如何正確實施大型LNG儲罐拱頂氣頂升

向蒼義 唐志和 梁承勇

中國石油天然氣第六建設(shè)公司 廣西桂林 541004

液化天然氣（LNG）是一種清潔、高效的能源，它是通過天然氣在常壓下冷卻至-165℃，使之凝結(jié)成液體以節(jié)約儲運(yùn)空間和成本，與其它能源相比，其環(huán)境效益和能源利用效率都高。隨著國家對能源需求的不斷增長，LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將對優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)，有效解決能源供應(yīng)安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重問題，在經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。

當(dāng)前，大型LNG接收站項目建設(shè)在國內(nèi)發(fā)展迅猛。接收站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備之一是LNG儲罐，此類儲罐安裝施工中罐拱頂安裝是一個技術(shù)難點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是儲罐拱頂氣頂升技術(shù)是一項過程復(fù)雜、技術(shù)含量高、操作和控制難度大的關(guān)鍵技術(shù)。

本文介紹一種如何正確實施大型LNG儲罐拱頂安裝氣頂升技術(shù)。

1 罐頂氣頂升原理

LNG儲罐鋼制拱頂、鋁吊頂、吊桿、罐頂接管及單軌吊車梁等在罐底上組裝、焊接、檢驗完畢后，在拱頂最外周安裝密封裝置，以使拱頂與PC墻（或外罐壁板）及混凝土承臺（或外罐底板）形成密閉空間，采用鼓風(fēng)設(shè)備向儲罐內(nèi)相對密閉空間強(qiáng)制送入大風(fēng)量低壓力的空氣。當(dāng)密閉空間的壓力上升到一定程度，即在空氣總浮升力大于拱頂及附件總重量和密封裝置與PC墻（或外罐壁板）之間的摩擦阻力后，儲罐拱頂和吊頂?shù)纫黄鹧刂鳳C墻浮升至儲罐頂部的抗壓環(huán)，在拱頂升至抗壓環(huán)部位后，作業(yè)人員利用卡具使拱頂與抗壓環(huán)貼緊并與抗壓環(huán)焊接固定好后，氣頂升作業(yè)才算完成。

圖1為一種LNG儲罐拱頂氣頂升示意原理圖。

圖1 LNG儲罐拱頂氣頂升原理圖

2 LNG儲罐拱頂氣頂升相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)

在氣頂升施工之前，收集相關(guān)的參數(shù)與數(shù)據(jù)是必要的，其中包括儲罐本體基本參數(shù)、儲灌拱頂氣頂升重量清單、儲灌拱頂氣頂升數(shù)據(jù)等。表1、表2和表3是大連LNG接收站項目16萬m3LNG儲罐的參數(shù)數(shù)據(jù)。

表1 儲罐本體基本參數(shù)

表2 LNG儲罐拱頂氣頂升重量清單（樣表）

表3 LNG儲罐拱頂氣頂升數(shù)據(jù)表

3 氣頂升相關(guān)準(zhǔn)備工作

3.1 前期準(zhǔn)備

（1）為防止罐頂在氣頂升時受阻，在氣頂升前，土建單位現(xiàn)場施工人員必須清理外墻內(nèi)壁以及承壓圈上的雜物，并進(jìn)行內(nèi)壁圓度的測量，安裝單位要進(jìn)行復(fù)測；

（2）上述測量數(shù)值（所有罐壁和承壓圈復(fù)測以及罐頂周邊板復(fù)測）應(yīng)記錄并制成表格經(jīng)監(jiān)理單位確認(rèn)；

（3）沒有征得業(yè)主和監(jiān)理現(xiàn)場代表許可，不得進(jìn)行拱頂周邊（外圍）板切割。在氣頂升前，必須至少提前7d將所有復(fù)測數(shù)據(jù)提交給業(yè)主和監(jiān)理認(rèn)可；

（4）按照組織機(jī)構(gòu)圖的分工，相關(guān)人員事先應(yīng)經(jīng)過其相應(yīng)崗位職責(zé)內(nèi)容的培訓(xùn)。

3.2 氣頂升平衡裝置準(zhǔn)備

（1）底部固定塊：在罐底中心安裝一個鋼絲繩的固定裝置，并與底部的預(yù)埋螺栓可靠的連接；

（2）中心滑輪組：在拱頂?shù)闹行奈恢冒惭b，中心滑輪組的每一個滑輪要與對應(yīng)的T型架中心保持一致；

（3）導(dǎo)向滾輪（中間滑輪）：在對應(yīng)的拱頂梁上安裝，導(dǎo)向滑輪的位置需標(biāo)記在拱頂板上，按照標(biāo)記將導(dǎo)向滑輪底座焊接在拱頂板上，用于鋼絲繩的支撐及導(dǎo)向；

（4）轉(zhuǎn)向滑輪：在拱頂板上表面沿外周安裝轉(zhuǎn)向滑輪，用于改變平衡鋼絲繩的方向；

（5）T形架：在承壓圈上安裝T型支架。保證T型架安裝正確且可靠的與承壓圈固定。

3.3 氣頂升平衡鋼絲繩準(zhǔn)備

3.3.1 張緊平衡鋼絲繩

（1）鋼絲繩布置：每個T型架布置一根單獨(dú)的鋼絲繩。單根鋼絲繩不得有接頭、破損，鋼絲繩質(zhì)量滿足一般施工要求；

（2）接緊四根（或更多）帶有張力計的鋼絲繩，并調(diào)整到一個合適的力；

（3）使用卸扣連接花籃螺絲，花籃螺絲另一端與鋼絲繩連接，用以調(diào)節(jié)鋼絲繩的預(yù)拉力；

（4）鋼絲繩依次穿過T 型架、轉(zhuǎn)向滑輪、導(dǎo)向滑輪、中心滑輪，垂直到罐內(nèi)與底部固定塊連接固定；

（5）在拱頂下部和上部分別檢查鋼絲繩的松緊程度是否基本相同，用承壓圈上的花籃螺絲調(diào)節(jié)一致；

（6）鋼絲繩預(yù)拉緊必須對稱進(jìn)行，首先預(yù)緊的是帶有張力計的鋼絲繩，并依此為基準(zhǔn)進(jìn)行其它鋼絲繩的張緊；

（7）根據(jù)檢查表的要求，對鋼絲繩方位和垂直度進(jìn)行檢查。確保單根鋼絲繩在一個垂直的平面內(nèi)；

（8）所有鋼絲繩支座(或吊耳)與罐頂板(承壓環(huán))之間的受拉焊縫應(yīng)進(jìn)行滲透（PT）檢測。

3.3.2 鋼絲繩的受力分析

當(dāng)在頂升過程中，出現(xiàn)罐頂斜度為200mm的情況時，鋼絲繩受力分析如下：

罐頂傾斜200mm是指罐頂邊緣最大高差為200mm，簡單示意如圖2所示。

圖2 罐頂傾斜示意圖

當(dāng)罐頂傾斜度為200mm時，考慮到平衡裝置的實際結(jié)構(gòu)形式，鋼絲繩按照最大伸長100mm進(jìn)行計算分析。則鋼絲繩受力增量計算公式如下：

式中，△F——鋼絲繩受力增量，N；

A——鋼絲繩橫截面積，mm2；

E——鋼絲繩彈性模量，GPa；

l——鋼絲繩初始長度，mm；

△l——鋼絲繩伸長量，取值100mm。

3.4 氣頂升鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)準(zhǔn)備

3.4.1 鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)核算分析

根據(jù)儲罐頂升所需要的最小風(fēng)量和風(fēng)壓選擇合適的風(fēng)機(jī)是氣頂升技術(shù)的關(guān)鍵。風(fēng)量和風(fēng)壓的確定沒有一個現(xiàn)成的公式，目前主要是依據(jù)實踐中總結(jié)的經(jīng)驗公式來計算，尤其是附加損失的風(fēng)壓與風(fēng)量的確定。

3.4.1.1 風(fēng)壓的確定

用風(fēng)機(jī)向已組裝好的部分罐體內(nèi)腔輸送具有一定壓力的空氣，在不考慮任何損失的情況下，罐體的內(nèi)腔上部受到向上的推力和底板受到向下的力是一對作用力與反作用力，它們大小相等，方向相反。但由于存在漏風(fēng)損失和密封裝置與罐壁間的摩擦阻力而消耗的風(fēng)壓等，因此風(fēng)機(jī)所提供的壓力除了克服罐體的重力、使罐體在任何位置處于平衡狀態(tài)外，還要克服附加因素造成的壓力損失使罐體被頂升。即:

式中，P升——頂升風(fēng)壓，Pa；

P平——靜平風(fēng)壓，Pa；

P附——附加風(fēng)壓，Pa，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗確定；

K1——?dú)鈮合禂?shù)，

G——頂升最大重量，N；

S——罐體橫截面積，m2。

3.4.1.2 風(fēng)量的確定

考慮到漏風(fēng)損失，需對風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行修正。根據(jù)氣體方程計算，溫度一定情況下PV＝恒量，風(fēng)機(jī)風(fēng)量的計算式如下；即：

Qmax=[（P0+P升）V-P0V0]K/P0

式中，Q——鼓風(fēng)量，m3；

V——頂完時罐體的總?cè)莘e，m3；

V1——頂升部分所增加罐體的容積，m3；

K——風(fēng)機(jī)風(fēng)量修正系數(shù)，一般取3～4；

P升——頂升風(fēng)壓，Pa；

V0——頂升前拱頂與罐體所圍的容積，m3；

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101.325kPa。

3.4.1.3 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)的選型依據(jù)上述風(fēng)壓和風(fēng)量計算公式進(jìn)行。

3.4.2 鼓風(fēng)機(jī)用發(fā)電機(jī)

（1）根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)每臺風(fēng)機(jī)配備一臺發(fā)電機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)與各自對應(yīng)柴油發(fā)電機(jī)連接，現(xiàn)場施工電源作為備用電源，由專業(yè)電工接通它們之間的電源線路。

（2）假如發(fā)電機(jī)停電，為了在很短的時間內(nèi)使用施工電源，就要安裝一個合適的配電開關(guān)箱,并應(yīng)在風(fēng)機(jī)的正式電源和備用電源間安裝自動快速轉(zhuǎn)換開關(guān)，正式電源故障后自動切換到備用電源給風(fēng)機(jī)供電。

3.4.3 通風(fēng)管及風(fēng)道就位安裝

（1）在風(fēng)道上正確安裝控風(fēng)板（結(jié)合緊急截止閥），以控制進(jìn)入的風(fēng)量，在備用風(fēng)機(jī)風(fēng)道處安裝卸壓口；

（2）氣頂升時氣量會有一定比例的損失，現(xiàn)場必須確保密封安裝質(zhì)量；

（3）鼓風(fēng)機(jī)在氣頂升前，將在現(xiàn)場通過測量不同壓力下的氣流速度再次進(jìn)行測試。

3.5 氣頂升密封系統(tǒng)準(zhǔn)備

（1）拱頂邊緣密封：根據(jù)圖紙要求在拱頂下部外邊緣上安裝好密封固定圈，將密封板用螺栓固定在密封固定圈上，密封材料之間使用膠帶粘貼牢固；

（2）密封板上開孔必須定位準(zhǔn)確，以確保密封件符合相關(guān)圖紙的規(guī)定，準(zhǔn)確并有規(guī)律地就位；

（3）臨時門洞封閉：采用鋼板加槽鋼封閉，在小門洞處安裝進(jìn)出通道(雙層門氣閘室)，通道的封閉門結(jié)合處要求采取密封措施；

（4）臨時門洞安裝完畢后應(yīng)檢查其邊角密封情況；

（5）臨時門安裝后，要求與混凝土墻壁緊貼，防止向罐內(nèi)傾倒，并確保內(nèi)側(cè)焊縫打磨光滑，一旦臨時門密封完成，通風(fēng)管道就可以與臨時門連接焊接，焊接連接完成后要全部檢查確認(rèn)；

（6）在氣頂升之前封閉罐基礎(chǔ)承臺周邊的排水孔；

（7）密封板在邊緣間隙為250mm情況下的承壓試驗，圖3所示的是現(xiàn)場對密封板的承壓性能進(jìn)行試驗。

圖3 罐頂密封板現(xiàn)場試驗圖

3.6 測量工具準(zhǔn)備

（1）50m鋼卷尺，用于測量拱頂氣頂升時的頂升高度讀數(shù)；

（2）U型壓力計，應(yīng)至少可讀出300mm水柱壓力，U型壓力計根據(jù)需要配備在相應(yīng)位置以便于觀察讀數(shù)。水柱應(yīng)在塑料管長度的一半位置，塑料管內(nèi)不能存有氣泡。U型壓力計制作見圖4所示。在氣溫低于5℃時，U型管內(nèi)液體要采取防凍措施；

圖4 U型壓力計圖

（3）電流電壓表：安裝于風(fēng)機(jī)控制柜；

（4）鉗形電流表1臺；用于測量鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電流；

（5）風(fēng)速儀一臺；用于測量氣頂升當(dāng)天的風(fēng)速，氣頂升當(dāng)天風(fēng)速要求：平均風(fēng)速低于10m/s，最大瞬間風(fēng)速低于15m/s；

（6）張力計；在拉緊平衡鋼絲繩時使用，確保每根平衡繩受力一致；

（7）紅外線測溫儀2臺，振動儀1臺；用于測量鼓風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況；

（8）時鐘1個。

3.7 通訊設(shè)備準(zhǔn)備

（1）無線對講機(jī)：主要用于頂升指揮長與風(fēng)機(jī)工程師和其他參與人員之間的聯(lián)系；數(shù)量根據(jù)實際需要確定；

（2）口哨：用于指揮長與高度測量人員之間讀數(shù)的溝通。

3.8 其它設(shè)施準(zhǔn)備

（1）要對罐頂氣頂升進(jìn)行平衡配重計算，平衡配重一般采用罐頂上用的螺紋鋼筋進(jìn)行；

（2）固定夾具：在拱頂氣頂升階段，用于拱頂與承壓環(huán)之間連接的固定；

（3）罐內(nèi)照明的設(shè)計、布置；

（4）臨時通道（用于人員進(jìn)出罐內(nèi)的通道），安全通道是提供升頂時罐內(nèi)檢查人員安全撤離，并在保證罐內(nèi)空氣合理泄露的前提下的通道。在安全通道口內(nèi)安裝一個紅色警示燈，以備罐內(nèi)人員明確自身的方位。拱頂起升后，罐內(nèi)人員檢查各項工作無誤后，應(yīng)迅速在通道附近集合，并根據(jù)事先安排的順序分別撤離罐內(nèi)；

（5）觀察平臺：在承壓圈外側(cè)設(shè)置觀察拱頂高度的平臺，分配相關(guān)人員觀察；

（6）值班塔吊2臺、50t吊車1臺；

（7）吊籃；焊接設(shè)備；氣割工具；指揮臺;

（8）進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、整理分析的筆記本電腦2臺；

（9）宣傳條幅及其他用品；

（10）HSE設(shè)施和用品。

3.9 檢查項目

（1）罐頂宜在上午進(jìn)行氣頂升，以便當(dāng)天白天有足夠的時間進(jìn)行罐頂組對和焊接；

（2）在氣頂升操作開始前，要準(zhǔn)備檢查清單和安全檢查清單提交給業(yè)主和監(jiān)理全面檢查確認(rèn)；

（3）在氣頂升前，按表4所列項目進(jìn)行檢查、確認(rèn)。

表4 儲罐氣頂升前檢查清單（樣表）

3.10 預(yù)備會

在氣頂升前，召集所有參加氣頂升工作的人員開會，熟悉操作內(nèi)容，并詳細(xì)解釋操作方法。預(yù)備會應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）向鼓風(fēng)機(jī)操作人員解釋在現(xiàn)場如何進(jìn)行操作，以及需要檢查的內(nèi)容和需要向氣頂升指揮提供的信息。解釋風(fēng)機(jī)開關(guān)怎樣換擋，服從風(fēng)機(jī)工程師的指令；

（2）解釋如何讀取壓力計和尺子讀數(shù)。要在壓力計上標(biāo)出實際平衡壓力的位置；

（3）解釋當(dāng)電源或鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時如何處理。（若電源發(fā)生故障，應(yīng)執(zhí)行：a）立即關(guān)閉緊急切斷閘門;b）在連接備用電源前，將鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)切換到關(guān)閉位置。在開始送電后，重新按原規(guī)定程序逐個打開風(fēng)機(jī)，避免電源過載。)；

（4）有人進(jìn)行密封頂部連續(xù)檢查（預(yù)氣頂升時有人上到罐頂上進(jìn)行檢查，正式氣頂升時，采用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行檢查）；

（5）罐頂升起時，罐頂下方人員應(yīng)完全了解升起時所應(yīng)檢查的內(nèi)容（預(yù)氣頂升時），以及氣室出口位置；

（6）當(dāng)罐頂開始升起，邊緣觀察人員應(yīng)撤離儲罐，不要在對講機(jī)上閑聊，使用雙頻道通訊。

除以上內(nèi)容外，預(yù)備會應(yīng)制定組織機(jī)構(gòu)；與全體人員應(yīng)一起審核檢查單，熟悉全部操作事項。關(guān)鍵人員進(jìn)行現(xiàn)場演練，確保完全理解，并作必要的補(bǔ)充說明。

4 拱頂預(yù)氣頂升

清除與氣頂升無關(guān)的雜物，確保拱頂和混凝土墻體之間沒有任何雜物存在，確保拱頂上表面沒有未清除的施工垃圾和在氣頂升階段可能滑落的物體。

根據(jù)要求記錄拱頂預(yù)氣頂升的數(shù)據(jù)，預(yù)氣頂升完成后根據(jù)要求調(diào)整配重（如有需要）。

預(yù)氣頂升工作流程圖，見圖5：

圖5 預(yù)氣頂升工作流程圖

5 拱頂氣頂升

（1）拱頂預(yù)氣頂升經(jīng)順利完成后，并再次確認(rèn)分析升頂壓力和風(fēng)量是否與計算書相符；如果在預(yù)頂升種配重不合理，對配重進(jìn)行微調(diào)；再次對密封材料進(jìn)行檢查確認(rèn)。如一切正常，即可進(jìn)行正式氣頂升工作。

（2）應(yīng)在以下每個關(guān)鍵點之間安裝通訊系統(tǒng)，并進(jìn)行檢查：罐壁頂部，風(fēng)機(jī)處，壓力計，張力計檢查人員；測量罐頂上升高度的測量人員；

（3）操作起始階段前，風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，緊急封閉門打開。啟動風(fēng)機(jī)時逐漸打開風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門，達(dá)到要求的壓力；

（4）頂升時，若風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，緊急封閉門應(yīng)關(guān)閉；

（5）當(dāng)罐頂距離罐壁頂部約2m時，頂升指揮要通知風(fēng)機(jī)工程師開始注意控制進(jìn)風(fēng)量，來控制上升速度；

（6）在最后1m時，上升速度控制在100mm/min之內(nèi)，由風(fēng)機(jī)工程師指揮操作工控制風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門來減少進(jìn)風(fēng)量，同時要密切關(guān)注U型壓力計的讀數(shù)；

（7）當(dāng)罐頂與承壓圈底部接觸時，工人將頂板限位件按圖示焊接連接在頂板徑向梁上，然后按圖打緊圓尖，焊好限位塊，與承壓圈牢固固定。它們的作用是幫助罐頂板在承壓環(huán)內(nèi)的安裝；

（8）在頂板限位件安裝時，儲罐內(nèi)壓力應(yīng)保持在罐頂氣升所要求平衡壓力之上；

（9）當(dāng)沿罐頂圓周焊完第1道焊道（必須達(dá)到最終焊縫的50%），以及在每根徑向梁的頂部兩側(cè)各300mm長范圍內(nèi)焊2-3道后，即可泄壓；

（10）頂板限位件在焊完梁與承壓圈的連接牛腿時拆除。

氣頂升工作流程圖，見圖6：

圖6 氣頂升工作流程圖

6 結(jié)論

通過以上對大型LNG儲罐拱頂氣頂升技術(shù)的介紹，可以得出：要想氣頂升工作順利完成，就必須仔細(xì)地完成與氣頂升有關(guān)的每一項工作；更要重點關(guān)注供氣系統(tǒng)的計算、罐頂密封裝置的核算安裝、平衡配重分析計算等。平衡配重裝置的主要作用是通過在罐頂及吊頂上附加重物調(diào)整以達(dá)到罐頂重量均勻分布,在相同的風(fēng)壓作用下得到均等的壓強(qiáng)，通過罐頂外部的配重調(diào)整可使罐項處于水平狀態(tài)。

我公司通過對大型LNG儲罐罐頂氣頂升技術(shù)的開發(fā)、改進(jìn)、創(chuàng)新，取得了包括國家一級工法、國家實用新型專利在內(nèi)的等多項技術(shù)成果；采用我們的氣頂升技術(shù)已自主成功完成了上海、大連、江蘇、唐山等LNG接收站項目的共計11臺16萬m3以上LNG儲罐罐頂氣頂升任務(wù)，充分證明了我公司的LNG儲罐氣頂升技術(shù)是可靠、先進(jìn)的。

1 BS EN 14620-2:2006 Design and manufacture ofsite built,vertical,cylindrical,flatbottomed steeltanksforthestorageof refrigerated,liquefied gaseswith operating temperaturesbetween 0℃and-165℃— Part2:Metalliccomponents[S].

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

3 SH/T 3537:2009立式圓筒形低溫儲罐施工技術(shù)規(guī)程[S].

4 SH/T 3530:2011石油化工立式圓筒形鋼制儲罐施工工藝標(biāo)準(zhǔn)[S].