16萬m3LNG儲罐罐頂氣頂升工藝研究

張成偉，洪 寧，呂國鋒

（中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226400）

16萬m3LNG儲罐罐頂氣頂升工藝研究

張成偉，洪 寧，呂國鋒

（中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226400）

16萬m3LNG全容式儲罐目前是國內(nèi)、國際上LNG接收站存儲系統(tǒng)常用的儲罐結(jié)構(gòu)型式。其中罐頂?shù)臍忭斏ば蚴莾奘┕さ碾y點之一，安全風(fēng)險高。文章論述了16萬m3全容式LNG儲罐罐頂氣頂升的工藝原理、頂升方案的設(shè)計方法及操作要點，介紹了罐頂氣頂升工藝的關(guān)鍵技術(shù)，包括平衡導(dǎo)向系統(tǒng)、密封裝置系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、配重系統(tǒng)、罐頂固定裝置等，并對罐頂氣頂升的主要步驟進(jìn)行了說明。

LNG儲罐；罐頂；氣頂升工藝

0 引言

16萬m3LNG全容式儲罐罐頂通常由拱頂鋼結(jié)構(gòu)、吊頂結(jié)構(gòu)、罐頂配管附件等幾部分構(gòu)成。罐頂氣頂升工藝的基本原理：利用拱頂與外罐混凝土罐壁之間可形成相對密閉空間的特點，使用鼓風(fēng)機(jī)向儲罐拱頂以下的密閉空間內(nèi)源源不斷地輸送一定量的低壓空氣，使罐頂鋼結(jié)構(gòu)在克服自重及與外罐罐壁之間摩擦力的情況下，按照預(yù)定路徑平穩(wěn)上升至設(shè)計高度，并實現(xiàn)與罐頂承壓環(huán)連接的過程。

氣頂升工藝系統(tǒng)主要包括：平衡導(dǎo)向系統(tǒng)、密封裝置系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、配重系統(tǒng)、罐頂固定裝置等幾個部分。16萬m3LNG全容式儲罐罐頂總質(zhì)量一般約為600～700 t，直徑80 m左右，罐頂拱高約為10 m。如此大體積、大質(zhì)量的鋼結(jié)構(gòu)平穩(wěn)上升36 m左右的高度具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度，需要對每個系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密的計算、調(diào)試及相互配合才能成功實現(xiàn)。

1 氣頂升方案設(shè)計

1.1 平衡導(dǎo)向系統(tǒng)

平衡導(dǎo)向系統(tǒng) （簡稱平衡裝置）主要由頂部錨固件、底部錨固件、中間導(dǎo)向滑輪組及鋼絲繩拉索等幾部分組成。其平衡鋼絲繩組數(shù)由罐頂鋼結(jié)構(gòu)徑向梁的數(shù)量決定，一般不低于24組，沿儲罐圓周等分均布。每一組平衡裝置必須處于同一豎直平面上。平衡裝置因底部錨固方式不同，有底部邊緣對稱錨固及底部中心錨固兩種。

1.1.1 底部邊緣對稱錨固平衡裝置

平衡裝置的頂部錨固件可以是T型支架或A型支架。僅以T型支架為例，每組平衡鋼絲繩由頂部支架開始，一端固定在外罐罐壁 （PC墻）承壓環(huán)的外側(cè)，通過花籃螺栓聯(lián)結(jié)調(diào)節(jié)鋼絲繩的張力，另一端繞過T型支架豎直向下穿過罐頂板，通過固定在拱頂鋼結(jié)構(gòu)徑向梁一側(cè)的第一個導(dǎo)向滑輪，引向?qū)ΨQ方向的第二個導(dǎo)向滑輪，然后向下固定于底部錨固件上（見圖1）。

底部邊緣對稱錨固平衡裝置的相互對稱的兩組平衡鋼絲繩共同作用，將罐頂鋼結(jié)構(gòu)的運動方向鎖定在平衡鋼絲繩向上平移的路徑中，從而使罐頂處于水平狀態(tài)達(dá)到平衡效果。我們稱這種平衡工藝為底部邊緣對稱錨固平行線平衡法。

1.1.2 底部中心錨固平衡裝置

與底部邊緣對稱錨固不同的是每組平衡鋼絲繩在繞過T型支架豎直向下后不是穿過罐頂板，而是經(jīng)過固定在拱頂鋼結(jié)構(gòu)徑向梁上的轉(zhuǎn)向滑輪改變方向，沿著兩組導(dǎo)向滑輪引向位于罐頂頂部的中心滑輪組，再次改變方向向下穿過罐頂板引至并固定于底部中心錨固件上，錨固件預(yù)埋在承臺中心（見圖2）。

底部中心錨固平衡裝置的每組平衡鋼絲繩并不完全依賴對稱方向的平衡鋼絲繩共同作用。通過鋼絲繩的張力和滑輪組鎖定的行走方向，限制罐頂?shù)倪\動路徑，多組平衡鋼絲繩的共同作用使罐頂被鎖定在水平狀態(tài)下平穩(wěn)上升。所以我們稱這種平衡工藝為底部中心錨固限位平衡法。

1.1.3 平衡導(dǎo)向系統(tǒng)的安裝要點

（1）鋼絲繩的選取要在經(jīng)過鋼絲繩的受力計算后確定，鋼絲繩總的受力F：

式中F——鋼絲繩總的受力；

Fmax——最大預(yù)緊力；

ΔF——罐頂出現(xiàn)最大允許傾斜時鋼絲繩延展受力增量。

（2）有4組帶有張力計的平衡鋼絲繩均勻分布，初始預(yù)緊力必須相同，并且在頂升過程中時刻監(jiān)測拉力計的度數(shù)。使用同一張力計檢查所有平衡鋼絲繩的預(yù)緊張力，提起相同高度，讀數(shù)相同。

（3）檢查平衡鋼絲繩鎖定的運動軌跡，任何部位不得有部件阻擋。并確保每個轉(zhuǎn)向滑輪、導(dǎo)向滑輪與鋼絲繩的配合通暢，防止脫道。

（4）鋼絲繩的繩頭必須用4個鋼絲繩夾扣固定，逐個檢查每個卡扣的安裝方向、間距、緊固螺栓扭力。

1.2 密封裝置系統(tǒng)

1.2.1 罐頂氣頂升的密封

氣頂升的密封工作主要包括：拱頂邊緣與PC墻之間的密封、施工門洞的密封、所有罐頂開孔的密封、排水孔的密封和PC墻體施工孔洞的密封。密封裝置系統(tǒng)主要指拱頂鋼結(jié)構(gòu)邊緣與PC墻之間的密封結(jié)構(gòu) （見圖3）。

首先在拱頂板邊緣一周安裝密封板固定圈。密封板與固定圈用螺栓聯(lián)結(jié)，密封板材料要求具有一定的強(qiáng)度及彈性，可緊貼PC墻內(nèi)壁滑動且不會被吹翻。一般采用鍍鋅鐵皮作為密封板材料。密封板內(nèi)襯密封材料，要求不透氣、防火及耐磨。密封裝置的所有接縫必須緊密粘接。

1.2.2 密封裝置的安裝要點

（1）密封板及密封材料如果在同一工程中被首次使用，必須對密封裝置做強(qiáng)度試驗。試驗的目的是保證在最不利的情況下密封板不會被罐內(nèi)的氣壓掀翻。最不利的情況需要考慮：罐內(nèi)可能出現(xiàn)最大氣壓時密封板所承受的壓力；密封板與PC墻之間可能出現(xiàn)的最大間隙；罐頂發(fā)生傾斜時密封板與PC墻之間的最大夾角。

（2）密封裝置應(yīng)在PC墻內(nèi)壁修補(bǔ)完成后安裝，以避免雜物損傷密封面。PC的修補(bǔ)包括表面平整處理，各類毛刺、異物的清理及空洞的修補(bǔ)。

（3）密封裝置的安裝要確保每個接縫有足夠的搭接寬度并且粘接牢固，密封面沒有破損缺陷及漏氣點。

（4）密封裝置的所有材料必須防火，否則在罐頂與承壓環(huán)的焊接過程中一旦點燃密封裝置，可能引發(fā)安全事故。

1.3 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)是儲罐頂升的動力系統(tǒng)，也是氣頂升工作的關(guān)鍵。供氣系統(tǒng)的設(shè)計要完成升頂風(fēng)壓、風(fēng)量的確定；風(fēng)機(jī)選型；供電系統(tǒng)、風(fēng)道、風(fēng)壓調(diào)節(jié)及測量裝置的設(shè)計等。

1.3.1 升頂風(fēng)壓的確定

理論上只要罐頂受到的空氣浮力與它的自重形成一對平衡力，罐頂便可平穩(wěn)上升，所以理想狀態(tài)下頂升風(fēng)壓為罐頂自重與罐內(nèi)空間水平橫截面積之比。但實際中由于存在風(fēng)量損失、罐頂與PC墻之間的摩擦力等附加因素，升頂壓力的計算必須考慮附加系數(shù)。

式中P升——升頂風(fēng)壓/Pa；

P平——平衡風(fēng)壓/Pa；

K1——風(fēng)壓附加系數(shù)；一般取1.1～1.3；G——頂升最大重力/N；

S——罐內(nèi)空間水平橫截面積/m2。

1.3.2 風(fēng)量計算

風(fēng)量指儲罐罐頂在升頂風(fēng)壓的作用下，升頂至預(yù)定高度所需要的總進(jìn)風(fēng)量Q。根據(jù)氣體方程，假設(shè)溫度一定時，則PV=恒量，即有：

式中Q——進(jìn)風(fēng)量/m3；

V——頂升后儲罐內(nèi)總?cè)莘e/m3；

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓/Pa；

V0——頂升前罐頂內(nèi)的初始容積/m3。

考慮到升頂過程中的風(fēng)量損失，計算進(jìn)風(fēng)量Q時需要加上一個調(diào)整系數(shù)K2，即風(fēng)量的計算式為：

1.3.3 風(fēng)機(jī)選型及布置

升頂速率一般為200～300 mm/min，根據(jù)前面的計算結(jié)果，可以得出進(jìn)風(fēng)速率及完成頂升行程需要的總時間。由這些參數(shù)即可確定風(fēng)機(jī)的參數(shù)，從而對風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型。

風(fēng)機(jī)選型及布置一般遵循大風(fēng)量、大風(fēng)機(jī)或小風(fēng)量、多風(fēng)機(jī)兩種設(shè)計原則。

（1）大風(fēng)量、大風(fēng)機(jī)一般布置3臺鼓風(fēng)機(jī)，其中一臺作為主吹風(fēng)機(jī)，一臺作為輔吹風(fēng)機(jī)，另一臺備用。主吹風(fēng)機(jī)提供70%～80%的風(fēng)量，備用風(fēng)機(jī)作為出現(xiàn)故障時的應(yīng)急措施。

（2）小風(fēng)量、多風(fēng)機(jī)一般布置5～10臺鼓風(fēng)機(jī)。采取3用2備 （5臺），4用3備 （7臺），5用5備 （10臺）的應(yīng)急保障方案。

（3）兩種設(shè)計方案均可實現(xiàn)儲罐罐頂?shù)捻樌斏?，且在國?nèi)外的LNG儲罐施工中均有成功案例。例如國內(nèi)福建LNG采用小風(fēng)量、多風(fēng)機(jī)的設(shè)計方案；而廣東大鵬LNG、上海LNG、江蘇LNG及大連LNG均采用 “大風(fēng)量、大風(fēng)機(jī)”的設(shè)計方案。在江蘇LNG項目的T1201儲罐施工中，成功實現(xiàn)了僅用110 min完成頂升工作，頂升速率突破330 mm/min。風(fēng)機(jī)選型及布置原則比較見表1。

表1 風(fēng)機(jī)選型及布置原則比較

雖然大風(fēng)量、大風(fēng)機(jī)的設(shè)計方案已在國內(nèi)的LNG儲罐施工中得到廣泛的應(yīng)用，但要考慮到主吹風(fēng)機(jī)一旦出現(xiàn)故障停止供氣，罐內(nèi)氣壓驟減，罐頂瞬間失去上升動力，而備用風(fēng)機(jī)的緊急供風(fēng)能否及時、有效，并迅速恢復(fù)頂升動力在實際操作中尚未得到實踐和證實。由此帶來的安全隱患是不容忽視的。

小風(fēng)量、多風(fēng)機(jī)的設(shè)計方案由多臺風(fēng)機(jī)供風(fēng)，不會因為1臺甚至2臺風(fēng)機(jī)停吹而失去頂升動力，一旦有風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，可以首先通過加大正常工作風(fēng)機(jī)的供氣量，然后啟動備用風(fēng)機(jī)，穩(wěn)步地使供氣系統(tǒng)恢復(fù)正常。

對于LNG儲罐罐頂氣頂升工作來說，安全性是首要的，因此推薦采用小風(fēng)量、多風(fēng)機(jī)的設(shè)計方案更具安全性。

1.3.4 供氣系統(tǒng)配套設(shè)施的設(shè)計及制作

（1）供電系統(tǒng)。要求為供氣系統(tǒng)提供兩路獨立的供電裝置，并且可以保證在一路供電裝置出現(xiàn)故障時可迅速地切換到另一路供電裝置。通常采用一路市電，一路柴油發(fā)電機(jī)組組成的雙路供電系統(tǒng)。

（2）風(fēng)道及風(fēng)壓調(diào)節(jié)裝置。每臺風(fēng)機(jī)均有獨立的風(fēng)道向罐內(nèi)送風(fēng)，并安裝有獨立的蝶閥或閘板閥用以調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量。

（3）測量裝置的制作。

a.制作三套U型壓力計 （圖4），分別安放于風(fēng)機(jī)附近、罐底與罐頂，用以觀測罐內(nèi)不同部位與罐外大氣壓的壓差，罐底與罐頂壓力計的連通管盡量遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)口，避免讀數(shù)出現(xiàn)偏差。

b.在PC墻內(nèi)壁的0°～270°軸線上每間隔1 m標(biāo)出高度線，實時監(jiān)測升頂高度及速率。

c.至少在4條軸線上安裝50 m盤尺，用以觀測罐頂?shù)膬A斜度。

1.4 配重裝置

配重裝置的主要作用是通過在罐頂及吊頂上附加配重布置調(diào)整罐頂重量均勻分布，在相同的風(fēng)壓作用下得到均等的壓強(qiáng)。

即使罐頂結(jié)構(gòu)設(shè)計本身是均布的，但仍然需要設(shè)置配重。因為罐頂荷載的不均勻分布并非是罐頂發(fā)生傾斜的全部原因。摩擦力不均等、局部風(fēng)量泄漏量不一致等因素均可能造成罐頂發(fā)生傾斜。通過罐頂外部的配重調(diào)整可使罐頂處于水平狀態(tài)，并避免工作人員進(jìn)入罐內(nèi)。

配重裝置的安裝要點：

（1）計算并繪制配重布置圖，用于配重的材料必須逐個稱重、編號，按布置圖布置。

（2）配重材料可就地取材，擺放后固定，不得移位。

（3）清除所用非配重件及雜物，并反復(fù)檢查。

1.5 罐頂固定裝置

16萬m3LNG全容式儲罐罐頂氣頂升工藝的罐頂固定裝置與常規(guī)的立式圓筒儲罐基本相同，需要重點說明的要點有：

（1）在罐頂與承壓環(huán)焊接牢固后，鼓風(fēng)機(jī)才能停止工作。

（2）固定點首先由平衡機(jī)構(gòu)附著的罐頂徑向梁開始，然后是其他徑向梁，最后是罐頂板的固定。

（3）頂升前，罐頂上表面應(yīng)預(yù)先安裝固定掛件，方便頂升就位時實現(xiàn)快速連接。

（4）合理安排焊工人數(shù)并均勻布置，預(yù)備足夠的工裝器具 （倒鏈、楔子、千斤頂、工卡具）及焊接材料。

1.6 指揮及通訊系統(tǒng)

（1）成立罐頂氣頂升工作組，建立相應(yīng)組織機(jī)構(gòu)，細(xì)致分工，明確各個崗位人員的任務(wù)和職責(zé)。

（2）通訊系統(tǒng)要求采用佩戴耳機(jī)的無線對講機(jī)，以克服鼓風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、工作操作等噪音干擾。對講機(jī)需配備一塊備用電池。對講機(jī)的數(shù)量至少要保證頂升指揮長、總工程師、風(fēng)機(jī)工程師、安全總監(jiān)、應(yīng)急小組組長、平衡裝置張力計觀測人員、升頂高度監(jiān)測人員人手一臺，備用對講機(jī)也要有若干臺。

2 罐頂氣頂升步驟

氣頂升的主要步驟為：準(zhǔn)備工作→預(yù)頂升→調(diào)整與檢查→氣頂升→罐頂固定。

2.1 準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作主要為完成罐頂氣頂升工藝的設(shè)計、制作及所有相關(guān)工裝、部件、工序驗收的檢查工作。

（1）編制詳細(xì)的罐頂氣頂升工作計劃，并通過氣頂升方案審查。

（2）技術(shù)交底，明確所有參與氣頂升工作人員的職責(zé)要求及崗位分工，并反復(fù)演練。

（3）檢查外罐罐壁的幾何尺寸，修補(bǔ)缺陷，并組織中間驗收。

（4）檢查所有頂升系統(tǒng)制作的符合性、完整性及相應(yīng)備品備件。

（5）關(guān)注氣頂升階段的天氣狀況，選擇晴朗無風(fēng)的天氣。并且在白天完成氣頂升全過程。

2.2 預(yù)頂升

罐頂預(yù)頂升的高度一般為1 m，其操作步驟與正式頂升完全一致，相當(dāng)于罐頂氣頂升的實際預(yù)演，對整個系統(tǒng)的有效性及安全性實施檢驗；預(yù)頂升的另一個關(guān)鍵目的是對氣頂升工藝設(shè)計中相關(guān)參數(shù)的計算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。尤其是確定實際操作時頂升風(fēng)壓P升、平衡風(fēng)壓P平、進(jìn)風(fēng)速率等。

2.3 調(diào)整與檢查

根據(jù)預(yù)頂升的結(jié)果調(diào)整系統(tǒng)的不足和缺漏，并對照檢查表反復(fù)檢查所有系統(tǒng)。

2.4 罐頂氣頂升的主要步驟

（1）所有工作人員進(jìn)入工作狀態(tài)，檢查通訊系統(tǒng)的完好性，檢查備品備件、工裝器具的準(zhǔn)備就位情況，啟動風(fēng)機(jī)空載運轉(zhuǎn)確認(rèn)其運轉(zhuǎn)正常。在所有狀態(tài)得到完好確認(rèn)后，開始升頂。

（2）開啟進(jìn)風(fēng)閥向罐內(nèi)鼓風(fēng)，在頂升高度1 m以下時，控制頂升速率在100 mm/min左右。罐頂升至1 m時調(diào)整風(fēng)壓使罐頂懸浮，再次檢查平衡壓力、供風(fēng)系統(tǒng)、罐頂?shù)钠胶舛取⑵胶怃摻z繩的張力等。

（3）調(diào)整風(fēng)壓以200～300 mm/min的速率繼續(xù)頂升。

（4）頂升至罐頂距離承壓環(huán)的間距小于1 m時，調(diào)整風(fēng)壓以不超過100 mm/min的速率頂升，直至罐頂達(dá)到預(yù)定位置與承壓環(huán)平穩(wěn)接合。

（5）罐頂就位后，快速將安裝在罐頂徑向梁的固定裝置掛件與承壓環(huán)連接鎖定。調(diào)整罐頂與承壓環(huán)的焊縫間隙，首先從罐頂徑向梁開始向兩側(cè)延展定位并焊接，直至完成整個罐頂?shù)墓潭ㄟ^程。

（6）逐個并緩慢地調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，罐內(nèi)泄壓，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)。

3 結(jié)束語

國內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)正處于興起階段，LNG接收站的設(shè)計與建設(shè)正處于自主研究、成長的初步階段。仍有許多課題和關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究。本文簡單論述了16萬m3全容式LNG儲罐罐頂氣頂升工藝原理、頂升方案的設(shè)計方法及操作要點，為LNG儲罐或類似大型儲罐建設(shè)提供參考。

［1］ BS 7777：Part2-1993，F(xiàn)lat bottomed vertical cylindrical storage tanks for low temperature service［S］.

［2］SH/T 3530-2001，石油化工立式圓筒形鋼制儲罐施工工藝標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］SH/T 3537-2002，立式圓筒型低溫儲罐施工技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］GB 50128-2005，立式圓筒型鋼制焊接儲罐施工及驗收規(guī)范［S］.

［5］葉海明.50 000 m3LNG儲罐鋼罐頂氣升技術(shù)[J].施工技術(shù)，2009，

（11）：34-36.

Research on Gas Lift Process for 16×104m3LNG Storage Tank Roof

ZHANG Cheng-wei（CNPC Jiangshu LNG Co.,Ltd.,Nantong 226400， China），HONG Ning， LU Guo-feng

Full capacity LNG storage tank of 16×104m3is the common type used in storage systems of LNG receiving stations at home and abroad.The gas lift process for such tank roof is one difficult task of tank construction with high safety risk.This paper discusses the principle,scheme design method and key operation points of the tank roof gas lift process for the 16×104m3full capacity LNG storage tank,describes the key techniques of gas lift,including balance guiding system,airproof system,gas supply system,counterweight system and tank roof fixed device,and explains the main operation procedures.

LNG storage tank;tank roof;gas lift process

TE972

B

1001－2206（2010）02－0032－05

張成偉 （1962-），男，四川南充人，高級工程師，1984年畢業(yè)于重慶大學(xué)，一直從事石油天然氣工程建設(shè)的管理工作。

2010-01-18