LNG工藝模塊工裝設(shè)計(jì)方法

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

LNG工藝模塊工裝設(shè)計(jì)方法

宋崢嶸

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島266520)

液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)工藝模塊通常采用異地建造、異地組裝的建造模式，對(duì)建造精度要求較高。在LNG工藝模塊建造過(guò)程中，會(huì)使用大量的工裝設(shè)計(jì)保證建造精度、滿足稱重要求。針對(duì)LNG工藝模塊這一特點(diǎn)，總結(jié)一套完整和標(biāo)準(zhǔn)化的建造、稱重工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，從而提高工裝設(shè)計(jì)和建造水平，降低項(xiàng)目成本，從根本上提高LNG模塊的建造水平。

LNG工藝模塊；預(yù)制墊墩；總裝墊墩；稱重墊墩

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)工藝模塊群通常由10～40個(gè)模塊構(gòu)成，各模塊外形尺寸一般長(zhǎng)30～60 m，寬20～40 m，高度30～60 m，重量3 000～7 000 t，建造周期較長(zhǎng)，通常為20～36個(gè)月，要求總裝場(chǎng)地地面平整，狀況良好。

LNG工藝模塊由于需要實(shí)現(xiàn)諸多功能，匯集管線、電氣、儀表、通風(fēng)、機(jī)械以及舾裝等很多專業(yè)的設(shè)備設(shè)施，要在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)布置諸多專業(yè)的設(shè)施，因此，就模塊結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)也相應(yīng)有管支架、電儀支架、通風(fēng)支架、舾裝支撐、設(shè)備底座等，這些支架底座結(jié)構(gòu)被布置在主要和次要結(jié)構(gòu)框架上，實(shí)現(xiàn)其他專業(yè)的功能單元在結(jié)構(gòu)片上布置的目的。由于LNG工藝模塊的結(jié)構(gòu)形式多樣、密集，在結(jié)構(gòu)預(yù)制和結(jié)構(gòu)片總裝過(guò)程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合其他專業(yè)的要求，安排預(yù)制方案，使施工最優(yōu)化，提高施工效率?？傃b建造時(shí)涉及結(jié)構(gòu)、管線、電儀、舾裝、HVAC等專業(yè)交叉施工，需要整體考慮建造原則，施工步驟等。此外，施工過(guò)程中需采取必要措施控制尺寸，避免超出公差要求。同時(shí)，還需根據(jù)模塊的尺寸和重量信息，提前設(shè)計(jì)并制作預(yù)制墊墩和總裝墊墩。本文從場(chǎng)地平整、預(yù)制墊墩、總裝墊墩、稱重墊墩等4個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)LNG工藝模塊群的工裝設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 場(chǎng)地平整

LNG工藝模塊通常采用異地建造、異地組裝的建造模式，對(duì)建造精度要求較高，因此建造工作必須在平整的場(chǎng)地上進(jìn)行。為保證地面的平整度，在擺放墊墩之前，須對(duì)建造場(chǎng)地進(jìn)行夯實(shí)平整，墊墩布置點(diǎn)處均須找平[1]。

圖1 混凝土找平示意圖

墊墩布置處必須經(jīng)常測(cè)量水平度，當(dāng)立柱或者橫向構(gòu)件發(fā)生沉降時(shí)，必須采用塞墊片的方式調(diào)平。 墊墩在高度方向的允許偏差為±3 mm，后期墊墩誤差調(diào)整可采用塞墊片的方式。根據(jù)預(yù)制片及模塊布置，確定墊墩的擺放區(qū)域，如果在砂石地上進(jìn)行建造，要在擺放墊墩之前，在墊墩布置點(diǎn)處用混凝土墊塊進(jìn)行找平。

每個(gè)模塊均須建立測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，之后測(cè)量所有墊墩擺放區(qū)域，該數(shù)據(jù)將作為選擇找平方法的依據(jù)。如果模塊部分立柱在水泥平臺(tái)上，部分立柱在砂石地，則測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)須選取在水泥平臺(tái)上。

對(duì)于垂直標(biāo)高高于基準(zhǔn)點(diǎn)的區(qū)域，采用專用工具鏟掉地面的高出部分，直到該處垂直標(biāo)高低于基準(zhǔn)點(diǎn)。對(duì)于垂直標(biāo)高低于基準(zhǔn)點(diǎn)的區(qū)域，采用在墊墩底部澆筑混凝土的方法找平。在墊墩布置點(diǎn)向下挖去浮土。浮土清除范圍比對(duì)應(yīng)墊墩長(zhǎng)寬多出20 mm。混凝土澆筑到一定高度時(shí),須保證混凝土上表面和鋼制墊墩底面有一定間隙以完成灌漿。待混凝土養(yǎng)護(hù)完成后灌漿工作開(kāi)始24 h前，進(jìn)行表面拉毛和濕潤(rùn)，以保證灌漿料和混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，完成灌漿并按要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[2]?；炷琳移骄唧w形式如圖1所示。

圖2 預(yù)制墊墩設(shè)計(jì)圖

2 預(yù)制墊墩

由于LNG工藝模塊匯集管線、電氣、儀表、通風(fēng)、機(jī)械以及舾裝等很多專業(yè)的設(shè)備、設(shè)施，相應(yīng)有管支架、電儀支架、通風(fēng)支架、舾裝支撐和設(shè)備底座等。這些支架底座結(jié)構(gòu)被布置在主要和次要結(jié)構(gòu)框架上，為減少總裝時(shí)的高空及補(bǔ)漆作業(yè)，須盡可能地在預(yù)制階段安裝這些支架和底座結(jié)構(gòu)。同時(shí)，LNG工藝模塊每層甲板片的尺寸較大，再加上各類支架和底座結(jié)構(gòu)，每層甲板的預(yù)制重量都較大，為滿足建造場(chǎng)地空間和吊裝、運(yùn)輸能力要求，在LNG工藝模塊建造過(guò)程中，甲板片一般選擇在車間預(yù)制,或者在適合預(yù)制工作的平整場(chǎng)地進(jìn)行。這就要求設(shè)計(jì)人員提前確定預(yù)制場(chǎng)地的位置，根據(jù)甲板片的工期和車間計(jì)劃等因素編制預(yù)制場(chǎng)地布置圖，并根據(jù)預(yù)制片的尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編制預(yù)制墊墩布置圖。車間人員根據(jù)布置圖，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行準(zhǔn)備。

所有水平片都放在預(yù)制場(chǎng)地的墊墩上，通過(guò)水平儀測(cè)出的數(shù)值調(diào)整墊墩的高度，確保水平片在同一水平面上建造，保證水平片建造過(guò)程中的測(cè)量精度。甲板片全部采用正造法的方式進(jìn)行建造。其他專業(yè)工作項(xiàng)在不影響運(yùn)輸?shù)那闆r下帶在甲板片上，預(yù)制完成后再整體運(yùn)輸?shù)絿娡寇囬g打砂噴漆。

根據(jù)LNG工藝模塊甲板片的預(yù)制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種在LNG工藝模塊項(xiàng)目中使用的預(yù)制墊墩形式，如圖2所示。該墊墩主體由管材承擔(dān)，有底板和加強(qiáng)筋板，并且配備吊耳方便移動(dòng)，吊耳可在類似項(xiàng)目中重復(fù)使用。管徑根據(jù)預(yù)制分片的實(shí)際情況，可以進(jìn)行調(diào)整，分別可以承受不同的荷載。預(yù)制墊墩高度的設(shè)計(jì)需考慮分片結(jié)構(gòu)下表面帶有各專業(yè)支架、底座的特點(diǎn)，預(yù)留足夠的作業(yè)空間，方便預(yù)制工作進(jìn)行，同時(shí)仍需考慮分片運(yùn)輸工具的高度要求等方面。另外，也可以根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)在墊墩上部繼續(xù)加焊一段與該墊墩直徑相同鋼管的方式，調(diào)整已有預(yù)制墊墩的高度。

對(duì)LNG工藝模塊群來(lái)說(shuō)，模塊數(shù)量多，大量分片須同時(shí)預(yù)制。這種預(yù)制墊墩設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、制作簡(jiǎn)單、改造方便，可以在后續(xù)分片的預(yù)制中重復(fù)利用或者在類似項(xiàng)目中使用。

3 總裝墊墩

LNG工藝模塊群由于模塊數(shù)量多，且單個(gè)模塊工作量較大，建造周期較長(zhǎng)，一般約為2～3年?？傃b墊墩在模塊建造期內(nèi)使用，在此期間需要一直承受模塊的荷載，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和可靠性的要求[2-3]。

圖3和圖4為A，B 2種總裝墊墩結(jié)構(gòu)形式，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考?？筛鶕?jù)需要改變所用材料規(guī)格，如：板厚、鋼板尺寸、型鋼規(guī)格和型鋼因素，得到適合不同大小額定荷載的墊墩。圖3為A型墊墩，支撐主體由型鋼組成，改變型鋼規(guī)格，可以制作額定荷載不同的墊墩。圖4為B型墊墩，主要由鋼板組成，設(shè)計(jì)中可以通過(guò)改變底板和筋板的尺寸等制作不同荷載的墊墩。

圖3 總裝墊墩設(shè)計(jì)圖A

圖4 總裝墊墩設(shè)計(jì)圖B

圖5 A型墊墩ANSYS應(yīng)力云圖

最大支反力[4]是設(shè)計(jì)總裝墊墩的依據(jù)，用于校核墊墩的強(qiáng)度。LNG工藝模塊的支撐立柱通長(zhǎng)有20～24個(gè)，在得知支反力的情況下，按照支反力大小可以設(shè)計(jì)不同荷載的總裝墊墩。墊墩強(qiáng)度按照許用應(yīng)力法通過(guò)ANSYS模型進(jìn)行計(jì)算，ANSYS模型分析使用三角形四節(jié)點(diǎn)殼單元SHELL 181。

以圖3中墊墩為例，計(jì)算模型材質(zhì)如下：楊氏模量為2.01×105N/m2，泊松比為0.3，型鋼(SM490YB)屈服強(qiáng)度Fy= 345 MPa。墊墩受立柱的作用力和地面的支反力，在ANSYS模型中依據(jù)2種受力方式加載：計(jì)算時(shí)墊墩底部筋板和底板受全約束，立柱上部沿z軸受力F=-3 920 kN×1.24=-4 860.8 kN，考慮1.24的風(fēng)載荷系數(shù)[4]。模擬得到墊墩的應(yīng)力云圖如圖5所示，可以看出：墊墩所受應(yīng)力最大值為274 MPa，低于型鋼許用應(yīng)力(F=0.8Fy=276 MPa)。

項(xiàng)目建造過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)各模塊的實(shí)際支反力情況，確定每個(gè)支撐點(diǎn)已選擇合適的墊墩，做好墊墩布置圖，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)墊墩擺放，并根據(jù)各模塊的工期和總裝順序，合理安排使用。

4 稱重墊墩

LNG工藝模塊場(chǎng)地建造完成后，在裝船作業(yè)之前須進(jìn)行稱重作業(yè)，確定結(jié)構(gòu)物的重量重心，確保安全裝船和海上運(yùn)輸。稱重作業(yè)需要用到稱重墊墩，LNG工藝模塊立柱數(shù)量多、尺寸相對(duì)較小，立柱下方空間有限，不宜直接在立柱底端布置千斤頂進(jìn)行稱重，宜采用在立柱周圍的主結(jié)構(gòu)梁下方設(shè)置稱重點(diǎn)的方式。因此，稱重墊墩的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)支撐位置強(qiáng)調(diào)和總裝墊墩的形式確定，分為布置在總裝墊墩上和布置在水泥平臺(tái)上2種形式。

立柱下方采用B型墊墩(圖4)時(shí)，應(yīng)采用布置在總裝墊墩上的稱重墊墩，如圖6所示；立柱下方采用A型墊墩(圖3)時(shí)，應(yīng)采用布置在水泥平臺(tái)上的稱重墊墩，如圖7所示。

圖6 布置在總裝墊墩上的稱重墊墩

圖7 布置在水泥平臺(tái)上的稱重墊墩

稱重墊墩強(qiáng)度計(jì)算方法與總裝墊墩相同，同樣按照許用應(yīng)力法通過(guò)ANSYS計(jì)算，但稱重墊墩所受作用力不同，受到的不是立柱的作用力，而是稱重點(diǎn)的作用力和地面的支反力，在ANSYS模型中按照2種受力方式進(jìn)行加載。計(jì)算時(shí)，墊墩底部筋板和底板受全約束，稱重點(diǎn)與上部主結(jié)構(gòu)梁接觸位置沿z軸受力，并考慮1.24的風(fēng)載荷系數(shù)[4]。

當(dāng)支反力小于稱重墊墩額定荷載時(shí)，需要2個(gè)稱重墊墩。當(dāng)支反力大于稱重墊墩額定荷載時(shí)，需要4個(gè)稱重墊墩，包括2個(gè)750 mm高的小墊墩和2個(gè)1 870 mm高的高墊墩。2個(gè)小墊墩直接放到總裝墊墩上，另外2個(gè)放在小墊墩之間的中垂面上，總的支反力將分成4部分。

稱重墊墩計(jì)算模型材料屬性為：楊氏模量2.01×105N/m2；泊松比0.3；鋼板(Q345B)屈服強(qiáng)度Fy= 345 MPa；以總支反力5 880 kN，采用4個(gè)稱重墊墩為例，則F=1 715 kN×1.24=2 126.6 kN。ANSYS計(jì)算得稱重墊墩的應(yīng)力云圖如圖8所示，由圖可知：墊墩所受應(yīng)力最大值為143 MPa，低于板材許用應(yīng)力(F=0.8Fy=276 MPa)。

圖8 稱重墊墩ANSYS應(yīng)力云圖

實(shí)際稱重操作時(shí)，根據(jù)布置圖，使用叉車將稱重墊墩布置到位，可以根據(jù)實(shí)際情況在墊墩和千斤頂之間增加墊塊和墊板調(diào)整高度。這種稱重墊墩可以重復(fù)使用，可節(jié)約大量鋼材。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)LNG項(xiàng)目的工藝特點(diǎn)，研究LNG工藝模塊對(duì)其工裝設(shè)計(jì)的要求。提出LNG工藝模塊建造場(chǎng)地平整的技術(shù)要求和實(shí)施方案；針對(duì)LNG工藝模塊分片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可重復(fù)利用并可調(diào)節(jié)的預(yù)制墊墩。根據(jù)LNG工藝模塊的總裝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了2種標(biāo)準(zhǔn)化的總裝墊墩結(jié)構(gòu)形式；并根據(jù)LNG的稱重技術(shù)要求，結(jié)合2種總裝墊墩的結(jié)構(gòu)形式，研發(fā)了2種形式的稱重墊墩。按照此標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)、制造LNG工藝模塊的工裝結(jié)構(gòu)可以節(jié)約大量設(shè)計(jì)工時(shí)，實(shí)現(xiàn)工裝結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)和重復(fù)利用，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，達(dá)到降低項(xiàng)目費(fèi)用、節(jié)省項(xiàng)目工期的目的，有利于提高國(guó)內(nèi)LNG工藝模塊工裝設(shè)計(jì)和建造水平。

[1] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design：API RP 2A-WSD-2014 [S]. 2014.

[2] Manual of Steel Construction：AISC 316 Ed.14[S]. American Institute of Steel Construction, 2011.

[3] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社，2008.

[4] Specification for Structural Steel Buildings: AISC 360-10 [S]. American Institute of Steel Construction, 2010.

DesignMethodofStoolsforLNGProcessModule

SONG Zhengrong

(Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co.， Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China)

LNG process module is usually built and installed in different places, which requires higher construction accuracy. In the process of construction of LNG process module, a large amount of tooling design is used to ensure the accuracy of the construction and meets the weighing requirements. According to the characteristics of LNG process module, a set of complete and standardized design method of construction and weighing stools are summed up, so as to improve the level of stools design and construction, reduce project costs, and improve the level of construction of the LNG module fundamentally.

LNG process module; prefabrication support; assembly support; weighing support

1001-4500(2017)06-0032-06

2017-06-03

宋崢嶸(1968-)，男，高級(jí)工程師

TE42

A