大型液化天然气储罐内罐壁9Ni钢板及制造方法和罐壁结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及宽厚钢板生产技术，特别涉及大型液化天然气储罐内罐壁9Ni钢板及 制造方法和罐壁结构，该钢板具有良好一 196°C低温韧性，适用于到能源、化工行业中容量 在10万立方米以上的大型液化天然气储罐。
【背景技术】
[0002] 在世界范围内，天然气作为清洁能源之一，其需求总量在持续增长。特别是在日本 福岛核事故之后，核能开发和利用受到了很大的阻力，取而代之的天然气作为安全、清洁能 源更加受世界各耗能大国的青睐。与此相对应，国内的天然气需求量也在急剧上升，至2013 年，我国天然气表观消费量已达1650亿立方米，进口天然气达到530亿立方米左右。预计 到2015年，我国天然气供应量将达到2680亿立方米，包括国内资源1940亿立方米和进口 740亿立方米；2020年天然气供应量将达到4310亿立方米，包括国内资源2700亿立方米和 进口 1610亿立方米。到2015年，我国天然气消费量占全国一次能源消费总量的比重将增 至9 %，到2020年将继续提升至12 %。
[0003] 作为陆上天然气管道输送以及海上船舶运输的终端，以接受、储存、调峰、分流为 主要功能的大小液化天然气站是整个天然气供应链中不可缺少的重要环节。天然气经液化 后体积缩小了 600倍后，以液化天然气（以下简称LNG)的形式被安全、低成本地储存在LNG 储罐之中，LNG储罐正是大小液化天然气站中的关键设施之一。
[0004] 随着国内天然气需求的快速增加，各类大型LNG储罐的建设也在快速兴起。自 2003年我国首个大型LNG储罐开工建设以来，我国仅16万立方米预应力混凝土 LNG储罐已 开建或建成了 43个，容积20万立方米的LNG储罐也完成了设计，正在计划兴建之中。在上 述不同容器的LNG储罐中，尽管储罐结构有所不同，但目前最常见的、特别是在10万立方米 以上LNG储罐中占绝对主流的，均为圆筒形预应力混凝土罐。这种LNG储罐罐体由钢质内 罐和预应力混凝土外罐构成，内罐和外罐罐壁都为圆筒结构。其中，内罐罐壁都是由许多张 不同厚度的、具有良好的_196°C低温韧性的9Ni钢板焊接而成的圆筒形结构。
[0005] 尽管容量大小不同，传统的圆筒形LNG储罐内罐所设计的钢板规格尺寸也有所不 同，但总的来说，这些LNG储罐内罐的罐壁钢板都有如下共同特点：
[0006] 1)内罐罐壁结构均为圆筒形结构，罐壁用钢板自上而下分若干层。同一层内，钢板 都是以板宽作为该层的层高、以板长作为罐壁的一段弧长，且钢板的厚度都是相同的。而在 不同层间，钢板厚度则由上而下呈阶梯状增加，即：下层钢板的厚度总是大于或等于上一层 的厚度，以此来抵抗由上而下递增的罐内储存LNG液体所产生的静压力。
[0007] 2)在同一层内，钢板的材质都是相同的。根据行业规范，此类LNG储罐内罐的材 质必须采用具有良好的-196°C低温韧性、含有9%左右Ni元素的9Ni钢板，采用"正火+ 回火"或"淬火+回火"工艺生产，常用的牌号有我国国家标准GB150中的06Ni9DR、欧标 EN10028-4 中的 X7Ni9、美标 ASTM 中的 A553Type 1 等。
[0008] 3)内罐罐壁钢板都需要进行卷曲成型加工，使其弯曲的曲率半径等于或非常接近 于内罐罐壁圆周的半径。罐壁钢板的卷曲成型加工是传统内罐罐壁板的必须要有的预制加 工工序之一。
[0009] 以目前某经典的16万立方米圆筒形预应力混凝土 LNG储罐设计为例，其内罐罐壁 周长为252米，内罐壁钢板材质均为GB150中的9Ni钢，牌号为06Ni9DR，按热处理工艺区分 可分为"淬火+回火"型和"正火+回火"型两种；总高36. 12米的罐壁由12层钢板焊接而 成，每层罐壁钢板的长度和宽度都是相同的，即都是由22张3. 01米宽X 11. 45米长的钢板 焊接而成，但钢板厚度则自上而下呈阶梯状增加，即下层钢板的厚度总是大于或等于上一 层的厚度。
[0010] 该16万立方米LNG储罐内罐罐壁用低温韧性钢板的具体设计如下表1。
[0011] 表 1
[0012]
[0013] 据此，可推算出：
[0014] 1)该16万立方米LNG储罐内罐共需12X22 = 264张06Ni9DR钢板，共计约（27+ 25+23+21+19+17+15+13+12+12+12+12) X2. 98X 11. 45X22X7. 85/1000 ~1228 吨；
[0015] 2)该16万立方米LNG储罐内罐共需焊接总计22X252 = 2771米长的壁板间的环 形焊缝和12X22X2. 98 = 787米长的壁板间的纵向焊缝。
[0016] 目前，上述传统的16万立方米圆筒形预应力钢筋混凝土 LNG储罐已成为国内LNG 储罐的主流设计，现有设计技术已日趋成熟，且已开始纳入相关国内标准和规范的工作之 中。
[0017] 以16万立方米圆筒形预应力混凝土 LNG储罐为例，分析现有技术，其储罐内罐罐 壁的结构设计存在着以下不足：
[0018] ①虽然名称为预应力混凝土储罐，但上述LNG储罐的真正核心还是耐低温的钢 质内罐，LNG储罐建造的技术难点以及建造成本主要在内罐上，因为其内罐是直接接触一 165°C的LNG液体。
[0019] 在内储罐装满LNG介质后，内罐罐壁上某一点的钢板所承受的静压力反比于它的 高度，因此，每层钢板上沿位置的承压总是小于钢板下沿位置的承压。而且，每层的高度越 高，即钢板越宽，钢板的上沿和下沿所承受的静压力差就越大。显然，单纯从受力计算角度 上看，钢板上沿的厚度完全可以小于下沿的厚度。然而事实上，现有的储罐结构设计时， 罐壁钢板的厚度都是根据其下沿位置所承受的静压力来计算的，也就是说，对于钢板的上 沿，总有部分厚度是属于"多余"的。而且，罐壁层高越高，即钢板越宽，"多余"的厚度也越 多，产生的钢材"浪费"就越严重。众所周知，LNG储罐内罐壁所用的9Ni钢板价格十分昂 贵。从减少钢板使用量角度来讲，罐壁的层高（也即钢板宽度）越小越好。然而，罐壁的层 高越小，造成罐体建造时的环焊缝的总长也就越长。9Ni钢配套焊接材料价格是钢板价格的 数十倍，焊接成本同样也是普通钢板焊接成本的若干倍。从减少焊缝总长度角度考虑，钢板 宽度则是越宽越好。显然两者间形成了一对矛盾。
[0020] 综合平衡后，国内目前常见的16万立方米LNG储罐的内罐壁板宽度被设计为 3000mm 左右。
[0021] ②然而,3000mm这一板宽并非国内主流宽厚板厂家的理想板宽。因为，目前主流宽 厚板轧机都为5米厚板轧机，实际最大成品宽度为4600~4800mm。因此对于3000mm的钢 板宽度，上述5米厚板轧机的生产效率并不理想，只有4700mm宽度钢板生产效率的75%左 右。
[0022] ③3000mm这一板宽同样不利于焊接施工。如上所述，这样一种16万立方米LNG 储罐的设计，共有约3560米长的总焊缝，其中，罐壁钢板间的环形焊缝长约2770米，纵向焊 缝长约790米，环形焊缝的长度数倍于纵向焊缝的长度。对于LNG储罐，目前壁板间的环 形焊缝通常采用埋弧横焊或手工焊条电弧焊，纵向焊缝和角焊缝则通常采用手工焊条电弧 焊。与15万立方米原油储罐焊接相比，埋弧横焊、手工焊条电弧焊的焊接效率很低。显然， 减少壁板间环形焊缝的长度就意味着可成倍地提高LNG储罐内罐罐壁的焊接效率。
[0023] ④钢板都是以板宽作为罐壁的层高、以板长作为罐壁圆周上的一段弧长，因此，传 统罐壁壁板都需要进行卷曲成型加工，其弯曲的曲率半径就是罐壁圆周的半径。壁板的卷 曲成型加工作为传统储罐罐壁板的预制加工工序之一，既增加了储罐制造成本，也延长了 制造周期。
【发明内容】
[0024] 本发明的目的在于提供一种大型液化天然气储罐内罐壁9Ni钢板及制造方法和 罐壁结构，在储罐容量、安全性不受到任何损失的情况下，显著减少内罐罐壁钢板的使用 量，减少壁板的预制加工工序，提高内罐罐壁的焊接施工效率，而且，配套罐壁钢板具有大 宽幅、厚度呈梯形渐变的特点，且该罐壁钢板的钢种为具有良好的-196°C低温韧性、含有 9%左右Ni元素的9Ni钢板，牌号如国标GB150中的06Ni9DR、欧标EN10028-4中的X7Ni9、 美标ASTM中的A553Type 1等，适用于容量在10万立方米以上的大型LNG储罐。
[0025] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0026] 大型液化天然气储罐内罐壁用9Ni钢板，其特征是，钢板在长度方向上一端厚、一 端薄，且其板厚在全部或部分长度区段内呈线性增加或减小，钢板的板宽W与板长L是恒定 的；钢板的厚度是沿长度方向渐变的，渐变的斜率是全长恒定的或是分段恒定的；其中，最 厚端的板厚Tb与最薄端的板厚Ta之比不大于2 ;L1、L2…分别为离开钢板薄端部的不同距 离，在该距离上，钢板的厚度分别为T1、T2···，其余类推；在0~L1、L1~L2...长度区间范 围内板厚呈线性增加或减小，且增加或减小的斜率在该长度区间内是恒定的。
[0027] 本发明大型液化天然气储罐内罐壁用钢板的储罐内罐，该储罐内罐结构为多边形 筒体结构，采用至少一层差厚钢板焊接而成，差厚钢板以其板长为高、以其板宽为多边形之 一段边长焊接成为一层差厚板层；差厚钢板的厚度自上而下呈线性地增加，即其垂直剖面 的几何形状为梯形。
[0028] 进一步，当差厚板层超过二层时，差厚板层与差厚板层之间有等厚板层作为过渡， 等厚板层以板宽为高、以板长为多边形之边焊接而成；各层罐壁钢板的焊缝上下