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在全球能源結(jié)構(gòu)加速低碳化轉(zhuǎn)型的背景下，液化天然氣（LNG）作為清潔能源的重要組成部分，正成為各國保障能源安全、推動綠色發(fā)展的關(guān)鍵抓手。LNG儲罐是保障能源安全、提升儲氣調(diào)峰能力的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)更是衡量一個國家在低溫工程、材料科學(xué)、裝備制造等領(lǐng)域綜合技術(shù)實力的標(biāo)志。

從沿海接收站到內(nèi)陸調(diào)峰樞紐、從傳統(tǒng)16萬立方米儲罐到27萬立方米“巨無霸”，我國LNG儲罐建設(shè)正以自主創(chuàng)新不斷突破規(guī)模極限與技術(shù)壁壘。然而，隨著儲罐容量攀升與建設(shè)場景復(fù)雜化，如何在材料性能、施工安全、低碳運維等維度實現(xiàn)“破冰”，仍需行業(yè)凝聚智慧。本版聚焦LNG儲罐建設(shè)，邀請了設(shè)計、施工、運營企業(yè)的相關(guān)專家進行訪談，敬請關(guān)注。

本版文圖由 王桂根 李 明 張 昊 姚志廣 葉 麗 劉晶晶 孟禹君 王 剛 提供

▼設(shè)計環(huán)節(jié)

●在超大型LNG儲罐的設(shè)計中，如何平衡儲罐的容積、高度和穩(wěn)定性？青島LNG接收站采用的“矮胖型”設(shè)計有哪些優(yōu)勢？

李鳳奇：在超大型LNG儲罐設(shè)計中，平衡容積、高度和穩(wěn)定性是儲罐設(shè)計的關(guān)鍵。在維持相同操作容積的前提下，增大罐徑可降低罐體高度，提升儲罐的抗震性能。但罐徑的增大會導(dǎo)致穹頂跨度增加，加大施工過程及復(fù)雜荷載下的穩(wěn)定性設(shè)計難度。另外，罐徑增加可使內(nèi)罐壁厚變薄，減小內(nèi)罐的設(shè)計與施工難度。儲罐設(shè)計罐容越大，外罐投資越高，內(nèi)罐投資越低。因此，需結(jié)合場地建設(shè)條件，并以罐容大、抗震能力強、穹頂穩(wěn)定性好為目標(biāo)，優(yōu)化儲罐結(jié)構(gòu)參數(shù)。

青島LNG接收站采用的“矮胖型”儲罐具有以下優(yōu)勢：一是低重心設(shè)計使儲罐在地震工況下的傾覆力矩減少，抗震能力顯著增強；二是減小了內(nèi)罐壁厚，降低了設(shè)計與焊接的難度；三是縮短了儲罐的施工工期并降低了高空作業(yè)風(fēng)險；四是縮短了卸船時間，提高了卸船作業(yè)效率。目前，“矮胖型”儲罐已成為全球LNG接收站的主流設(shè)計。

●LNG儲罐通常建于沿海地區(qū)，容易受到地震和臺風(fēng)的影響。在設(shè)計階段，如何通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高儲罐的抗震和抗風(fēng)能力？

李鳳奇：LNG儲罐儲存能量巨大，一旦發(fā)生泄漏爆炸將產(chǎn)生難以估量的次生災(zāi)難，故抗震設(shè)防要求遠高于常規(guī)建構(gòu)筑物，對設(shè)計提出了前所未有的挑戰(zhàn)。LNG儲罐通常建于沿海地區(qū)，而沿海多為軟土地基，沿海工業(yè)用地多是吹填形成，吹填后的軟土通常尚未進行充分排水固結(jié)，土體的承載力較差，如何在高烈度軟土區(qū)建造超大型LNG儲罐，成為儲罐抗震設(shè)計的難題。為此，工程建設(shè)公司首次構(gòu)建了“雙層罐體+基礎(chǔ)+樁土”與低溫液體的整體流固耦合動力學(xué)模型，解決非整體分析力學(xué)模型失真難題；聚焦高烈度地震區(qū)儲罐抗震技術(shù)瓶頸與軟土地基-樁基系統(tǒng)災(zāi)變防控難題，首創(chuàng)了“雙承臺+隔震”結(jié)構(gòu)體系，研發(fā)了LNG領(lǐng)域首套國產(chǎn)化隔震裝置，使LNG儲罐建造于地震高烈度軟土地區(qū)成為可能。

●當(dāng)前各種數(shù)字化工具在LNG儲罐設(shè)計中的應(yīng)用情況如何？這些技術(shù)是否顯著提升了設(shè)計效率和工程精度？

李鳳奇：在超大型LNG儲罐工程領(lǐng)域，以SP3D、ABAQUS、ANSYS、HYSYS為代表的數(shù)字化工具已形成全生命周期技術(shù)矩陣，顯著提升了設(shè)計效率與工程精度。其中，HYSYS通過建立熱力學(xué)、流體力學(xué)模型實現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)工藝模擬與流程優(yōu)化。ABAQUS和ANSYS軟件可以通過多物理場分析對LNG儲罐的外罐與內(nèi)罐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。在使用SP3D軟件進行多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計中，不僅可以檢查碰撞，還可以滿足數(shù)字化交付需求，為智慧化運維創(chuàng)造條件。數(shù)字化工具在施工階段的應(yīng)用也尤為關(guān)鍵。通過三維模型正向設(shè)計可以精準(zhǔn)快捷導(dǎo)出施工所需圖紙和數(shù)據(jù)，有助于提高效率，縮短施工工期。數(shù)字化工具已深度融入LNG儲罐設(shè)計，成為提升效率與精度的核心驅(qū)動力。隨著技術(shù)迭代與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化持續(xù)推進，其應(yīng)用范圍將進一步擴展，推動LNG儲罐工程向更高效、更安全的方向發(fā)展。

▼施工環(huán)節(jié)

●近年來在超大型LNG儲罐的施工過程中，是否有新的施工技術(shù)取得突破？

張向東：9%Ni（鎳）鋼是超大型LNG儲罐常用的罐體材料，其強度、韌性和低溫性能對儲罐的安全運行至關(guān)重要。焊接是罐體安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊縫的質(zhì)量直接影響罐體的密封性和強度。對于9%Ni鋼的焊接，需要選擇合適的焊接材料、焊接方法和焊接工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制焊接過程中的變形、裂紋和氣孔等缺陷。

近年來，隨著16萬立方米儲罐到27萬立方米儲罐的飛躍式發(fā)展，四建公司始終保持施工市場領(lǐng)先優(yōu)勢，完成了中國石化LNG儲罐內(nèi)罐縱縫自動焊工藝開發(fā)，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了內(nèi)罐縱縫自動化焊接，提高了焊接效率，焊縫力學(xué)性能更優(yōu)，質(zhì)量可靠。同時，我們進行罐頂以泵井主平臺和放空框架為主的模塊化施工，進一步避免高空作業(yè)、提高人工作業(yè)效率、減少機械臺班，從而降低安全風(fēng)險和經(jīng)濟成本。

●青島LNG接收站的27萬立方米儲罐僅用時18個月就完成主體結(jié)構(gòu)建設(shè)，施工效率大幅提升。在超大型LNG儲罐建設(shè)中，有哪些關(guān)鍵措施可以縮短工期并降低成本？

潘吉龍：受青島冬季嚴(yán)寒及強海風(fēng)環(huán)境影響，儲罐施工面臨混凝土澆筑溫度難以達標(biāo)的問題。十建公司首創(chuàng)“外罐壁低溫混凝土內(nèi)加熱外保溫工法”，通過預(yù)埋套管注入熱干空氣，保證澆筑溫度，實現(xiàn)冬季連續(xù)施工。針對27萬立方米儲罐鋼穹頂跨度大（總重1530噸）、型鋼尺寸大難組對的特點，十建公司項目團隊重新設(shè)計H形鋼組對拼裝工裝設(shè)備，提升穹頂片制造精度和預(yù)制效率。

在鋼穹頂氣頂升施工過程中，十建公司將激光測距儀、壓力傳感器、陀螺儀等儀器集成在自動控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)頂升過程中鋼穹頂頂升高度、速度、方位等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的測量、傳輸、計算，同時采用數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時反饋和及時調(diào)控。

針對高空鋼筋網(wǎng)片傾覆風(fēng)險，十建公司研發(fā)混凝土預(yù)埋抗風(fēng)柱技術(shù)，消除風(fēng)力引發(fā)的安全隱患，保障外罐壁雙層鋼筋網(wǎng)片施工安全高效推進。

鋼制穹頂后期頂升僅用時107分鐘，偏差控制在60毫米以內(nèi)（遠低于200毫米允許值），工期較計劃提前了13天，為儲罐整體施工縮短工期提前交工奠定了堅實基礎(chǔ)。

●穹頂氣頂升是儲罐建設(shè)的關(guān)鍵工序之一。在超大型LNG儲罐的建設(shè)中，如何通過技術(shù)優(yōu)化確保氣頂升的安全性和精準(zhǔn)性？

張向東：穹頂氣頂升原理是使用微壓空氣浮升技術(shù)，通過大流量鼓風(fēng)機向罐內(nèi)送入壓縮空氣，增加穹頂下方氣壓至容許的壓力，內(nèi)外壓力差將預(yù)制好的穹頂“托舉”起來，沿混凝土罐壁連續(xù)平穩(wěn)提升至罐壁頂部，與承壓環(huán)接合。

在頂升作業(yè)中，平衡系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和智能監(jiān)測系統(tǒng)是成功升頂?shù)年P(guān)鍵。通過實時監(jiān)測、精準(zhǔn)控制儲罐升頂時的氣壓、速率、偏移度等參數(shù)，以保障氣頂升安全、穩(wěn)定。平衡系統(tǒng)是通過滑輪組和鋼絲繩為懸浮的鋼質(zhì)穹頂提供定位導(dǎo)向，避免穹頂在升頂過程中發(fā)生傾斜和旋轉(zhuǎn)。密封系統(tǒng)直接決定頂升的質(zhì)量。在拱頂與罐壁間隙這一最關(guān)鍵的密封位置，通常采用加強型聚乙烯密封簾或其他類似密封材料，升頂時在內(nèi)罐風(fēng)壓作用下緊緊貼在混凝土罐壁上，保證良好的密封性。當(dāng)前開發(fā)的智能監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于頂升作業(yè)中，可以實時調(diào)整氣頂升過程中的氣壓和速率，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制和安全施工。

●焊接是LNG儲罐施工的核心環(huán)節(jié)之一，如何確保焊接質(zhì)量以滿足極低溫條件下的使用要求？是否有自動化或智能化焊接技術(shù)正在推廣？

潘吉龍：為確保焊接質(zhì)量滿足極低溫條件下的使用要求，十建公司項目團隊開發(fā)使用熱絲TIG機動焊焊接工藝，改變圖紙坡口尺寸，使焊接更貼合現(xiàn)場實際，從而提高焊接質(zhì)量。目前，該工藝已在中國石化天津LNG、龍口LNG儲罐內(nèi)罐施工中使用。另外，通過在埋弧焊機和手工焊機上預(yù)設(shè)電流、電壓、速度，確保9%Ni鋼焊接線能量≤25千焦/厘米。嚴(yán)控縱縫自動焊U形坡口加工尺寸，通過大型銑邊機精密加工，將預(yù)制尺寸誤差控制在±0.5毫米以內(nèi)，減少安裝偏差。

十建公司在內(nèi)罐壁9%Ni鋼縱縫焊接過程中開發(fā)使用自動焊焊接工藝，焊縫外觀成形美觀，不需要進行焊縫余高的打磨，減少了焊工技能對焊接質(zhì)量的影響。該公司聯(lián)合埋弧焊焊機廠家開發(fā)了等離子自動清根機，研發(fā)并應(yīng)用焊縫余高自動打磨技術(shù)，解決了傳統(tǒng)人工打磨導(dǎo)致的效率低、質(zhì)量差等問題，內(nèi)罐焊接一次合格率99.9%，有效提升了機械化施工水平和勞動效率。目前，創(chuàng)新工藝與焊接技術(shù)已在國內(nèi)各大型LNG儲罐內(nèi)罐施工中推廣使用。值得一提的是，十建公司在北海液化三期項目儲罐中應(yīng)用國產(chǎn)高鎳焊材，解決了焊接材料依賴進口的問題。

相比傳統(tǒng)手工焊條電弧焊，罐壁與內(nèi)罐邊緣板之間的T形接頭（大角縫）采用埋弧自動焊工藝，具有焊接線能量小、缺陷少、質(zhì)量高的特點，減少了因焊工操作水平不足導(dǎo)致的質(zhì)量問題，可實現(xiàn)單座罐節(jié)約50個人工時，提高了機械化施工水平。

▼運營環(huán)節(jié)

●LNG儲罐建成后，如何通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測和智能運維？這些技術(shù)是否已經(jīng)成熟并廣泛應(yīng)用于實際項目？

劉慶勝：多維度傳感器網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用到液化天然氣儲罐的實時監(jiān)測中。液位與壓力監(jiān)測可以采用無線遠傳液位計，通過高精度傳感器實時采集液位、壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸至云平臺，精度達±1毫米，數(shù)據(jù)更新頻率達秒級。溫度與泄漏監(jiān)測可通過分布式光纖傳感技術(shù)沿罐壁部署，監(jiān)測溫度梯度和微小形變，結(jié)合激光氣體成像技術(shù)（如TDLAS）實現(xiàn)0.1ppm（1ppm為百萬分之一）級甲烷泄漏定位。

智能運維方面，可通過搭建物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)平臺，通過資源層（傳感器與設(shè)備）、數(shù)據(jù)層（邊緣計算與存儲）、呈現(xiàn)層（可視化界面）三層架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)多站點集中管理。

多級報警系統(tǒng)方面，可實現(xiàn)閾值報警（如液位超限、壓力驟變），以及故障分級推送（紅色警報直達管理層、黃色警報發(fā)送至運維團隊）。

遠程操作功能方面，可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)閥門遠程啟閉、液位調(diào)控及緊急切斷功能，提升應(yīng)急響應(yīng)效率。

當(dāng)前，無線傳輸、光纖傳感等技術(shù)已標(biāo)準(zhǔn)化，國內(nèi)企業(yè)推出的商用化監(jiān)控系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)LNG儲罐全生命周期管理。

●LNG儲罐的使用壽命通常長達幾十年，在長期運行中，如何評估其結(jié)構(gòu)完整性和耐久性？是否有定期檢測和修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)流程？

王增平：目前，LNG儲罐通過應(yīng)用結(jié)構(gòu)完整性評估體系，實現(xiàn)材料退化機理分析，確保其在長期運行中安全可靠穩(wěn)定。在低溫脆性監(jiān)測方面，針對9%Ni鋼、不銹鋼等低溫材料的特性，采用缺口沖擊試驗定期驗證材料韌性，確保在負(fù)162攝氏度工況下無脆性斷裂風(fēng)險。在應(yīng)力腐蝕開裂評估方面，通過電化學(xué)阻抗譜和慢應(yīng)變速率試驗檢測焊縫等應(yīng)力區(qū)域的腐蝕敏感性。在保冷系統(tǒng)效能評估方面，通過蒸發(fā)率、珍珠巖沉降、彈性氈老化、真空度喪失等方式定期監(jiān)測，實現(xiàn)整體效能評估。

有關(guān)LNG儲罐的定期檢測和標(biāo)準(zhǔn)化維護修復(fù)，27萬立方米LNG儲罐可以應(yīng)用在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過采用沿罐壁布置測點的分布式光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)全生命周期檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)0.1毫米級的裂紋檢測。目前LNG儲罐按照缺陷分級修復(fù)處理，出現(xiàn)裂紋深度小于10%壁厚的一級缺陷問題時，采用低溫冷焊修復(fù)；出現(xiàn)腐蝕面積小于5%的二級缺陷問題時，應(yīng)用厚度200微米、附著力大于等于10兆帕的納米復(fù)合涂層技術(shù)；出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的三級缺陷問題時，應(yīng)用彈性模量匹配度大于90%的碳纖維增強復(fù)合材料補強技術(shù)。

青島接收站27萬立方米LNG儲罐

■ 情況介紹

青島LNG接收站的27萬立方米LNG儲罐，是目前國內(nèi)單體容積最大的LNG儲罐之一。罐體直徑達100.6米、高55米，雙罐體設(shè)計、落地式結(jié)構(gòu)，采用17項自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)，僅用時18個月就完成儲罐主體結(jié)構(gòu)建設(shè)，27個月后安全平穩(wěn)投用。罐內(nèi)空間可停放一架國產(chǎn)C919大型客機，屬超大型LNG儲罐。

在儲罐建設(shè)過程中，由天然氣分公司、工程建設(shè)公司、十建公司等組成的項目團隊先后實現(xiàn)了20余項核心設(shè)備的國產(chǎn)化應(yīng)用，使儲罐的國產(chǎn)化水平提升至95%以上，是當(dāng)前國產(chǎn)化程度最高的LNG儲罐。

■ 技術(shù)創(chuàng)新

智慧高效施工：攻克外罐壁高難度施工，優(yōu)化鋼穹頂預(yù)制分片模式，提高工作效率，建成目前國內(nèi)最大跨度、最大重量全容式LNG儲罐穹頂結(jié)構(gòu)。

超大直徑儲罐設(shè)計：首創(chuàng)電加熱基礎(chǔ)形式，保障儲罐基礎(chǔ)和下層土壤不會因LNG低溫產(chǎn)生有害變形。罐壁創(chuàng)新采用變截面設(shè)計，確定主要構(gòu)件的截面尺寸，確保經(jīng)濟合理。

智能化管理系統(tǒng)：儲罐投用后，創(chuàng)新融合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和5G室內(nèi)外定位技術(shù)，推動安全生產(chǎn)流程數(shù)智化改造，助力設(shè)備設(shè)施安穩(wěn)運行。

首次構(gòu)建了雙層罐體、基礎(chǔ)、樁土與低溫液體的整體流固耦合動力學(xué)模型，解決了單獨分析力學(xué)模型數(shù)據(jù)失真難題；首創(chuàng)了“雙承臺+隔震”結(jié)構(gòu)體系，并研制隔震裝置，攻克了在高烈度軟土地區(qū)建造LNG儲罐的抗震難題；創(chuàng)建了蒙皮屈曲后殘余剛度理論，開發(fā)了基于初始幾何缺陷迭代修正的蒙皮-球殼整體屈曲分析技術(shù)，解決了世界上最大LNG儲罐穹頂設(shè)計建造難題；研發(fā)了外罐整套低溫材料，并創(chuàng)建了相關(guān)的評價體系，構(gòu)建了基于儲罐鋼筋混凝土與低溫復(fù)雜荷載下的材料非線性全工況仿真模型，保障了混凝土在低溫開裂下的液密性。建設(shè)過程中，創(chuàng)新研制5項省部級工法，采用17項自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)，順利攻克了多項建設(shè)難題，僅用時18個月就全部完成儲罐主體結(jié)構(gòu)建設(shè)，大幅提高了施工效率，為國內(nèi)超大型LNG儲罐建設(shè)提供了經(jīng)驗借鑒。

深圳大鵬接收站16萬立方米LNG儲罐

■ 情況介紹

深圳大鵬LNG接收站項目是國內(nèi)第一個LNG項目，于2004年3月26日開工建設(shè)，16萬立方米LNG儲罐為當(dāng)時最大LNG儲罐。16萬立方米LNG儲罐為雙層結(jié)構(gòu)，外罐是混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐是9%Ni鋼金屬罐，直徑80米、高度35.43米。該項目標(biāo)志著國內(nèi)徹底掌握9%Ni鋼焊接工藝，突破了歐洲標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)壁壘。同時，該站建成投營，開國內(nèi)液化天然氣接收站建設(shè)運營先河，為我國LNG產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

■ 技術(shù)創(chuàng)新

深圳大鵬LNG接收站項目共完成了LNG罐體工程所需要的35個焊接工藝評定，其中9%Ni鋼焊接工藝評定22個，全部通過力學(xué)性能試驗，最終兩座罐焊接射線檢測拍片一次合格率達98.53%。

改造了單面埋弧自動保護橫焊機，實現(xiàn)雙面埋弧保護、單面自動焊接，焊道成型好，背面焊道不用二次打磨清根，提升了現(xiàn)場施工效率。

天津接收站22萬立方米LNG儲罐

■ 情況介紹

天津LNG接收站二期工程于2023年11月全部投用，包括5座22萬立方米LNG儲罐及配套工藝、電儀、消防設(shè)施等，天津LNG接收站總儲氣能力達10.8億立方米，在國內(nèi)已投產(chǎn)的LNG接收站中居首位。

在建設(shè)過程中，由天然氣分公司、工程建設(shè)公司、四建公司等組成的項目團隊采用優(yōu)化罐體高度、樁基、元寶鋼筋數(shù)量等措施，降低施工風(fēng)險，提高作業(yè)效率，同時應(yīng)用大跨度裝配式鋁吊頂結(jié)構(gòu)，大幅減少焊接作業(yè)、縮短施工周期。

■ 技術(shù)創(chuàng)新

內(nèi)罐縱縫自動焊工藝開發(fā)：四建公司牽頭，聯(lián)合天然氣分公司、工程建設(shè)公司共同開發(fā)，結(jié)合LNG儲罐縱縫結(jié)構(gòu)特點及9%Ni鋼特性，開發(fā)U形窄坡口工藝，實現(xiàn)國內(nèi)首次LNG儲罐整條縱縫打底、填充、蓋面的自動化焊接，減少了焊縫金屬填充量，焊道成型美觀，力學(xué)性能更優(yōu)，質(zhì)量可靠。該工藝在提高焊接生產(chǎn)效率、降低施工成本的同時，減少了罐內(nèi)作業(yè)空間的粉塵、煙塵、噪聲，極大改善了工作環(huán)境，實現(xiàn)了綠色環(huán)保施工。

該工藝率先在天津LNG接收站二期項目兩座22萬立方米LNG儲罐施工中應(yīng)用，焊接一次合格率為99.44%，后續(xù)在中國石化龍口LNG接收站項目、天津南港乙烯項目推廣應(yīng)用。