常旭寧

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院， 北京 100011)

1 概述

根據(jù)GB 51156—2015《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，薄膜儲罐(membrane tank)是金屬薄膜內(nèi)罐、絕熱層及混凝土外罐共同形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。金屬薄膜內(nèi)罐為非自支撐式結(jié)構(gòu)，用于儲存液化天然氣，其液相荷載和其他施加在金屬薄膜上的荷載，通過可承受荷載的絕熱層全部傳遞到混凝土外罐上，其氣相壓力由儲罐的頂部承受。

世界上第一座LNG薄膜儲罐位于日本根岸(Negishi)接收站，建造于1971年，采用IHI(Ishikawajima-Harima Heavy Industries,日本石川島播磨重工)技術(shù)，是容積為1×104m3的地下罐[1]。之后薄膜儲罐在亞洲接收站進(jìn)入了應(yīng)用的高峰期，其中日本、韓國為應(yīng)用大戶。擁有薄膜專利技術(shù)的公司有法國GTT(Gaztransport & Technigaz)，日本IHI、KHI(Kawasaki Heavy Industries，川崎重工)、MHI(Mitsubishi Heavy Industries，三菱重工)和韓國KOGAS(韓國燃?xì)?[2]。

2 GTT技術(shù)在亞洲的應(yīng)用

① 日本

日本是亞洲最早實(shí)施LNG進(jìn)口的國家，第一座接收站根岸(Negishi)接收站于1969年投運(yùn)[3]。該站在1981年首次采用GTT技術(shù)，建造了容積為9.5×104m3的地下薄膜儲罐。在非地上儲罐中，只有扇島接收站的為全地下儲罐，其余為半地下儲罐，為方便表述，非地上儲罐全定義為地下罐。

在接收站中，地下罐的抗震效果要優(yōu)于地上罐，薄膜儲罐又優(yōu)于其他類型儲罐。繼根岸接收站后，日本又在東扇島接收站，采用GTT技術(shù)，于1983—1987年連續(xù)建造4座容積為6×104m3的地下薄膜儲罐。至2003年的長崎接收站，日本一共采用GTT技術(shù)建造了15座薄膜儲罐，均為地下罐。GTT技術(shù)在日本的應(yīng)用見表1，表1中福岡接收站于2015年關(guān)閉。

② 韓國

韓國首座LNG接收站位于Pyeong-teak(平澤)，于1986年投運(yùn)。該站一期全部采用GTT地上薄膜儲罐技術(shù)，分別于1986—1987年建造了4座10×104m3儲罐，于1995年建造了3座10×104m3儲罐，于1998年建造了3座1×104m3儲罐。

③ 南亞

GTT在2009年得到印尼一座9×104m3的地上薄膜儲罐訂單，2012年得到菲律賓一座13×104m3的地上薄膜儲罐訂單，因資金原因，兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展緩慢，目前仍未投產(chǎn)。

3 其他專利技術(shù)在亞洲的應(yīng)用

日本最早實(shí)施的薄膜儲罐為IHI技術(shù)，之后其他公司相繼開發(fā)出專利技術(shù)，應(yīng)用于接收站儲罐建設(shè)中。3種專利技術(shù)(MHI、KHI、IHI)的應(yīng)用分別見表2～4,表4數(shù)據(jù)來源于2019第三屆中國LNG儲運(yùn)技術(shù)交流大會的會議報(bào)告和資料。

表3 KHI薄膜儲罐應(yīng)用[6]

表4 IHI薄膜儲罐應(yīng)用(部分)

GTT和日本的3個(gè)專利商在韓國均有應(yīng)用業(yè)績。韓國在引進(jìn)外來技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出一種薄膜專利，稱KOGAS技術(shù)，并在Incheon(仁川)接收站采用該技術(shù)建設(shè)了一座1 000 m3的試驗(yàn)性儲罐，在確認(rèn)技術(shù)的可行性后，于2009年在仁川接收站又采用該技術(shù)建造了2座20×104m3的地下薄膜儲罐。另外，于2017年開始在濟(jì)州島接收站建設(shè)的2座4.5×104m3地上罐也采用了KOGAS薄膜技術(shù)。

4 專利技術(shù)對比

根據(jù)2019年第三屆中國LNG儲運(yùn)技術(shù)交流大會的會議報(bào)告和資料，對專利技術(shù)進(jìn)行對比。不同專利技術(shù)的薄膜材料均為304不銹鋼，區(qū)別主要是板材厚度和波紋形狀。

① IHI

IHI薄膜材料的波紋形狀見圖1。

圖1 IHI薄膜材料的波紋形狀

特點(diǎn)：板材厚度為2 mm，波紋間距為2 097 mm×2 097 mm,表示某方向相鄰2個(gè)波紋間距為2 097 mm，與該方向垂直方向相鄰2個(gè)波紋間距也為2 097 mm，以下波紋間距意義與此相同。波紋連續(xù)，波紋交叉處同方向隆起。膜板間連接為搭接焊。

應(yīng)用情況：1971年應(yīng)用于世界首座LNG薄膜儲罐，世界最大容積(25×104m3)地下罐也采用該技術(shù)，共有33座應(yīng)用業(yè)績，地上罐、地下罐均有應(yīng)用。

② GTT

GTT薄膜材料的波紋形狀見圖2。

圖2 GTT薄膜材料的波紋形狀

特點(diǎn)：板材厚度為1.2 mm，波紋間距為560 mm×650 mm。波紋連續(xù)，分大小波紋，波紋交叉處為褶皺狀。膜板間連接為搭接焊。

應(yīng)用情況：該技術(shù)首次應(yīng)用于LNG儲罐為1981年，地上罐、地下罐均有應(yīng)用，儲罐最大容積20×104m3，共有34座應(yīng)用業(yè)績。

③ MHI

MHI薄膜材料的波紋形狀見圖3。

圖3 MHI薄膜材料的波紋形狀

特點(diǎn)：板材厚度為1 mm，波紋間距為2 512 mm×2 512 mm。波紋不交叉，波紋斷點(diǎn)橫豎交替。膜板間連接為對接焊。

應(yīng)用情況：該技術(shù)首次應(yīng)用于LNG儲罐為1978年，地上罐、地下罐均有應(yīng)用，儲罐最大容積20×104m3，共有24座應(yīng)用業(yè)績。

④ KHI

KHI薄膜材料的波紋形狀見圖4。

圖4 KHI薄膜材料的波紋形狀

特點(diǎn)：板材厚度為2 mm，波紋間距為1 442 mm×1 442 mm。波紋不交叉，波紋斷點(diǎn)橫豎交替。膜板間連接為搭接焊。

應(yīng)用情況：該技術(shù)首次應(yīng)用于LNG儲罐為1982年，儲罐最大容積20×104m3，共有10座應(yīng)用業(yè)績，全部為地下罐。

⑤ KOGAS

KOGAS薄膜材料的波紋形狀見圖5。

圖5 KOGAS薄膜材料的波紋形狀

特點(diǎn)：板材厚度為1.5 mm，同方向有多條波紋，長短不一。波紋不交叉，波紋斷點(diǎn)橫豎交替。膜板間連接為搭接焊。

應(yīng)用情況：該技術(shù)首次應(yīng)用于LNG儲罐為2009年，為2座地下罐，2017年再次應(yīng)用，為2座地上罐。4座應(yīng)用業(yè)績均在韓國。

5 應(yīng)用效果

① 關(guān)于故障情況

目前采用GTT技術(shù)的LNG儲罐尚未出現(xiàn)泄漏性故障的公開報(bào)道，僅有一次非泄漏性(泵底閥脫落)的維修情況，說明了薄膜儲罐的安全性和可維修性。

對于其他專利商，曾出現(xiàn)一篇語焉不詳?shù)膱?bào)道，專利商與業(yè)主在1991年簽訂了建造地下薄膜儲罐的合同，儲罐建成投運(yùn)后，圍繞儲罐有無泄漏等問題雙方發(fā)生了爭議，并于2000年引起了訴訟。這是僅有的一例關(guān)于LNG薄膜儲罐的泄漏信息。

② 薄膜儲罐的發(fā)展障礙

在2006年前后，由于一些原因，即使技術(shù)相對成熟的GTT技術(shù)，客戶也失去了發(fā)展薄膜儲罐的興趣。

a.標(biāo)準(zhǔn)情況

當(dāng)時(shí)的國際標(biāo)準(zhǔn)與薄膜儲罐相關(guān)的內(nèi)容太少，致使在設(shè)計(jì)時(shí)無法采用標(biāo)準(zhǔn)。缺乏市場導(dǎo)向又使標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)的積極性較低。

2007年是地上薄膜儲罐的重要年份，因?yàn)镃EN(歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會)首次發(fā)布了包括平底低溫儲罐在內(nèi)的液化天然氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和安裝標(biāo)準(zhǔn)。同年公布的附加標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了用于儲存-165～0 ℃液化氣體的平底鋼罐的設(shè)計(jì)和制造要求。歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1473-2007和BS EN 14620-2006都解決了薄膜儲罐的問題。

b.工程、采購與建造

薄膜儲罐技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是矩形元件的模塊化。然而，在圓柱形狀上安排矩形元件是一件棘手的事情，尤其是底部區(qū)域。歷史上，每個(gè)罐需要根據(jù)規(guī)格采用特定的定制設(shè)計(jì)。另外，采購也是定制化的，有專門的供應(yīng)商和特定的產(chǎn)品，不利于競爭。在自動化焊接之前的施工中，所有地上罐的薄膜內(nèi)罐都是手工焊接的。

隨著LNG船運(yùn)的發(fā)展，在大量船艙建造中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，加工技術(shù)也不斷發(fā)展。目前GTT技術(shù)95%以上的內(nèi)罐表面只使用兩種形狀，80%焊縫可以采用自動焊接，提高了效率和焊接質(zhì)量。

c.技術(shù)定位

2006年以前，GTT公司以EPC(工程總承包)的方式推廣LNG薄膜儲罐技術(shù)，同時(shí)推廣9%Ni鋼儲罐系統(tǒng)。GTT公司的初衷是以節(jié)約成本和縮短工期的方式向客戶提供其傳統(tǒng)技術(shù)的替代方案。然而，由于沒有其他EPC投標(biāo)人能夠獲得該技術(shù)，客戶無法獲得薄膜儲罐的任何比較投標(biāo)?？蛻糁粚ν稑?biāo)人之間存在競爭的技術(shù)感到滿意，而對壟斷性的投標(biāo)的興趣逐漸降低。

為了解決這個(gè)問題，2006年，GTT公司改變了推廣策略，通過與其他LNG儲罐總包商合作來推廣薄膜儲罐技術(shù)，與總包商簽訂合作和非排他性協(xié)議。不同投標(biāo)人之間存在競爭，提高客戶對競標(biāo)的滿意度。2009年，GTT公司開始將與LNG船業(yè)務(wù)模式相同的全集成商業(yè)化技術(shù)應(yīng)用于陸上薄膜儲罐的推廣中，包括最新的設(shè)計(jì)、采購和施工優(yōu)化[7]。

6 應(yīng)用發(fā)展分析

在亞洲，LNG接收站薄膜儲罐的應(yīng)用，以日本最有代表性，其應(yīng)用發(fā)展情況見圖6。

圖6 日本薄膜儲罐應(yīng)用發(fā)展情況

從圖6可以看出，20世紀(jì)80年代，是日本薄膜儲罐應(yīng)用的高峰期，以后逐漸平穩(wěn)，到2003年后有所滯緩，2013年后沒有新薄膜儲罐的應(yīng)用。薄膜儲罐在韓國的發(fā)展情況與日本類似。

日本處于地震高發(fā)區(qū)，因此日本引進(jìn)薄膜儲罐主要是考慮地震影響，多為地下儲罐。而韓國初期引進(jìn)的GTT薄膜儲罐均為地上罐，多為從節(jié)省投資考慮。

就日本情況，從首次應(yīng)用LNG薄膜儲罐的1971年，到最后應(yīng)用薄膜儲罐的2013年期間，各專利商的技術(shù)應(yīng)用情況差別不太明顯，表明技術(shù)均相對成熟，處于競爭狀態(tài)。

2003年之后，日本新建LNG接收站儲罐共26座，僅有4座薄膜儲罐。韓國在2009年首次實(shí)施自有的KOGAS薄膜技術(shù)后，新建了LNG接收站儲罐共18座，只有2017年開始的濟(jì)州島項(xiàng)目采用了2座自有技術(shù)薄膜儲罐。主要原因應(yīng)該與2000年發(fā)生的訴訟有關(guān)，該次訴訟將薄膜儲罐出現(xiàn)的疑似泄漏在業(yè)內(nèi)公開化，造成了對薄膜技術(shù)的安全性不同程度的質(zhì)疑，加上當(dāng)時(shí)沒有成熟標(biāo)準(zhǔn)可以參照，業(yè)主為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，在新建項(xiàng)目時(shí)選擇了非薄膜儲罐技術(shù)。

同時(shí)，GTT技術(shù)被認(rèn)為是相對安全成熟的技術(shù)，但當(dāng)時(shí)GTT排他性的技術(shù)定位，使業(yè)主傾向于更方便、競爭透明的9%Ni鋼全容罐。雖然GTT及時(shí)調(diào)整了政策，但在一定程度上已失去了市場。

7 應(yīng)用展望

① 隨著技術(shù)發(fā)展，薄膜儲罐的標(biāo)準(zhǔn)、施工便利性、技術(shù)定位等都得到了較大的優(yōu)化和發(fā)展，特別是GTT技術(shù)，無論在船上還是陸上儲罐，均無相關(guān)安全故障報(bào)道。

② 中國的LNG進(jìn)口發(fā)展迅速，但國內(nèi)對薄膜儲罐的了解較晚，并且隨著材料國產(chǎn)化，9%Ni鋼全容罐的建造成本不斷下降，薄膜儲罐的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢不太明顯。但隨著薄膜儲罐隔熱材料和薄膜的逐步國產(chǎn)化，薄膜儲罐的投資優(yōu)勢將進(jìn)一步體現(xiàn)。

③ 大型LNG儲罐相對占地面積小、單位容積投資低，因此接收站儲罐有向大型化發(fā)展的趨勢。同體積外罐情況下，薄膜儲罐的容積更大，且薄膜儲罐理論容積的增加沒有技術(shù)瓶頸。因此在薄膜儲罐示范和規(guī)模效應(yīng)影響下，預(yù)計(jì)將有更多的接收站采用薄膜儲罐技術(shù)。