型的多边形箱状储罐T，这种类型的储罐目前在LNG的运输过程中，被置于海运船的船壳H内部来储存LNG。该23500立方米的储罐被一对纵向隔墙LB和横向隔墙TB分隔成四个舱室。这样的储罐是由日本东京IHI公司设计的。图2表示了一个大型储罐10(是图1中的现有技术中的多边形储罐尺寸的五倍)，它可以用等同现有技术的基本原理进行设计建造。

基本上，储罐10包括侧壁11、12，端部板13、14(为了表示清楚将板14移去)、顶板或盖板15、以及底板16。由一系列在纵长方向间隔开的垂直板形成了横向垂直隔墙20，而纵向延伸的垂直板则形成了纵向隔墙21(在图2的设计中只表示了一块)。这些隔墙为储罐提供了海运过程中储存LNG所必需的强度和刚度。

侧板11、12分别通过一系列水平方向间隔开的垂直元件(例如钢制或铝质的T型刚性元件、加强肋等)17、18(为了清楚只有少数元件有数字标号)进行了增强或“刚化”，端部板13、14用类似的元件18进行补强，而顶板15由元件19进行补强。在各个加强元件17、18、19之间还可以设置一系列其它的元件(图中未示出)，以在各个元件的正交方向对这些加强元件进行增强，例如在垂直元件18之间可用多个竖向间隔开的水平元件来加强板件。

从储罐的底板到顶板跨越了储罐整个深度的隔墙20和21同样由一些水平间隔的竖向加强元件和竖向间隔的水平加强元件(为了清楚图中未示出)进行加强，如本领域技术人员了解的那样，一个罐体10的建造过程一般可能包括在将罐体各个部分组装在一起来形成箱状的储罐10之前，将支撑元件和/或刚性加强元件用焊接或其它的方式固定到它们各自的板形部分上的过程。

陆基或GBS的应用场合更需要具有更大容量(例如100000立方米或更多)的LNG储罐。例如在上文所述的现有技术的储罐设计中，使用隔墙被认为是达到如此巨大罐体的强度和刚度所必须的，尤其当储罐被应用在海运工作的条件下。简言之，现有技术中齐罐高的隔墙(例如图2中的板20、21)还提供了其它的好处：即把储罐分隔成多个独立的隔室22。虽然这些隔室22可能需要各自的添注和/或排空管线、输送泵等，而这些设备一般显著地增加了投资和运行成本，但它们确实具有减小动态载荷的有利之处，其中动态载荷是由罐体内的LNG的涌晃而产生的，而LNG的涌晃却是船体运动的结果。

动态载荷的减小是因为液体在单个隔室22的有限小空间内的冲击波固有周期并不密切地响应由船体运动引起的激振周期。而在另一方面，在一个陆基或GBS的储罐中，作用于储罐内的任何动态载荷都可能是由地动引起的，而地动却具有较短的激振周期(从大约1/2秒到大约1秒)。如果现有技术中的隔墙被应用在这样的环境中，由于隔室内由隔墙引起的涌晃自然周期具有近似的长度，动态载荷可能反被加强了。从而，当容量很大的LNG储罐是陆基或由GBS支撑的条件下，间隔设置的隔墙被认为是有害的。

下文参照附图3-7，图中表示了本发明的一种液化天然气(例如LNG)储罐30。基本上，储罐30包括一个内部桁杆支撑刚架系统31，该刚架系统由板件(即蒙皮)进行包覆，板件包容要储存在罐体内的液体。构成储罐30侧壁32、端壁33、顶板34和底板35的板件可以是经过加强或未经过强化的。各个板件在组装完成后(1)提供了盛容储罐内LNG的屏障结构，以及(2)承受各处的载荷和压力，并将载荷压力传递到刚性刚架系统31上，最终由刚架系统31承担全部所有的载荷，包括由地震等引起的地动载荷。

更具体来讲，储罐30是一个自由直立的箱状多边形罐体，它可盛容很大体积(例如100000立方米或更多)的液化天然气(LNG)。尽管可能采用不同的建造工艺，图3-7表示了组装储罐30的一种最佳方法。基本上，储罐30包括两个端部38(见图3)和多个位于它们之间的中间部分36(见图5、图6)。每个端部38基本是相同的结构，它们是由板件40形成的，板件40连接(例如焊接或其它的连接手段)在一起形成端壁33，这些板件40在储罐组装时还被用来形成顶板34、侧壁32和底板35的各段。

板件40可由任何合适的材料(例如9％的镍钢、铝材或铝合金等)制得，该材料要具有延展性，并在低温条件下具有合格的断裂特性。如图所示，端壁33和顶板34的、侧壁32、底板35的各段用元件41和交叉元件42(例如T型加强杆、加强筋或类似的元件等，为了清楚只对部分元件进行了标识)进行了加强。还可跨越弯角处和/或相邻板件边缘处设置角撑43以进一步增强端部38的强度和刚度。

中间部分36的成型最好是先建造一段内部桁梁刚架31，然后将板件40固定在它们的外部。为了完成这样的工作，通过连接两个垂直元件44和两个水平元件45(这些元件例如是I型梁、H型梁、方形或圆形管材等)的端部来形成一个刚性框状构件(见图5)，从而造出一段桁梁刚架31。通常在外边的框状构件中再固定其它的垂直元件44a和水平元件45a以增加其强度，再加上斜桁杆46来完成该段桁梁刚架31。图5中组成刚架的梁、支柱、和支架元件有许多种不同的排列设置，一旦组装完成，使用这些不同的排列方法可对储罐的内部桁梁刚架提供所需的强度和刚度。图5只表示了这些排列关系的一种。

几块较小的板件40可首先组装在一起，并可用支撑件41、42进行加强，然后该组装板被固定在刚架31各段的外部。一旦端部35和所有的中间部分36已经完成，就对它们进行组装，通过焊接或其它的手段固定在一起，形成储罐30(见图5)。如果需要在纵长方向加强桁架，就要有另外的支撑元件(例如位于垂直元件44a之间并固定于其上的纵向桁杆50，见图6)，它们可在罐体的组装完成后进行安装，或在罐体的组装完成前在建造端部35或中间部分36时进行安装。

可以看出，由于内部桁梁刚架31是开放的，储罐30的内部从总体上实质上都是互通的，从而储存在其中的LNG或其它液体可以自由地从一端向另一端地进行涌动，而在其间没有任何有效的屏隔物。这必然使得储罐相对于设置隔墙的相同尺寸罐体具有更大的有效储存容积，而且这样的储罐也只需要一套连通管路和用于注入和排空罐体的泵组。更重要的是，由于本发明的储罐30相对较长的连通跨度，所储存液体由地动引起的任何涌晃都只能在罐体上激起相对很小的动态载荷。这一载荷大大小于如不这样而采用现有技术用隔墙形成多个隔室的罐体的情况。

Claims (10)

1.一种用于储存液体的大型箱状多边形储罐，该储罐具有侧壁、端壁、一个顶板和一个底板，所说的储罐包括：多组沿所说储罐的长度方向纵向间隔排列设置的内部垂直桁架，这些内部桁架都包括：一系列垂直延伸的支撑件和水平延伸的支撑件，这些支撑件各自的端头连接起来形成一个框架；在所说由垂直延伸支撑件和水平延伸支撑件连接起来的框架内固定桁杆元件以进一步增强其强度；以及将一个蒙皮密封地固定在所说的垂直桁架组上，所说的蒙皮形成了用来盛容所说液体的所说侧壁、端壁、顶板和底板。

2.根据权利要求1所述的储罐，其特征在于：所说的储罐包括至少一个纵向延伸的垂直桁架，其位于所说的纵向间隔的桁架组之间，并固定于其间。

3.根据权利要求1所述的储罐，其特征在于：所说的蒙皮包括多块板件，这些板件由一系列加强元件在垂直和/或水平方向进行增强，并固定在所说桁梁刚架的外部。

4.根据权利要求3所述的储罐，其特征在于：所说的板件是由9％的镍钢构成的。

5.根据权利要求3所述的储罐，其特征在于：所说的板件是由铝材构成的。

6.一种用于储存液体的大型箱状多边形储罐，该储罐具有侧壁、端壁、一个顶板和一个底板，所说的储罐包括两个端部，每个端部又包括：所说的两个端壁中的一个；每个与所说的端壁相连的所说侧壁的一段；与所说端壁相连的所说底板的一段；以及与所说端壁相连的所说顶板的一段；储罐还至少包括一个定位并固定于所说的两个端部之间的中间部分，所说的中间部分包括：至少一个刚架，该刚架由至少两个垂直延伸的支撑件和两个水平延伸的支撑件组成，这些支撑件各自的端头相互连接形成一个垂直的框架；并在所说框架内固定桁杆来进一步增强其强度；以及一系列固定在所说框架外周的板件，从而形成侧壁、底板及顶板的中间段；其中所说固定在所说刚架上的多块板件在储罐进行组装时，通过分别和所说两个端部上相应的板件进行连接来形成所说的侧壁、底板、顶板。

7.根据权利要求6所述的储罐，其特征在于：储罐包括至少一个另外的具有刚架的所说中间部分；以及至少一个纵向延伸的垂直桁架，其位于所说的至少一个中间部分和那个另外的中间部分的所说刚架间，并固定于其间。

8.根据权利要求6所述的储罐，其特征在于：所说的板件是由9％的镍钢构成的。

9.根据权利要求6所述的储罐，其特征在于：所说的板件是由铝材构成的。

10.一种建造用于储存液体的大型箱状多边形储罐的方法，该储罐具有两个端壁、侧壁、一个顶板和一个底板，所说的方法包括：建造两个端部，而其中的每一个端部又是这样建造成的：形成所说两个端壁中的一个；将每个所说侧壁的一段与所说的端壁相连；分别将所说顶板的一段和所说底板的一段与所说端壁的顶部和底部相连，并将顶板、底版和所说侧壁的所说各段在所说端壁上进行相连，在端壁上各个罐段相互邻接；以及建造至少一个中间部分，其中所说的至少一个中间部分是这样建造的：形成一个刚架；在该刚架内固定桁杆来进一步增强其强度；以及通过将所说中间部分的板件和所说端部的各个板件进行连接，从而将所说的中间部分固定在所说的两个端部之间，当所说的端部和所说的至少一个中间部分被连接在一起时，所说的连接起来的板件就形成了所说储罐的盛容壁，从而组成了所说的多边形储罐。

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