Giải pháp hàn bồn chứa LNG

1. Nhu cầu và lợi ích của khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên là hy-đrô các-bonđốt cháy sạch nhất khi chỉ sinh ra một nửa lượng các-bon đi-ô-xit (CO2) và 1/10 lượng chất gây ô nhiễm không khí so với than đá khi đốt để sản xuất điện. Nếu mức độ tiêu thụ giữ nguyên như ngày nay thì chúng ta sẽ có đủ nguồn tài nguyên khí thiên nhiên có thể sử dụng trong khoảng 230 năm tới. Các nhà máy điện chạy bằng khí sẽ tốn ít thời gian để khởi động và tạm ngừng hơn so với nhà máy chạy bằng than đá. Tính linh hoạt này giúp khí thiên nhiên trở thành một yếu tố kết hợp hoàn hảo với các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và sức gió, vì những nguồn này chỉ có sẵn khi có ánh nắng mặt trời hay có gió thổi.

LNG là từ viết tắt của Liquefied Natural Gas, có nghĩa là khí tự nhiên hóa lỏng. Khí ga tự nhiên ở đây nguyên bản là khí Methane (Mê-tan), có công thức hóa học là CH4. Đây là một khí phổ biến trong tự nhiên, có nhiệt độ sôi ở khoảng -162 ^oC, và dễ cháy ở điều kiện thường khi nồng độ trong khoảng từ 5.4-17%. Khi hóa lỏng (thường ở khoảng -160 ^oC, hoặc thấp hơn), khí chiếm 1/600 thể tích khí thiên nhiên ở điều kiện tiêu chuẩn, chinh vì thê khí LNG thuận tiện cho việc tồn chứa, vận chuyển từ nơi sản xuất đến các thị trường tiêu thụ ở xa. Sau khi được vận chuyển đến nơi tiêu thụ , LNG được chuyển trở lại trạng thái khí khi đi qua thiết bị tái hóa và loại bỏ các tạp chất như: CO2, hơi nước, lưu huỳnh… sau đó được bơm vào đường ống vận chuyển đến các hộ tiêu thụ. LNG được sử dụng tương tự như khí khô phục vụ cho nhu cầu khí của các nhà máy điện, hộ công nghiệp, khu đô thị. Hiện nay, ở nhiều nước trên thế giới LNG còn được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải: tàu biển, tàu hỏa và xe vận tải nặng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

2. Bồn chứa LNG

Như đề cập ở phần trên, khí ga hóa lỏng LNG ở nhiệt độ rất thấp (nhỏ hơn -160 oC), nên thiết bị chứa phải được làm từ các vật liệu chịu lạnh tốt, các mối hàn tuy nhỏ nhưng đóng vai trò vô cùng quan trọng đôi với kết cấu bồn chứa khí LNG. Với những yêu cầu đặc biệt như vậy, vật liệu thường được sử dụng làm bồn chứa LNG và các thiết bị trao đổi nhiệt được làm từ thep hợp kim 5-9% Nikel, hợp kim nhôm A5083/ A6063, thép không gỉ 304L/ 316L và một số chi tiết được làm từ thép C-Mn. Có thể tham khảo các loại vật liệu sử dụng làm bồn chứa tương ứng với các loại khí tự nhiên hóa lỏng như sau:

Bồn chứa LNG là một thiết bị rất quan trọng trong công nghiệp chế biến khí tự nhiên hóa lỏng, và thường được phân loại theo kiểu hoặc vị trí lắp đặt (cố định hoặc trên các thiết bị chuyên trở, trên mặt đất, giữa hay dưới mặt đất). Với các loại bồn chứa cố định, có thể được thiết kế theo các tiêu chuẩn ASME BPVC sec. VIII, div.1, div.2, API 620, API 660, NFPA 59A, BS EN 14620-1, JIS B8265, JIS B8267, và phân loại theo một trong bốn kiểu sau đây:

4 kiểu bồn chứa LNG cơ bản

3. Cấu tạo và khuyến cáo hàn bồn LNG full Containment

Bồn chứa Full Containment là loại bồn phổ biến nhât vì tính kinh tế và làm việc an toàn. Cấu tạo chính bao gồm:

• Buồng hơi (1-vapor barrier): được làm từ thép cacbon có chiều dày rất mỏng. Phần này tạo một lớp bảo vệ giữa phần lòng trong của bồn (inner tank) và phần bê tông (Pre-stressed Concrete – PC) nằm ở phía ngoài. Với kết cấu thành mỏng, phương pháp tối ưu để hàn cho kết cấu này là sử dụng dây lõi thuốc (FCAW), vật liệu Outershield MC460VD-H để tránh những biến dạng không mong muốn. Hoặc có thể dùng với hàn que (SMAW), sử dụng que hàn Conarc 51 hoặc Conarc 49C.
• Hệ ống bên trong (2-internal piping): Khí hóa lỏng được vận chuyển từ bồn thông qua hệ đường ống thép không gỉ. Để hàn kết cấu ống này cần yêu cầu loại vật liệu hàn đặc biệt để bảo đảm được độ dai va đập và tránh biến dạng dẻo (lateral expansion). Có thể hàn SMAW với que Ultramet 308LCF/ 316LCF, Hàn FCAW với dây hàn Supercore 308LCF/ 316LCF, Hàn TIG/GMAW+SMAW với que ER308LCF/ ER316LCF + P2007.
• Lớp mặt sàn treo (3-Suspended deck): Mặt sàn treo được gắn với nắp bồn chứa thông qua các thanh giằng bằng thép cacbon hoặc thép không gỉ nối với các kèo/ dầm mái. Lớp sàn treo này thường được làm bằng hợp kim nhôm A5083, có hình vành khuyên, bảo đảm kín khít để ngăn lớp khí lỏng bên trong bồn với lớp hơi ở phía trên. Có thể hàn kết cấu này bằng phương pháp hàn TIG/GTAW dùng que Superglaze 5183 hoặc hàn GMAW với dây superglaze 5183.
• Khớp nối thân trong bồn (4-inner tank knuckle joints): Các khớp nối tăng cưng yêu cầu hàn ở vị trí 4G/4F. Với các kết cấu này thường mối hàn yêu cầu hệ xỉ đặc biệt để bảo đảm ổn định hồ quang và tạo dáng môi hàn cũng như bảo đảm chất lượng. Khuyến cáo dùng với phương pháp hàn SMAW và que hàn đặc chủng Nyloid 4.
• Liên kết ngang bên trong bồn (5-Inner tank horizontal joints): Thân trong bồn được làm từ thép 9% Nikel, và hàn giữa các tấm đặt nằm đứng. Có thể tiến hành hàn đồng thời mối hàn từ hai phía hoặc hàn theo thứ tự lần lượt từng mặt. Khuyến cáo sử dụng hàn SAW với vật liệu: LNS NiCroMo 60/16 + P2007, LNS NiCro 60/20 + P2007, Techalloy 276 + P2007, Techalloy 625 + P2007.
• Liên kết hàn đứng bên trong bồn (6-Inner tank vertical joints): Các liên kết hàn hợp kim 9% Ni được hàn đứng từ dưới lên, có thể hàn với phương pháp hàn que (SMAW) với que hàn Nyloid 2/ Nimrod 625KS hoặc hàn FCAW (tự động/bán tự động) dùng dây Supercore 625P.
• Đáy bồn (7-Inner tank bottom): Đáy bồn thường được hàn ở tư thế hàn 2G, và liên kết thường được gá đặt trước từ trong xưởng sử dụng quá trình hàn hàn dưới lớp thuốc (SAW) dùng que hàn LNS NiCroMo 60/16 + P2007 hoặc LNS NiCro 60/20 + P2007. Sau đó tại công trường có thể sử dụng hàn FCAW với dây Supercore 625P, hoặc hàn que SMAW với que hàn Nyloid 2/ Nimrod 625KS.

Cấu tạo chung của bồn chứa LNG

4. Hàn các mối hàn ngang thân trong bồn

Để hàn mối hàn ngang thân trong bồn LNG, có thể sử dụng hàn SAW một phía hoặc hàn từ hai phía (với chiều dày trên 11mm), cách chuẩn bị mép liên kết có thể tham khảo như hình sau đây:

Mối hàn ngang thân bồn (2G)

Với công nghệ hàn Power wave, việc điều chỉnh năng lượng đường (heat input) và kiểm soát nhiệt để bảo đảm chiều sâu ngấu, cơ tính trở nên dễ dàng hơn. Dây hàn hợp kim alloy 267 được khuyên cáo sử dụng vì khả năng chống nứt nóng hiệu quả và có thể sử dụng với dây đường kính lớn. Chế độ hàn 2G khuyến cáo cho các đường hàn như sau:

5. Hàn các mối hàn đứng thân trong bồn

Với các mối hàn leo thân bồn, phương pháp hàn FCAW được khuyến cáo sử dụng. Cách chuẩn bị liên kết được DGWelding chia sẻ như trong hình dưới đây:

6. Các mối hàn khác

Với các liên kết hàn cho vật liệu là thép không gỉ, cần lưu ý lựa chọn đúng vật liệu hàn và thông số chế độ hàn phù hợp nhằm kiểm soát hàm lượng Ferrite trong dải tiêu chuẩn (FN 2-5), Theo ASME VIII, yêu cầu FN tối thiểu là 5, và FN 3-10 với các ứng dụng ở nhiệt độ trên 427 oC. Trong khi đó, API 582 yêu cầu FN tối thiểu 3. Bởi vậy, khuyến cáo FN cho các kết cấu này thấp nhất có thể.

7. Tổng hợp khuyến cáo lựa chọn vật liệu hàn bồn chứa LNG

UNALLOYED STEELS // MILD STEEL CONSUMABLES

STAINLESS STEEL // CRYOGENIC STAINLESS STEEL CONSUMABLES

NICKEL BASE ALLOYS // ALLOY C & B CONSUMABLES