【低温设备制造现状以及发展趋势】 发展趋势

国内低温容器制造现状和低温容器新产品开发趋势

广西广汇低温设备有限公司

张生高

一. 低温容器简介

低温容器是指用于低温液体（液化天然气、液氮、液氧、液氩、液氢、液氦等液体）运输与储存的设备，该设备主要为工业气体及液化天然气行业服务，目前非常看好液化天然气储运设备的开发。

早在50年前，发达国家已采用集中供气来满足工业气体的要求，健全了集中供气的产业链，集中供气产业链中需要大量的低温液体的储存及转运设备，使低温储运设备的行业得到快速发展，他们发展之路是依托更新制造设备、完善生产工艺、添加生产工装、技术不断更新来降低成本，以及开发新产品来保证低温设备生命力。

低温设备是利用低温绝热技术, 来保证贮存在低温设备中的低温液体尽量少的损失，使得低温液体能较长时间的储存，低温绝热技术就是利用真空获得与绝热技术到低温压力容器上的一种技术。

低温设备的关键技术是低温绝热，它在低温领域内起着特别重要的作用。由于低温液体沸点通常都很低，而且气化潜热小。环境温度比低温液体一般要高一、二百度，这于低温液体的储存按单层容器设计是不可能的。为了液化获得这些低温液体，消耗了很多能量；所以为了保存低温液体必需采取有效的措施。低温绝热就是用于达到这一目的的关键手段。这就是为什么在运输和使用低温液体过程中，都必须要有良好绝热的原因。因此，低温绝热技术是整个低温液体贮运和使用中广泛应用的基础技术之一，低温绝热也就成了低温容器的一个不可分割的部分。

低温容器的原理：低温容器一般由内筒体、外筒体、真空夹层、真空夹层内绝热材料(粉末或多层) 、进排液管路、供液及供气管路、安全排放系统组成。反映低温设备质量的一个综合指标是隔热性能，通常用日蒸发率表示，指在20℃、0.1MPa 绝对压力下日蒸发量与额定装载量之比；也可用无损贮存时间表示，无损贮存时间指充装额定的低温液体后，关闭所有阀门，测定其压力由初始压力升到最高工作压力的时间。真空粉末绝热真空度在装载低温液体后真空度要优于0.2Pa ，高真空多层绝热真空度在装载低温液体后真空度要优于0.01Pa 。为确保内外筒体之间的真空度，内筒体焊缝需要100%无损检测，还须做氦质谱检漏，与常规压力容器制造相比，技术含量高、工艺性强。

二. 低温容器制造现状

2.1低温容器品种

低温容器按结构通常可分为：低温绝热气瓶、低温贮罐、低温汽车罐车（运输车和运输半挂车）、低温铁路罐车和低温罐式集装箱、低温船的统称。低温容器通常根据贮存和运输的液态气体种类来命名，例如，液氮容器、液氧容器、液氢容器、液氦容器、液氩容器、液化天然气容器等。

低温容器按其工作压力又分成常压容器和压力容器，设计压力小于0.1MPa 的容器称为常压容器，设计压力大于等于0.1MPa 的容器为压力容器。压力容器一般用于直接供液，供气或带压贮运等；常压容器适用于一般的贮存与运输，也适用于常规的低温实验研究。

低温容器按用途分，可以分成固定式和移动式两种。固定式的作用是贮存，有立式和卧式两种形式，通常设臵在生产低温液体的地方，例如液化站、调峰站、接收站和加注站。移动式用于运输，把低温液体从液化站送往调峰站、接收站和加注站。移动式容器有公路运、铁

路运、海上运几种形式，分别称为运输车、拖车、集装箱、槽船。这种移动式容器通常都是卧式的。

中、大型低温液体容器在结构上通常包括以下几个系统：

✧ 进、排液的管路（包括温度补偿装臵）及阀门系统；

✧ 调压系统（自增压）；

✧ 液位、压力指示系统；

✧ 安全阀、防爆膜等安全系统。

低温容器按绝热类型分成两大类：一类是非真空绝热型低温容器，它主要是大型的液氧、液氮和液化天然气的贮存和运输容器, 该种绝热主要为粉末堆积绝热或发泡绝热。另一类是真空绝热型低温容器，此种绝热主要为真空粉末绝热或高真空多层绝热。它主要是中、小型的液氧，液氮、液氢、液氦、液化天然气等的贮存和运输容器。近年来用于运输LNG 等的运输车和集装箱主要为高真空多层绝热型低温容器。采用高真空绝热低温容器还有：用于做实验的低温绝热气瓶、液氢和液氦等的贮运；采用真空粉末(或纤维) 绝热低温容器主要用于固定式的液氧、液氮和液氩的贮存容器。

LNG 常压大型储罐有单容罐（图1）、双容罐（图2）及全容罐（图3）3种。单容罐内容器内壁一般为奥氏体不锈钢或9Ni 钢，外壁为低合金钢，而辅助容器只是由较低防护堤围成的收液槽，用于防止在内容器发生事故时LNG 外溢扩散。与单容罐相比双容罐的辅助容器则是在内容器外围设臵的一层高度与罐壁相近，并与内容器分开的圆柱形混凝土防护墙。全容罐内壁为奥氏体不锈钢或9Ni 钢、不锈钢薄膜和预应力混凝土，外壁为预应力混凝土。因此全容罐外壁不仅可防止罐内LNG 泄漏时外溢，还可防止子弹击穿、热辐射等，也起到了辅助容器的作用。

图1 单容式储罐 图2 双容式储罐

图3 全容式储罐 图4 LNG储槽剖面

LNG 大型贮罐另一种形式为立式子母罐：由3～7只子罐并列一组或分成二组装于大型外罐（又称母罐）中，满足储存大容量储液的要求。子罐通常为立式圆柱形，每只子罐容积150～250m 3。外罐为立式圆柱形平底拱顶，容积750～2500m 3，工作压力为0.2～1.2MPa 。

LNG 船由船舶动力及推进系统，辅助设备系统，货物围护系统，特殊管路系统。

2.2 中小型真空绝热低温容器

目前, 按新《容规》要求，低温容器不完全为Ⅲ类压力容器，有很大一部份低温容器划为Ⅲ类以下。生产低温容器所需制造许可资质（D2、A2、B3、C1、C2、C3级压力容器），一般同时具有几种资质的企业很少，国内生产低温绝热压力容器企业中大都只具有A2级压力容器资格，因此，能作的低温容器产品范围很窄。A2级所覆盖的低温容器往往是低温压力容器中利润低端的产品。故而，前些年有些只作固定式低温绝热压力容器的企业慢慢改行生产非低温压力容器。新建较大规模的低温压力容器生产厂家，由于国家对汽车改装企业准入条件的限制，难取得C2级压力容器车辆改装资质，影响企业发展。还有些企业只有制造资质没有设计资质，制约了公司的发展。 国内目前中小型固定式低温容器大都采用真空粉末绝热，高真空多层绝热处于发展阶段，移动式低温容器少数厂家采用高真空多层绝热，但国内很少企业有完善的隔热性能的研究设备，来确定隔热工艺，随意性大，所以产品的性能不稳定，返修率高，尤其是制造低温储运设备的工装大多数远远落后于国际上著名的低温容器厂，相当于国际上著名的低温容器厂的80年代水平。国内只有少数低温设备公司在制造设备上接近于国际水平，但制作工艺、管理及生产规模上还远不如国外。大多数企业在没有对高真空多层绝热结构充分研究的基础上，匆匆上马制作高真空多层绝热低温压力容器，支承结构用粉末绝热结构，没有成熟的抽空工艺，制造周期及成本增大，没有真正体现高真空多层绝热容器的优越性，总的来看仅解决了移动式压力容器的粉末下沉问题。上海交通大学近几年来一直致力于高真空多层绝热工艺及配套内支承结构和抽空工艺研究，目前已成功研制成高真空多层绝热被及配套内支承结构，绝热性能和抽真空时间的技术指标完全达到国际水平。

由于低温容器大多直径大、壁厚薄、刚性小，容器环缝对口错边量的控制必须采用必要的工装设备如内撑圆工装或外卡圆工装，保证容器的圆度和错边量。

低温罐主要由奥氏体不锈钢内筒和低合金钢外筒组成，其主要工艺应是罐的清洁度和控制，检漏技术、抽真空，绝热技术，奥氏体不锈钢内筒制造时的防铁离子污染。按《固定式压力容器安全技术监察规程》要求，不锈钢压力容器及其受压元件的制造，应当有专用的工装和场地，不得与黑色金属制品或者其它产品混杂制造，工作场所要保持清洁、干燥，严格控制灰尘。因此，在内筒制作时需要投入两套工装及机加工设备，包括下料和坡口加工、卷板、焊接成形，但很少有厂家达到此要求。因此，奥氏体不锈钢铁离子污染严重，抽真空困难。另外，在不锈钢零件和真空夹层的表面处理上也不彻底，很少有厂家进行不锈钢的酸洗、钝化处理。因受环境评的影响，很多地方不允用酸洗，因而不锈钢的表面不能彻底去油脱脂严重影响到后续抽真空工艺。碳钢零部件喷砂处理基本上能达到金属本色。绝热材料的装填上，未有良好的烘烤设备，难除去绝热材料中的湿气，使得抽真空困难，在筒节组对时，采用强力组装，使得焊接应力增加，再加之焊接时，工艺控制差一点，因此，焊缝合格率低下，成本居高不下。很少有厂家采用圆筒组对工装，进行环缝的组对。设备工艺布臵上与产品生产工艺不协调，造成过多的资源浪费，起吊转运时间长，生产效率低下，劳动强度高。大多生产场地小，不满足生产真空罐的要求，免强接活制造。缠绕工装、缠绕场地的干净决定了高真空多层绝热设备的质量，有的建厂购买设备时主要考虑制造小型低温容器，没有考虑生产大型低温容器，造成缠绕绝热材料污染受潮，因此，后来免强套装

好了，真空抽不到标准规定的要求，产品不能按时交货，影响到交货进度和货款的回收，涉及到公司形象和产品质量，公司信誉降低。缠绕松紧度的检查，没有合适的工装及好的方法，难以确定绝热层材料的紧密结实程度，以至影响到抽真空时的放气，多层绝热材料层间抽气阻力大，多层绝热材料本身又要放气，很少有在多层绝热材料上打孔保证多层层间压力平衡，保证里层的残余气体能被充分抽走，更少采用填碳纸作为间隔物材料利用活性炭在低温下的高吸附能力，吸附真空夹层中的放气，因而不能长时间地保证容器的高真空。使真空抽不上或抽真空时间长，甚至有的厂家真空多层绝热材料包扎层数也不确定，影响整个产品的绝热性能，包扎时有开天窗的裸露部份，局部漏热严重，产品使用时出现局部结霜冒汗；比方说管道存在不包扎，工装位臵附近留空白，或者说，缠绕时搭接长度不合适，捆扎方式不合理，钢钉布臵不合理，产品在运行过程中造成松动垮蹋。

高真空绝热设备的关键工序是缠绕好的烘烤，此工序需要专用的烘烤房，进行恒温度及规定时间烘烤，为了保证缠绕层的干燥，保证抽空顺利，需要整个设备都进入缠绕烘烤房烘烤。

套装工装是保证内外筒进行套装的保证，大多采用小车加行车的办法，基本上能保证内外筒同轴心，四周间隙一致。

国内真空低温容器种类上基本上与国外差不多，从90年代起国内低温容器设计技术发展是一个飞跃，特别是天然气利用工程上的低温容器，大型低真空低温容器能作到350m 3∽600m 3, 低温液体运输车最大容积到53m 3, 达到或超过世界先进水平。

国外大多采用高真空多层绝热，在移动式低温容器上90%以上采用高真空多层绝热。近40多年来国际上著名的低温容器厂采用内外筒体的自动焊接设备、自动焊管设备、先进的自动化程度高的检漏设备、性能优异的隔热材料及工艺，大大减少人为的因素，用先进的制作设备及工艺来保证产品的质量，返修率低。为了保护环境，减少焊接时的污染物质与废弃物，国外近年来用于气体保护焊的金属粉型药芯焊丝发展很快，这些产品熔渣少，可使焊渣飞溅减少30%∽40%，焊接烟尘减少30%∽35%，施焊工艺和焊缝力学性能都很好。国外低温容器企业进入中国的不多，目前美国Chart 公司是一个在低温容器领域覆盖面很广的全球供应商。它的产品涉及的范围很广，有生物医学用小型容器（美国明尼苏达MVE 子公司生产）、国际标准低温集装箱（被认为是市场上性价比最好的产品）、ORCA 小型储罐系统（低温液体运输车）、油田设备（提供海岸和近海各种液氮的运输设备）等。

效果与成本分析：高真空多层绝热低温容器的制作工艺及制作工装，焊接机械化、自动化水平不断提高，制作成本与制造周期与真空粉末绝热的低温容器已经一致。高真空多层绝热容器的优势是明显的，隔热性能好、真空夹层小，重量轻，稳定性好，外筒体用料少，需要占用的空间小，制造环境好，对人体损害小，因技术含量高而价格高，利润高出30%。难点是抽高真空不容易，抽空工艺复杂。国外能广泛采用高真空多层绝热技术的原因是：重点解决了高真空多层的制作工艺，目前有二大流派：以美国为主以包扎工装来实现，而俄罗斯采用的是高真空多层绝热被。高真空多层绝热的抽真空工艺，10天内就能达到要求；配套的内外筒体内支承结构。

LNG 船方面，1997年上海沪东中华造船（集团）公司着手进行LNG 船建造的前期工作，从法国的CTT 公司引进LNG 船的建造技术，2004年底开工建造，2008年4月中国自己生产的LNG 船首船（14.7万m 3）正式交付。2009年LNG 船又有新进展，世界首艘配备再液化装臵小型LNG 船由挪威与我国船厂建造，该船可装载1万m 3LNG 。

2.3大型常压低温容器现状

国内还没有大规模液化天然气系统工程实践，天然气液化技术的发展使得西部地区的天然气低成本走向东、南部沿海地区成为可能，进而缓解我国天然气资源分布不均

的矛盾。目前我国对天然气液化技术方面所做的研究还很少，尚未掌握液化天然气核心技术，也没有大型LNG 储罐国家标准，与发达国家相比还存在很大的差距。国内目前尚无自行设计、建造的大型常压LNG 储罐，由国外引进技术自行承建的也屈指可数。随着液化天然气工业的发展，我国对液化天然气储罐的研究也越来越重视。近10年来我国在积极引进液化天然气开拓能源供应渠道多元化，继建成了上海LNG 事故调峰站、河南中原天然气液化工厂和新疆天然气液化工厂等。同时引进的广东、福建和上海LNG 项目近年来均获重大进展。由德林公司承建的新疆广汇容量为30000m 3、压力为15kPa 的圆筒双层壁LNG 储罐；由法国索菲公司承建的上海浦东容量为10000m 3的钢筋混凝土LNG 储罐；由法国和意大利STTS 集团联合承建的广东深圳两台160000m 3大型LNG 储罐。江苏如东、辽宁大连等LNG 项目也都在投资策划中。2020年我国LNG 年进口量将超过60000吨/年，使天然气在一次能源消费中所占比例上升到8％以上。但在大型低温液体储罐领域，如液氧、液氮储罐，国内已有成熟的设计、建造技术。四川空分设备（集团）有限公司从20世纪80年代开始吸收外国设计，建造大型储罐

3的先进技术，近年来自主开发了400∽6000m 的大型低温液体储罐，目前已建成该类

储罐上百台，其中2000m 3以上储罐20多台。国内近几年小型LNG 容器已建造不少，基本上都是以压力罐的方式出现，如四川空分设备（集团）有限公司最早建造的用于中原油田的600m 3子母罐。压力罐在容量小的场合是可行的，但随着容量增大其投资成本增大，发展大型常压LNG 储罐，尤其是10000m 3以上LNG 储罐已是大势所趋。 国外大型常压LNG 储罐现状,LNG 贮存是LNG 工业中非常重要的一个环节，但对LNG 接收站或调峰型液化工厂来说占有很高的投资比例，因此世界上许多国家都非常重视大型常压LNG 储罐设计和制造。阿尔及利亚、文莱和印度尼西亚等LNG 输出国和英国、法国、日本等输入国都建有大量大型常压LNG 储罐。目前LNG 在亚洲应用量最大，占全球78%，其中日本应用量占全球62%.LNG储罐储存容量通常按照液化装臵的液化能力、长距离运输所需总容量或冬季燃气调峰贮备来考虑，其工作压力可在3.4∽30KPa 之间选择。储罐形式取决于容量大小、投资费、安全因素及当地的建造条件等。目前世界上不少国家都有能力和技术建造大中型常压储罐。容量为45000∽200000m 3数百台LNG 储罐在许多国家和地区正发挥着基本负荷贮存、高峰负荷贮存及终端贮存的各种功能。 液化天然气应急事故备用站是集液化、储存、气化、输配天然气等功能为一体的综合性生产机构，LNG 储罐是LNG 接收站的主要设施，LNG 储罐的正常运行是整个LNG 接收站保持正常运转的关键。储罐均为双层结构，内筒体为含9%Ni低温钢，外层为碳钢，中间绝热层为膨胀珍珠岩，罐底绝热层为泡沫玻璃。储罐容量一般都是在10000 m3以上，LNG 储罐投资巨大，截止2001年世界LNG 液化基地和接受基地62处中，共有309座LNG 储罐，其中日本168座，其它地区141座。LNG 储罐容量随着时代进展也在不断扩大，20世纪70年代前为60000m 3以下；90年代超过60000m 3，以100000m 3的储罐为主，120000m 3以上的储罐占44%，最大的是日本根岸LNG 接收站终端和扇岛LNG 接收站终端的地下储罐，容量大200000m 3

2.4低温容器配件

我国生产的低温容器配件基本上能满足低温容器配套的需要，如真空绝热管道硬管和软管都有，可满足长距离输送低温液体，蒸发损失小，真空保持时间长，流体介质压降低，高真空绝热低温阀门，高真空阀，真空规管，真空设备，测真空仪器，但有些低温动设备还需进口，如LNG 低温潜液泵，LNG 管道转注泵，

2.5低温容器销售情况

国内低温容器已逐渐被国外用户接收，很多公司已把生产的低温容器远销东南亚、欧洲、非洲、美洲等各国各地区，特别是工业气体低温罐箱（10英尺、20英尺）销售量较大，今年大多数低温容器公司活较多，生产能力跟不上，有规模有财力的公司

正在加紧扩建增大产能，如广西广汇低温09年销售合同6000万元人民币，10年销售合同150000万元人民币, 今年已签合同250000万元人民币, 达产可作到350000万元人民币。

三. 低温容器发展趋势

纵观LNG 储罐的发展历程可以看出，储罐大型化是必然趋势，其具有以下突出优点：储罐越大，越节省钢材、节省投资，布局紧凑，占地面积小。在总容积相同的情况下，几台大设备要比一群小设备占地面积节省得多；便于操作管理，几台大设备比一群小设备在检测、维修和管理等方面都比较方便。这些优点是储罐大型化的动力。大型常压LNG 储罐将会成为LNG 储罐的发展趋势。这有利于LNG 的统一管理，从而可以使LNG 的利用更加安全、合理。LNG 储罐的常压化可以使LNG 储罐在建造过程中可以节省更多的人力、物力，并且也降低了在LNG 使用过程中的危险。由此可见综合考虑各方面因素，进一步加强对液化天然气低温储罐的研究对推动液化天然气工业的发展，解决日益恶化的环境问题和能源危机具有十分重要的现实意义，大型常压储罐是大势所趋。 为节省材料降低制造、运输和安装过程中的能耗，实现安全、经济、资源节约的发展理念，确保安全的前提下减薄壁厚减轻重量，有利于提高产品经济性和竞争力。随着新钢材、新焊材、新焊接工艺、新焊接设备的出现，低温容器发展将趋向于节能、降耗、轻型化。轻型化已成为压力容器主导的发展方向，特别是奥氏体不锈钢应变强化技术的普及，低温铁路罐车的应用推广将是以后低温容器新产品的开发趋势。 国际上LNG 船已向大型化发展，中国中船集团正在加紧开发新一代超大型LNG 船, 16万m 3和20万m 3两类型双燃料动力的新型LNG 船，其中完全由中国新产自己设计的电力推进的16万m 3LNG 船已于2007年推向国际市场。在LNG 市场需求推动下，中国LNG 船建造船的规模和艘数也在迅速扩大，在2008年∽2015年需求15∽30艘LNG 船，2010年需求10艘LNG 船, 2015年需求20艘LNG 船.

LNG加气市场，各类加气站（LNG ，L-CNG ）和车用船用的整个供气系统，LNG 卫星站、汽化站所需配套的低温容器，LNG 运输槽车，LNG 移动加液车，LNG 低温绝热气瓶，这些低温容器将是LNG 绿色燃料代替其它燃料的发展方向。

无论从性能指标，还是环保考虑，今后的低温储运容器主要是高真空多层绝热，其成本随着合理工艺及新的材料开发会不断降低。因技术含量高，竞争的企业会越来越少，低温储存设备的利润今后一定在高真空多层绝热的容器上。