LNG 雙金屬壁單容儲罐起頂工藝研究

蘭洪強 雒定明 劉繼銀 劉文廣 葉 樺 張 毅 劉萍萍

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中國石油西氣東輸管道分公司蘇浙滬管理處，江蘇 南京 210002

0 前言

近年來，LNG 在我國蓬勃發(fā)展，LNG 雙金屬壁單容儲罐的容量也在不斷增加，從5000m3增加到30000 m3，甚至更大［1］；如在建的湖北500×104m3/d LNG 工廠（國家示范工程）包含了兩臺30 000 m3LNG 雙金屬壁單容儲罐。LNG 儲罐作為LNG 工廠的核心設備，從基礎到外罐、內(nèi)罐的竣工都有著嚴格的質(zhì)量控制程序，這樣才能保證安全可靠［2-13］。

LNG 雙金屬壁單容儲罐罐頂在以往施工過程中通常采用倒裝法，施工程序見圖1。其中焊接抗壓環(huán)的主要目的是將拱梁和承壓圈連接成一體，以便承受較大載荷，同時使每根拱梁環(huán)向固定、均勻分布。在長期現(xiàn)場實踐中，承壓圈焊接后直接焊接抗壓環(huán)導致了以下問題：

圖1 LNG 儲罐傳統(tǒng)焊接程序

a）由于承壓圈通常只有600 mm 長，所以承壓圈與抗壓環(huán)之間空間狹小，焊工在狹小的空間進行焊接作業(yè)的勞動強度非常大，焊縫質(zhì)量得不到保證。

b）焊接行車軌道的空間也有限，影響了施工進度，見圖2。

圖2 LNG 單容罐儲罐罐頂各部分示意圖

1 壁板增大空間施工工藝

由于上述情況，需要一種新的施工工藝來解決這些問題，且同時還不能影響起頂?shù)陌踩?，因此提出了壁板增大空間施工工藝，見圖3。在焊接抗壓環(huán)之前，先焊接最后一圈外罐壁板（LNG 單容罐采用倒裝法），一圈壁板長度為1.5～2.5 m，這樣將抗壓環(huán)與承壓圈之間的空間增大，約為原來的4 倍，焊工可直立進行焊接，同時也有足夠的空間焊接行車軌道。

圖3 壁板增大空間施工工藝

2 可靠性分析

壁板增大空間施工工藝，將抗壓環(huán)放在起頂之后，減小了整個罐頂載荷能力，增加的一圈壁板與行車軌道相對傳統(tǒng)工藝在這個環(huán)節(jié)上增大了載荷，因此必須對壁板增大空間施工工藝進行可靠性分析，這是新工藝應用于現(xiàn)場的基礎與關(guān)鍵。

2.1 基礎數(shù)據(jù)獲取與模型建立

為獲取準確的分析結(jié)果，以現(xiàn)階段國內(nèi)容量較大的LNG 雙金屬壁單容儲罐（儲量30 000 m3）為對象，按實際現(xiàn)場安裝尺寸與質(zhì)量建立相應模型。由于罐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以只需取一根拱梁及相應的承壓圈建立模型進行分析即可，罐頂拱梁均勻分布見圖4，基礎數(shù)據(jù)見表1，模型建立見圖5。

表1 LNG雙金屬壁單容儲罐基礎數(shù)據(jù)

圖4 拱梁均勻分布于罐頂

圖5 可靠性分析模型

2.2 模型計算結(jié)果

建好模型后，對承壓圈、拱梁分別施加相應載荷，對拱梁上焊接的頂板分別作焊接1 圈頂板、焊接2 圈頂板進行分析計算，以顯示少了抗壓環(huán)后頂板的數(shù)量對應起頂工藝的影響，得出在新工藝中焊接頂板的圈數(shù)。分析結(jié)果見圖6～7。

2.3 結(jié)果分析

通過對少了抗壓環(huán)以后承壓圈與拱梁之間焊縫的承載能力分析及整個拱梁的形變分析可得結(jié)果：采用點處理法結(jié)果見表2；采用線處理法結(jié)果見表3。按照實際設計要求，焊接母材取Q345R，按照GB 50341-2003 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》規(guī)定，在常溫下的許用應力［σ］=217 MPa，在100 ℃下［σ］100=197 MPa，該罐設計溫度為50 ℃，通過內(nèi)插值法得出［σ］50=209.5 MPa，由于是外罐為非壓力容器，焊接系數(shù)取Φ=0.85，拱梁的許用位移為［δ］=L/5 000-L/3 000。

圖6 焊接1 圈頂板拱梁與承壓圈受力與變形

圖7 焊接2 圈頂板拱梁與承壓圈受力與變形

表2 點處理法分析結(jié)果

表3 線處理法分析結(jié)果

由表2～3 的結(jié)果可看出，按照新工工藝，在焊接抗壓環(huán)之前先焊接承壓圈、拱梁和行車軌道，整個罐頂?shù)淖畲髴μ幖性诠傲号c承壓圈的焊縫位置，焊接1 圈頂板和2 圈頂板的情況下，其最大應力均低于許用應力，跨度較大的拱梁其位移在2 種加載情況下均小于最大允許位移。但考慮到起頂過程中存在一些其他因素，如千斤頂不能完全做到一樣高等，焊接2圈板的位移3.6 mm 已經(jīng)超過了50%［δ］，所以實施新工藝時焊接1 圈頂板合理［10］。

3 現(xiàn)場應用

通過計算分析可見，壁板增大空間施工工藝具備可行性，可將其推行到現(xiàn)場施工過程中。將該項施工工藝應用于湖北500×104m3/d LNG 工廠（國家示范工程）中的1＃ 和2＃LNG 雙金屬壁單容儲罐中，1＃ 和2＃儲罐的起頂工藝完全按照壁板增大空間施工工藝進行施工，行車軌道與第11 圈壁板（倒裝法先焊接最后1 圈壁板）在焊接抗壓環(huán)之前提前預制并焊接，起頂過程中有塔吊、吊車、液壓千斤頂作為輔助設備，其中1＃儲罐由中國石油第一建設工程公司施工完成，2＃ 儲罐由中國核建第五工程公司施工完成，施工情況見圖8～9，施工結(jié)果見表4。

圖8 1# 儲罐施工情況

圖9 2# 儲罐施工情況

表4 施工結(jié)果

4 結(jié)論

LNG 雙金屬壁單容儲罐壁板增大空間的起頂工藝理論上的計算分析以及在現(xiàn)場施工中的成功運用，說明了此項施工工藝的合理性與安全性。它增大了焊接空間，減小了焊工勞動強度，保證了行車軌道和抗壓環(huán)焊縫的質(zhì)量。由于罐體較大，用塔吊配合施工較之吊車配合施工更為高效，因此在使用新工藝的同時應選塔吊作為配合施工設備。綜上所述，LNG 儲罐壁板增大空間的起頂工藝對以后安全、高效地建成LNG儲罐有重要意義。

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