10萬m3LNG儲罐罐頂氣升技術(shù)措施及控制淺析

上海天然氣管網(wǎng)有限公司　沈艷俐

10萬m3LNG儲罐罐頂氣升技術(shù)措施及控制淺析

上海天然氣管網(wǎng)有限公司沈艷俐

10萬m3液化天然氣(LNG)儲罐預(yù)制的罐頂升至安裝高度的方式采用氣升法。介紹了罐頂氣升的原理和工藝流程，分析了該方法在實施過程中主要的技術(shù)措施，以及為確保罐頂氣升所實施的質(zhì)量控制和安全舉措。

LNG儲罐罐頂氣升壓縮環(huán)質(zhì)量和安全控制

0　前言

上海五號溝LNG站擴建二期工程主要包含2座10萬m3LNG儲罐及相應(yīng)的氣化、灌裝、調(diào)壓計量等配套設(shè)施。擴建后，五號溝LNG站LNG存儲能力將由原來的12萬m3增至32萬m3，顯著提高了上海天然氣安全保障和應(yīng)急調(diào)峰能力。本次擴建工程的2座LNG儲罐為全包容式LNG儲罐，外罐為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，罐壁外徑D70 800 mm，罐壁高度35.870 m，內(nèi)罐為06Ni9材質(zhì)，內(nèi)罐直徑D67 500 mm；內(nèi)、外罐間通過16MnDR襯板和拱頂焊接形成密封空間。拱頂在LNG儲罐承臺上預(yù)制，待完成后吹升至設(shè)計高度，與壓縮環(huán)焊接固定。罐頂?shù)臍馍?，是LNG儲罐外部結(jié)構(gòu)封頂?shù)闹匾?jié)點，也是LNG儲罐安裝施工的技術(shù)難點。

1　LNG儲罐罐頂氣升工藝介紹

本工程10萬m3LNG儲罐罐頂直徑D69 214，由H340×250×8×12和H340×170×6×9焊接H型鋼組成鋼結(jié)構(gòu)骨架，材質(zhì)為Q345R。拱頂下安裝鋁合金吊頂，罐頂總重量約511.480 t。LNG儲罐罐頂安裝高度為35.870 m，擬采用氣升法施工。其運用密封容器和柔性鋼索實現(xiàn)平衡，設(shè)置密封裝置和平衡裝置，采用鼓風機吹升罐頂，利用罐頂內(nèi)外壓力差使其升高至安裝位置，見圖1。

圖1　LNG儲罐罐頂氣升示意

本工藝的主要流程為：當混凝土罐壁澆注到14.4 m高度時，在罐內(nèi)底部承臺上將罐頂鋼結(jié)構(gòu)、鋁合金吊平頂、罐頂接管以及配套設(shè)施等組裝成一體。在混凝土外罐壁澆注到設(shè)計高度35.870 m后，用鼓風機將預(yù)先組裝成一體的罐頂氣升到外罐內(nèi)壁頂部，與預(yù)埋在混凝土罐壁頂部內(nèi)的鋼制壓縮環(huán)焊接固定

罐頂結(jié)構(gòu)焊接完成及真空試驗合格，鋁合金吊頂結(jié)構(gòu)安裝并驗收，罐拱頂與抗壓環(huán)連接板平臺完成，混凝土罐底排水孔封閉等步驟被視為罐頂氣升施工準備工作。待施工準備完成后，進行罐頂氣升主要設(shè)施安裝，分別為進風裝置、平衡裝置、密封裝置以及定位裝置。主要設(shè)施安裝完成后，根據(jù)檢查清單組織各方進行停止點檢查；待查出的問題整改后，進行罐頂模擬氣升，主要用以測試氣升設(shè)備整體運行情況、調(diào)整罐頂平衡配重以及模擬組織體系運作協(xié)調(diào)。隨后LNG儲罐罐頂復(fù)位，各系統(tǒng)檢查，為罐頂氣升做好準備。待罐頂氣升至安裝位置后，罐頂焊工立即進行罐頂與壓縮環(huán)焊接，焊接完成后儲罐罐頂氣升過程視為結(jié)束。主要技術(shù)措施和質(zhì)量、安全控制流程如圖2所示。

圖2　LNG儲罐罐頂氣升流程

2　罐頂氣升主要技術(shù)措施

2.1罐頂氣升總質(zhì)量驗算

罐頂各部分重量組成見表1。

表1　罐頂各部分重量組成

由表1可知，單座10萬m3LNG儲罐罐頂各部分總重量約511.480 t，罐頂氣升總重量在此基礎(chǔ)上取1.1倍安全系數(shù)，即：罐頂氣升總重量=511.480×1.1=562.628 t

罐頂氣升總重量將影響LNG儲罐氣升空壓機選型以及氣升前罐頂混凝土環(huán)梁需達到的強度。

2.2進風裝置

進風裝置，主要為3臺鼓風機，安裝在混凝土外罐洞口邊搭設(shè)的鋼平臺上。如圖3所示。

圖3　鼓風機平面布置示意

2.2.1罐頂氣升鼓風機選型計算

根據(jù)LNG儲罐面積、體積、罐頂高度、重量，氣升設(shè)施重量等計算罐頂氣升所需風量Q，從而選取適合本次LNG儲罐罐頂氣升鼓風機型號，這是安裝進風裝置前非常重要的準備工作。

(1)氣升最小風壓(pmin)計算：

式中：A1——內(nèi)罐截面積，m2；

A2——密封裝置與內(nèi)罐摩擦部位面積，m2；

f——密封裝置與罐壁間摩擦系數(shù)；

g——重力加速度取9.8 m/s2；

k——不均衡系數(shù)；

m1——罐頂重量，kg；

m2——頂升工裝措施重量，kg。代入具體數(shù)值計算得：pmin≈1 549 Pa (2)頂氣升所需風量(Q)計算：

式中：h——罐頂拱高，m；

h1——氣升前罐頂邊緣距離罐底高度，m；

r——罐頂半徑，m；

H——氣升后罐頂邊緣距離罐頂設(shè)計高度，m；

p0——大氣壓力，Pa；

k2——泄漏系數(shù)；

t——氣升所需時間。

代入數(shù)值：h=9.30 m、h1=2.512 m、r=34.607 m、H=35.870 m、p0=101 325 Pa、k2=1.3和t=2.5 h，計算得：V1≈12 928 m3、V2≈9 447 m3、V0=22 375 m3、V≈125 447 m3、p=102 874 Pa、Q≈66 405 m3/h。

根據(jù)LNG儲罐罐頂氣升所需風量，選取鼓風機產(chǎn)品型號為ZGF/1400D，鼓風機風量Q=56 000 m3/h，采用2臺鼓風機同時進行送風；鼓風機風壓p=4 430 Pa，額定功率110 kW，能夠滿足10萬m3LNG儲罐罐頂氣升所需。

2.2.2進風裝置調(diào)試要點

LNG儲罐罐頂氣升時2臺鼓風機同時送風，采用2臺200 kW柴油發(fā)電機進行供電。另1臺鼓風機由LNG站市政電網(wǎng)供電，該臺鼓風機作為備用，以防柴油發(fā)電機供電的鼓風機在罐頂氣升過程中

2.3平衡裝置

平衡裝置主要由平衡索、導(dǎo)向滑輪組、頂部支撐架和錨點四大部分組成。根據(jù)《重要用途鋼絲繩》(GB 8918—2006)平衡索采用6×25Fi+1WR(金屬絲繩芯)D16鋼絲繩。鋼絲繩受力分析情況如下：

初預(yù)緊力為8 kN，最大預(yù)緊力為50 kN；在罐頂氣升過程中，出現(xiàn)的極端罐頂傾斜為200 mm時，即罐頂邊緣最大高度差為200 mm的情況，如圖4示意，此時考慮到平衡索結(jié)構(gòu)，鋼絲繩按最大伸長量100 mm進行計算分析。發(fā)生機械故障。在罐頂氣升前鼓風機分別進行試運轉(zhuǎn)，需特別注意風機是否反轉(zhuǎn)；且3臺鼓風機需進行切換測試，確保氣升過程中送風正常。

圖4　氣升過程極端罐頂傾斜示意

鋼絲繩受力增量計算如下：

A——鋼絲繩橫截面積，mm2；

E——鋼絲繩彈性模量，MPa；

l

——鋼絲繩初始長度，mm；

代入具體數(shù)值：A=117.8 mm2、E=188 000 MPa、 l=106 000 mm和Δl =100 mm計算得ΔF≈20.9 kN。

在極端情況下，鋼絲繩總受力20.9+50=70.9 kN，小于GB 8918—2006規(guī)范中6×25Fi+1WR(1570 MPa級別)鋼絲繩最小破斷拉力143 kN規(guī)定，符合罐頂氣升要求。

平衡裝置共安裝32組，每一組的滑輪組支架安裝在罐頂徑向主櫞的側(cè)邊頂板下方且在同一個截面內(nèi)，利用推平行線法實現(xiàn)平衡目的。該32組平衡裝置在氣升過程中既保持了罐頂上升的平衡，又作為罐頂上升的導(dǎo)向裝置，使罐頂在x-y平面內(nèi)位置不變，確保罐頂上預(yù)留的套管、接管位置在氣升完成后不變化，從而保證后續(xù)施工中LNG儲罐套管、接管與設(shè)計的工藝管道正常連接。

此外，為確保LNG儲罐罐頂順利氣升，預(yù)先確定罐頂重心位置也是一項重要的工作。由于罐頂氣升前已完成套管、接管焊接，因此需根據(jù)設(shè)計圖紙對罐頂進行大致的重心偏離計算。根據(jù)計算結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的配重，并在罐頂模擬氣升過程中進行微調(diào)。

根據(jù)重心偏離計算結(jié)果，罐頂在344.76°角度R=32 000位置上需增加1.061 t，24.76°角度R=32 000位置上需要增加1.046 t，324.76°角度R=32 000位置上需要增加1.503 t，44.76°角度R=3 2000位置上需要增加1.512 t的配重。這些配重采用移動環(huán)形鋼軌上的3臺電動葫蘆位置和放置在鋁吊頂上工裝材料位置來調(diào)節(jié)罐頂重量平衡，保持氣升時罐頂?shù)钠胶狻?.4密封裝置

密封裝置由鋼板密封環(huán)、1 mm鍍鋅鐵皮以及0.4 mm鋁箔玻璃布組成(見圖5)。主要作用是在LNG儲罐罐頂氣升中連接罐頂鋼結(jié)構(gòu)和混凝土外罐，使LNG儲罐保持罐頂氣升壓力，從而確保罐頂氣升安全。

圖5　密封裝置示意

在罐頂板邊緣處安裝一圈鋼板密封環(huán)，鋼板密封環(huán)采用鋼板與罐頂邊板邊緣分段焊接固定。根據(jù)以往LNG儲罐罐頂氣升經(jīng)驗，本次采用鍍鋅鐵皮組成一圈密封板，用螺栓連接固定在鋼板密封環(huán)上。鍍鋅鐵皮因其不易變形的特點，取代了以往的帆布密封，在氣升過程中可避免出現(xiàn)吹翻、漏氣等不安全因素。鋁箔玻璃布用螺栓固定于鍍鋅鐵皮上，進一步起到密封的作用。

2.5定位裝置

定位裝置分為A型和B型兩種結(jié)構(gòu)。A型采用δ=16 mm鋼板制成固定件和鋼斜鍥固定，用于拱架鋼骨頂板上位置。罐頂氣升前，A型門形板焊接在罐頂圓周安裝位置上固定，門形板必須垂直安裝于拱架鋼骨頂板上。

B型采用δ=20 mm鋼板制成固定件和鋼斜鍥臨時固定，用于拱架鋼骨以外頂板上位置。B型裝置在罐頂氣升到位，A型定位裝置基本固定后再進行安裝；因此，要求預(yù)先位于罐頂?shù)淖鳂I(yè)人員配合度較高，待B型裝置安裝完成后，焊接作業(yè)人員立即開始拱頂鋼結(jié)構(gòu)和承壓環(huán)的定位點焊，以固定儲罐罐頂。

3　LNG儲罐罐頂氣升質(zhì)量和安全控制

3.1停止點檢查

對LNG儲罐罐頂氣升準備工作采用停止點檢查，由業(yè)主、監(jiān)理、施工單位和業(yè)主項目顧問共同參與，其主要的目的是為了發(fā)現(xiàn)施工不到位之處，及時采取補救措施，以減少損失；根據(jù)停止點檢查結(jié)果，完善技術(shù)和安全交底內(nèi)容，以便專業(yè)技術(shù)人員向施工班組做好全面的儲罐罐頂氣升交底工作。

停止點檢查的主要內(nèi)容有：

(1)各項準備工作質(zhì)量是否符合要求；

(2)各類機具就位及運轉(zhuǎn)是否正常，配套設(shè)施是否跟上；

(3)混凝土外罐內(nèi)壁是否光滑，抗壓環(huán)安裝尺寸是否準確；

(4)環(huán)形鋼軌是否與罐頂周邊支撐有安全距離，對氣升有無影響；

(5)安全措施是否落實，安裝基準線是否清晰；

(6)工夾具準備情況，測量手段，監(jiān)控措施落實情況；

(7)罐頂外側(cè)防護欄桿是否堅固。

3.2檢查清單(Check List)

本次10萬m3LNG儲罐罐頂氣升作業(yè)借鑒國外施工質(zhì)量、安全管理模式，在罐頂模擬氣升前采用檢查清單(Check List)的形式；由監(jiān)理牽頭，業(yè)主、業(yè)主項目顧問及施工單位共同參與，逐項核對檢查清單內(nèi)容完成情況。如在檢查中發(fā)現(xiàn)該項未完成或未達標，限定日期進行整改后再次復(fù)查，直到檢查清單所有內(nèi)容符合要求為止。

根據(jù)本次LNG儲罐罐頂氣升特點，檢查清單共計34項內(nèi)容，見圖6。

圖6　罐頂氣升前檢查清單示意

3.3現(xiàn)場人員布置及危險源辨識

LNG儲罐罐頂氣升工作除了施工準備充分外，對現(xiàn)場指揮以及作業(yè)人員間的協(xié)調(diào)配合提出很高的要求。在過程中，氣升的高度、速度，現(xiàn)場的風速、各類緊急情況，罐頂是否出現(xiàn)超出允許范圍的傾斜，鼓風機運行情況，罐頂氣升到位后作業(yè)人員的焊接配合等都將決定整個氣升工作的成敗。因此，在罐頂氣升準備階段，對現(xiàn)場人員進行細致的施工組織部署，在方案中仔細考慮并羅列可能出現(xiàn)的緊急情況、危險源以及對應(yīng)的預(yù)防控制措施。本次LNG儲罐罐頂氣升施工組織部署見圖7。

圖7　罐頂氣升施工組織

罐頂氣升危險源辨識及控制措施見表2。

表2　罐頂氣升危險源辨識及控制措施

3.4罐頂模擬氣升

為了檢查和調(diào)節(jié)LNG儲罐罐頂平衡狀態(tài)，微調(diào)平衡配重；檢查并測試各裝置的安全性能，以免發(fā)生意外；檢查、檢測風道管軟接頭的可靠性和外部條件是否成熟；檢查施工組織以及各小組間配合有無漏洞；讀取和掌握罐頂氣升時U型水壓計中的壓力數(shù)據(jù)；在LNG儲罐罐頂正式氣升前，基于各單體及現(xiàn)場小組準備成熟前提下，對罐頂進行模擬氣升。

罐頂模擬氣升主要內(nèi)容為：

(1)鼓風機共安裝3臺，其中2臺由柴油發(fā)電機供電的鼓風機同時運行使用，另1臺由電網(wǎng)供電的備用鼓風機也同時啟動運行。當一臺柴油發(fā)電機供電的鼓風機發(fā)生故障時，另一臺電網(wǎng)供電的備用鼓風機立即能投入使用。

(2)檢查門洞位置的通道，用于氣升初始階段人員能安全地進出罐內(nèi)進行檢查及搶險工作。

(3)檢查罐頂位置的通道，在氣升過程中專用于罐頂人員，使其能安全地進入罐內(nèi)進行搶險工作。

(4)LNG儲罐罐頂緩慢上升至離原來位置300～500 mm高度時，停止氣升，罐頂保持懸浮狀態(tài)，檢查罐頂平衡狀況，通過調(diào)整物件重量分配來調(diào)節(jié)罐頂平衡。必要時可用吊機把其他平衡配重吊放至罐頂，通過吊放在罐頂?shù)钠胶馀渲夭贾脕碚{(diào)整罐頂平衡狀態(tài)。

(5)經(jīng)過模擬氣升得到U型水壓計壓力以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，為正式氣升取得經(jīng)驗。

(6)罐頂模擬氣升結(jié)束，罐頂恢復(fù)到原來位置，為LNG儲罐罐頂正式氣升創(chuàng)造條件。

4　結(jié)語

五號溝LNG站擴建二期工程2座10萬m3LNG儲罐分別于2015年9月28日和10月26日順利完成罐頂氣升。

LNG儲罐罐頂氣升需要進行大量的準備工作，研究罐頂氣升的相關(guān)技術(shù)措施，計算并驗算罐頂重量、氣升最小壓力、氣升所需風量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，明確各部分裝置實施內(nèi)容及調(diào)試要點等。由于本工程為五號溝LNG站第二次擴建，10萬m3LNG儲罐罐頂氣升工作吸取了以往罐頂氣升作業(yè)經(jīng)驗，進行了相應(yīng)改進；在質(zhì)量和安全控制過程中借鑒并采用了國外項目的管理方法。在LNG儲罐罐頂正式氣升前進行模擬氣升，進一步完善施工和檢查，取得氣升數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)人員配置，預(yù)判氣升中可能遇到的緊急情況?？梢哉f，LNG儲罐罐頂氣升是一項細致且繁雜的工作，只有在精心且充分的準備下，才能確保罐頂氣升的順利進行，完成LNG儲罐施工過程中一項重要的里程碑。

Brief Discussion on Technical Measures and Control of the 100 000m3LNG Tank Roof Lifting

Shanghai Natural Gas Pipeline and Network Co., Ltd.Shen Yanli

Air lifting method is used to lift the prefabricated tank roof of 100000m3liquid natural gas (LNG) tank to the installation height. This paper introduces the principle and technological process of tank roof lifting. It analyzes the major technical measures, quality control and safety measures of the tank roof air lifting method.