30000m3 LNG雙金屬壁全容儲(chǔ)罐倒裝施工技術(shù)探微

朱志華

（中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300308）

石油和天然氣在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用。為響應(yīng)國(guó)家“十三五規(guī)劃綱要”，推進(jìn)油氣儲(chǔ)備設(shè)施建設(shè)，提高油氣儲(chǔ)備和調(diào)峰能力，由中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司承建的濟(jì)南南曹范LNG調(diào)峰儲(chǔ)配站（一期）工程，是山東省首個(gè)30000m3LNG雙金屬壁全容儲(chǔ)罐，以及重點(diǎn)民生工程，在用氣高峰季節(jié)為濟(jì)南的正常供氣提供了有效保障。

儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)形式分為雙殼層、外拱頂、內(nèi)懸浮吊頂儲(chǔ)罐三種。主要工程量有外罐、內(nèi)罐、外拱頂、內(nèi)吊頂、罐壁加強(qiáng)圈、熱角保護(hù)壁板、抗壓圈、儲(chǔ)罐保冷、接管及內(nèi)部管線、其它附件（罐內(nèi)直梯、罐上平臺(tái)）等。本項(xiàng)目配套的30000m3LNG全容儲(chǔ)罐采用架空式基礎(chǔ)，正常工況下，LNG 液體儲(chǔ)存于全容罐內(nèi)罐（主容器）中，外罐及熱角保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成的次容器用于盛裝BOG閃蒸氣及保冷材料。在內(nèi)罐泄漏的情況下，次容器能有效儲(chǔ)存 LNG 液體并實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)氣安全、可控的排放。內(nèi)、外罐均為圓柱形儲(chǔ)罐（罐體材質(zhì)采用S30408不銹鋼），內(nèi)罐頂為內(nèi)懸浮吊頂式，通過(guò)吊桿吊掛在外罐拱頂結(jié)構(gòu)梁上，外罐頂板采用16MnDR，頂部支撐結(jié)構(gòu)為肋環(huán)形網(wǎng)梁。儲(chǔ)罐內(nèi)罐直徑41.5m，外罐直徑 43.5m，外罐拱頂高度36.275m，總重超過(guò) 2800 噸，工作壓力10～15kPa。儲(chǔ)罐主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 液壓頂升的原理及特點(diǎn)

1.1 液壓頂升的作業(yè)原理

將滿足條件的頂升設(shè)備均勻布置在罐壁四周，外罐拱頂與抗壓圈承壓環(huán)組焊完成。先頂升抗壓圈，再逐層頂升倒裝儲(chǔ)罐壁板。采用自鎖式液壓千斤頂和頂升架、頂升桿集成的一體型液壓頂升裝置。當(dāng)液壓千斤頂進(jìn)油時(shí)，上部卡頭鎖死并頂起頂升桿和脹圈（脹圈設(shè)一道即可），從而帶動(dòng)罐壁板向上頂升；當(dāng)液壓千斤頂收油時(shí)，其上部卡頭隨活塞桿回落，這時(shí)下邊的卡頭自動(dòng)鎖死頂升桿，防止下移。液壓頂升裝置重復(fù)上述過(guò)程，使儲(chǔ)罐壁板隨之提升，直至滿足下層壁板的焊接高度。下層壁板縱、環(huán)焊縫組焊完成后解開液壓頂升裝置自鎖系統(tǒng)，放開卡頭將頂升桿和脹圈下移到下層壁板底部，利用龍門卡焊接固定好，重復(fù)上述過(guò)程，將焊接完成罐壁板頂升，直至最底圈壁板組焊完成[1]。提升過(guò)程中，每提升一圈帶板，罐壁的焊點(diǎn)都會(huì)及時(shí)打磨清除并做酸洗鈍化處理。

1.2 液壓頂升的特點(diǎn)

大型LNG儲(chǔ)罐液壓頂升施工方法在國(guó)內(nèi)日趨完善。與其他LNG儲(chǔ)罐施工方法相比，倒裝法施工具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）液壓頂升平穩(wěn)、安全、可靠?？赏ㄟ^(guò)控制箱對(duì)各液壓泵站進(jìn)行集中控制，也能對(duì)每個(gè)液壓缸進(jìn)行調(diào)整，所以罐體頂升過(guò)程中靈活性較好。自鎖型的液壓頂升裝置的結(jié)構(gòu)特性保證了頂升過(guò)程的安全可靠。即使遇到特殊情況如斷電，罐體也能保持穩(wěn)定可控，不會(huì)發(fā)生墜落造成事故[2]。（2）施工質(zhì)量有保證。自鎖型的液壓頂升裝置具有微調(diào)功能，可對(duì)頂升高度進(jìn)行較精準(zhǔn)的控制，方便上下兩層壁板的對(duì)縫焊接。設(shè)備便于操作、施工環(huán)境好、工效高。（3）設(shè)備的適應(yīng)性強(qiáng)。倒裝法可通過(guò)調(diào)整液壓頂升設(shè)備的數(shù)量，用于不同規(guī)模的儲(chǔ)罐施工。

圖1 儲(chǔ)罐主體結(jié)構(gòu)（單位：mm）

另外，LNG儲(chǔ)罐是雙金屬壁結(jié)構(gòu)，分內(nèi)罐和外罐。先進(jìn)行外罐的組焊頂升施工，外罐完成后，預(yù)留臨時(shí)門洞，再進(jìn)行內(nèi)罐的施工。內(nèi)罐施工時(shí)正好有外罐的封閉保護(hù)，施工焊接質(zhì)量受惡劣天氣影響很小，從而保證施工的質(zhì)量和效率。

1.3 液壓頂升設(shè)備的調(diào)試程序及控制原理

液壓頂升設(shè)備的調(diào)試程序：確定頂升壓力—頂升機(jī)調(diào)試（100mm左右）— 自動(dòng)頂升裝置 — 自動(dòng)頂升 — 頂升到位 — 個(gè)體調(diào)整回落就位（或?qū)p）— 關(guān)閉節(jié)流閥。

液壓泵站采用三相AC電機(jī)對(duì)四個(gè)液壓千斤頂進(jìn)行控制，液壓頂升成套設(shè)備的溢流平衡原理如圖2所示。在裝置油路中的電磁換向閥兩側(cè)添加2個(gè)泄壓閥，泄壓閥1負(fù)責(zé)調(diào)整回落時(shí)和靜止時(shí)的溢流平衡，泄壓閥2負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)頂升時(shí)的溢流平衡。在頂升過(guò)程中，頂升速度不同會(huì)導(dǎo)致頂升高度不同，造成某處受壓過(guò)大。這時(shí)泄壓閥2開啟，受壓過(guò)大時(shí)，液壓缸中的液壓油經(jīng)泄壓閥2流回油箱；在回落或靜止時(shí)，某處頂升偏高，受到壓力過(guò)大。這時(shí)泄壓閥1開啟，受壓過(guò)大時(shí)，液壓缸中的液壓油經(jīng)泄壓閥1流回油箱。使用這種超過(guò)額定壓力，液壓油溢流的方式，可大大提高液壓頂升裝置的安全可靠性[3]。

圖2 超壓溢流保護(hù)原理

2 30000m3LNG雙金屬壁全容儲(chǔ)罐倒裝施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 頂升前施工準(zhǔn)備

液壓頂升施工應(yīng)在罐內(nèi)抗壓圈及頂部鋼結(jié)構(gòu)焊接完成后進(jìn)行。施工前應(yīng)拆掉儲(chǔ)罐預(yù)組裝階段所搭設(shè)的儲(chǔ)罐中心圈臨時(shí)桁架，并將儲(chǔ)罐組焊施工中的垃圾廢料處理干凈。安裝液壓頂升工具，安裝位置均布在罐內(nèi)距罐壁250mm的圓周上，每個(gè)液壓頂沿徑向使用φ89鋼管或圓鋼打兩個(gè)斜撐以增強(qiáng)液壓頂升設(shè)備的穩(wěn)定性。

液壓頂升裝置調(diào)試完成后應(yīng)安裝脹圈和拉桿、插班。脹圈采用槽鋼滾弧后對(duì)扣焊接而成，把工字鋼300×100提前預(yù)制成罐體的弧度并將其對(duì)焊，保證脹圈焊完后弧度能與儲(chǔ)罐罐壁相適應(yīng)。脹圈沿罐壁圓周多段布置，頂升裝置將脹圈頂緊在儲(chǔ)罐罐壁上，在每段脹圈的端頭部位用預(yù)焊卡件把脹圈焊死，保證脹圈頂升過(guò)程中的穩(wěn)固性（液壓頂升裝置及脹圈沿圓周布置現(xiàn)場(chǎng)見圖3）。

在罐體每圈壁板組焊前預(yù)先在壁板畫出組焊位置區(qū)域。汽車吊把壁板吊至預(yù)定位置，吊運(yùn)組裝壁板時(shí)通過(guò)點(diǎn)焊預(yù)固定。整體圍板完成后，先進(jìn)行壁板立縫的焊接，使用分段倒退焊方法，焊接工人沿罐周平均布置[4]。然后安裝焊接罐壁圈板的臨時(shí)固定調(diào)節(jié)裝置并進(jìn)行調(diào)整（焊接現(xiàn)場(chǎng)見圖4）。

圖3 液壓頂升裝置及脹圈沿圓周布置現(xiàn)場(chǎng)

圖4 圍板焊接現(xiàn)場(chǎng)

2.2 施工工序流程

30000m3LNG雙金屬壁全容儲(chǔ)罐倒裝施工工序較復(fù)雜（見圖5）。

圖5 倒裝法施工工序流程

2.3 施工機(jī)具及相關(guān)驗(yàn)算

2.3.1 液壓頂升設(shè)備

30000m3LNG低溫儲(chǔ)罐提升參數(shù)如下：拱頂+抗壓圈+吊桿+吊頂板+拱頂板+第14～1圈壁板重量（考慮連接固定附件重量）。

P最大=206.874+82.018+25.5+18.16+26.028×9+30.36+34.704+34.704+39.036+43.38=748.988t

通過(guò)上述計(jì)算得知，罐體頂升需要計(jì)算的最大重量為748.988噸，考慮安全裕量，頂升裝置工作荷載以不超過(guò)額定荷載的80%為準(zhǔn)。本工程采用HR4000-30TLT型頂升機(jī)成套裝置，頂升速度為0.2m/min，總行程為2050mm/4000mm（最高）。由于每套頂升裝置工作荷載不超過(guò)額定荷載的80%，所以每套頂升裝置提升荷載的能力應(yīng)為30t*80%=24t?，F(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備30T液壓提升機(jī)39臺(tái)負(fù)荷分析：?jiǎn)闻_(tái)液壓頂升設(shè)備受力為748.988/39=19.204t＜24t，固液壓頂升能力滿足條件。

2.3.2 倒裝法考慮風(fēng)荷載影響因素的計(jì)算

為保證罐體在頂升過(guò)程的安全，防止異常天氣下大風(fēng)造成罐體傾覆，根據(jù)設(shè)計(jì)文件提供的工程氣象條件中平均最大風(fēng)速為25m/s進(jìn)行計(jì)算。地面橫風(fēng)對(duì)罐體的作用：P壓力=0.5pcv2。式中，P壓力為壓力，單位Pa；p為空氣密度(氣壓取1002.4hPa，往年11～12月平均環(huán)境溫度為9℃)，空氣密度p=1.293×(實(shí)際壓力/標(biāo)準(zhǔn)物理大氣壓)×(273.15/實(shí)際絕對(duì)溫度)，絕對(duì)溫度=攝氏溫度 +273.15，空氣密度 p=1.293×（1002.4/1013.25）×（273.15/282.15）=1.238kg/m3； c為風(fēng)力系數(shù) (弧面工況下c為0.7);v即風(fēng)速，m/s(以最大風(fēng)速25m/s計(jì) )。則：P壓力=0.5pcv2=0.5×1.238×0.7×252=27 0.81Pa。

外罐體最大迎風(fēng)面積S=Dh=43.5×36.275=1577.96m2；迎風(fēng)面最大風(fēng)力F=P壓力，S=270.81×1577.96/1000=427.33kN。式中，D為罐體直徑，h為外罐拱頂高度。當(dāng)儲(chǔ)罐受風(fēng)力影響，受風(fēng)面產(chǎn)生的彎矩超過(guò)儲(chǔ)罐自身質(zhì)量相對(duì)于傾覆點(diǎn)所產(chǎn)生的彎矩時(shí)，就可能發(fā)生翻倒事故。

實(shí)際風(fēng)力彎矩M1=F×h/2=427.33×36.275/2=7 750.70kN·m ；

自重彎矩 M2=P最大×D/2=（748988×9.8/1000）×43.5/2=159646.79kN·m ；

兩者比較，可看出M2遠(yuǎn)超M1,所以在沒(méi)有額外加固措施的情況下，罐體的頂升幾乎不受風(fēng)荷載影響，十分安全。

2.4 頂升注意事項(xiàng)

開始頂升后，各設(shè)備監(jiān)管人員立即記錄油泵、電流、電壓、溫升、油壓及液壓裝置行程數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常立即向現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人匯報(bào)情況。

頂升提高儲(chǔ)罐壁板距底部邊緣板高出150mm左右時(shí)，各安檢員要查看有無(wú)異常。壁板上升期間，注意隨時(shí)調(diào)整頂升裝置上升的差異程度，控制在40mm以內(nèi)。圍板外圈的巡察人員隨時(shí)敲打兩層板的交叉處，防止某些部位可能出現(xiàn)卡滯阻礙的情況。但油壓、電機(jī)電流、電壓超出說(shuō)明書規(guī)定值時(shí)，指揮員應(yīng)發(fā)出暫停頂升命令，待查出原因，排除故障后再繼續(xù)頂升。若頂升裝置不同步，則單獨(dú)調(diào)節(jié)個(gè)別液壓提升設(shè)備后繼續(xù)提升，直到達(dá)到下一層壁板預(yù)設(shè)焊接的位置[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

大型儲(chǔ)罐倒裝施工適用范圍廣，操作控制簡(jiǎn)單、可靠、危險(xiǎn)性小。利用液壓頂升集中控制的優(yōu)勢(shì)，能避免電動(dòng)葫蘆提升速率不均造成罐體提升過(guò)程易傾斜、對(duì)板焊接難度大的問(wèn)題。同時(shí)相比正裝法不必搭設(shè)滿堂腳手架，場(chǎng)地限制小、地面可作業(yè)、機(jī)械臺(tái)班數(shù)量少，其經(jīng)濟(jì)性、效率高等顯而易見?？稍诮窈髢?chǔ)罐安裝工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。