14000m3 低溫液氮雙層儲罐施工技術(shù)

胡 飛 曾欽禮 李均分 周曉晨 陳 林 尤軍豪

中國化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司 湖北 襄陽 441100

中國化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司（以下簡稱六化建）承建某外資企業(yè)空氣化工（以下簡稱AP）低溫液氮雙層儲罐。該儲罐為立式圓柱形平底自支撐拱頂雙壁槽，內(nèi)、外罐材質(zhì)分別為S30408、Q235B，內(nèi)罐有效容積為14000m3，儲存介質(zhì)為低溫液氮，介質(zhì)操作溫度為- 196℃，是世界上最大的鋼構(gòu)雙層儲罐之一。儲罐施工完成后如圖1 所示。

圖1 儲罐施工完成圖

1 技術(shù)重點和難點

1.1 工期緊，任務(wù)繁重

（1） 焊 縫 總 長 度 為9900m， 折 算 達(dá) 因 量 為39000DIN，總施工周期為150d；

（2）內(nèi)外罐壁板共計25 帶壁板，每帶板的必要施工周期為2.5d，且每天需加班到晚上11 點半；

（3）內(nèi)罐最厚壁板為40mm，外罐最厚為20mm，且內(nèi)罐要求全氬弧焊接，提高了焊接質(zhì)量，但大大降低焊接效率。

1.2 大型腳手架搭設(shè)難度大

（1）AP 對于安全要求高，內(nèi)部和外部均需搭設(shè)滿堂腳手架（圖2），直徑為30m，高度為30m；

圖2 滿堂紅腳手架

（2）經(jīng)過認(rèn)真討論和專家論證，確定全部使用盤扣式腳手架搭設(shè)；

（3）腳手架搭設(shè)難度大，安全風(fēng)險高。1.3 罐體重且高，頂升難度大

（1）液壓頂升法：罐體提升采用塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)整體提升法，罐體起升液壓頂準(zhǔn)備24 套，備用2 套，高度為3.9m，行程2.6m。內(nèi)罐總重量為360.181t，去除底板的重量為330t。外罐總重量為300t，去除底板的重量為266t。液壓頂升及中心支撐如圖3、圖4 所示。

圖3 液壓頂升圖

圖4 中心支撐圖

（2）嚴(yán)格考驗每一個機(jī)構(gòu)，包括液壓缸、液壓頂、提升桿，以及穩(wěn)定系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的可靠性，每次升罐前都必須檢嚴(yán)格查。因為一環(huán)出錯就會造成難以估量的安全事故。

（3）頂升技術(shù)不夠成熟。由于油管行程不同，頂升速度不同步，提升時會造成傾斜，過程中必須嚴(yán)格控制。

（4）落罐時同樣速度不同步，一次只能下降10cm，需要精心操作。

2 技術(shù)特點及工藝原理

2.1 采用液壓千斤頂提升技術(shù)

（1）提升平穩(wěn)、安全、可靠：由于采用液壓統(tǒng)一控制，并且可以進(jìn)行單個或局部（幾個）的調(diào)整，因而整個提升過程比較平穩(wěn)。松卡式千斤頂自身的結(jié)構(gòu)特點決定了其自鎖性良好，不會因停電而造成罐體或重物下滑或下墜，液壓提升過程安全可靠，液壓頂結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 液壓頂結(jié)構(gòu)

（2）施工質(zhì)量有保證：因松卡式千斤頂具有可調(diào)（微降）功能，提升高度可以較精確的控制。

（3）設(shè)備便于操作，施工環(huán)境好，工效高。

（4）設(shè)備的適應(yīng)性強(qiáng)：該成套設(shè)備只要增減液壓提升機(jī)（即松卡式千斤頂、提升架、提升桿等）的數(shù)量即可適用于幾千立方米到幾萬立方米的不同容積大型儲罐的液壓提升施工；

（5）液壓泵站可根據(jù)實際工況，設(shè)置在合理位置。對于大型儲罐而言，液壓泵站可置于罐體內(nèi)，也可置于罐外或兩個罐體中間（當(dāng)兩臺罐體安裝由一臺泵站控制時）進(jìn)行施工控制。

（6）液壓泵站分手動和自控兩種，施工適應(yīng)性強(qiáng)，技術(shù)性能價格比優(yōu)良。

（7）工期短、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好。由于成套設(shè)備的現(xiàn)代化程度高，提升速度快，因而施工成本低，經(jīng)濟(jì)效益好。

2.2 采用焊接小車半自動焊接技術(shù)

采用焊接小車半自動焊接技術(shù)，大大提高了焊接效率，同時施工質(zhì)量得到了保證。單臺自動焊效率是人工的3 倍。自動焊機(jī)如圖6 所示。

圖6 自動焊機(jī)

3 工藝原理

3.1 液壓千斤頂技術(shù)

（1）液壓提升裝置（成套設(shè)備）均布于儲罐內(nèi)壁圓周處，先提升罐頂及罐體的上層（第一層）壁板，然后逐層組焊罐體的壁板。

（2）采用松卡式液壓千斤頂、提升架、提升桿組成的液壓提升裝置進(jìn)行提升，當(dāng)液壓千斤頂進(jìn)油時，通過其上卡頭卡緊并舉起提升桿和脹圈，下卡頭由提升桿向上帶動時松開提升桿，從而帶動罐體（包括罐頂）向上提升。

（3）當(dāng)千斤頂回油時，其上卡頭隨活塞桿回程，此時下卡頭會自動卡緊提升桿使其不再下降；卡頭隨活塞回程繼續(xù)下降，使千斤頂回落到位。千斤頂如此反復(fù)運動使提升桿帶著罐體不斷上升，直到提升到預(yù)定的高度（空出下一層板的高度）。

（4）圍好這層壁板進(jìn)行對接組焊，焊接完成后定位擋塊后，松開液壓千斤頂?shù)南驴^，千斤頂回程將提起的罐體回落在新圍上的壁板上；焊接完成環(huán)縫和立縫后，松開上、下卡頭，將提升桿及脹圈回落到提升架底部，再進(jìn)行下一圈板的脹緊、焊好門型卡等傳力筋板，再進(jìn)行提升。如此反復(fù)，使已組焊好的罐體上升，直到最后一層壁板組焊完成，從而將整個儲罐安裝完畢。

3.2 焊接小車自動焊

（1）焊接電源：其輸出功率和焊接特性應(yīng)與擬用的焊接工藝方法相匹配，可使用遙控器設(shè)置不同焊接條件下的電源。

（2）送絲機(jī)及其控制與調(diào)速系統(tǒng)：送絲機(jī)可根據(jù)焊接速度自動控制送絲速度，其控制電路有測速反饋。

（3）焊接機(jī)頭用移動機(jī)構(gòu)：由焊接機(jī)頭、焊接機(jī)頭支承架和懸掛式拖板等組成，其驅(qū)動系統(tǒng)采用裝有編碼器的伺服電動機(jī)。

（4）焊件移動或變位機(jī)構(gòu)：如焊接滾輪架、頭尾架翻轉(zhuǎn)機(jī)、回轉(zhuǎn)平臺和變位機(jī)等，精密型的移動變位機(jī)構(gòu)配伺服電動機(jī)驅(qū)動。

（5）主控制器亦稱系統(tǒng)控制器主要用于各組成部分的聯(lián)動控制、焊接程序控制，以及主要焊接參數(shù)的設(shè)定、調(diào)整和顯示。

4 施工工藝流程及施工方法

施工工藝流程如圖7 所示。

圖7 施工工藝流程示意圖

4.1 總體施工方法

總的制作安裝方法為先制作安裝外筒，后制作安裝內(nèi)筒。內(nèi)筒和外筒制作安裝均采用液壓提升倒裝法，其特點一是適應(yīng)范圍廣，理論上可適用于任意大小的儲罐；二是操作控制簡單、可靠、危險性小，因此已經(jīng)越來越多的被采用。其主要缺點是目前成套設(shè)備價格較貴，設(shè)備購置一次性投入較大。這種方法彌補了傳統(tǒng)的正裝法及充氣頂升倒裝法的不足，是一種技術(shù)成熟、安全可靠、綜合效益好的施工工藝。在質(zhì)量方面，由于這種方法有利于罐體的對接控制，內(nèi)筒的制作和焊接可在較為封閉的環(huán)境下施工，大大減少天氣和環(huán)境對制作和焊接的影響，從而保證了焊接質(zhì)量。又由于脹圈的作用，可極好地保證整個貯罐的外形。在安全方面，又減少了大量的高空作業(yè)。

4.2 拱頂組裝

（1）頂板組裝前，先裝倒數(shù)第一帶壁板及包邊角鋼；全部組焊完畢后，檢查包邊角鋼半徑偏差不大于±19mm；并安裝中心架，中心架安裝須牢固，其中心對準(zhǔn)底板中心，垂直度不大于0.1%L，且不大于10mm。

（2）在外罐頂部26 個珠光砂孔和1 個中心孔處各用100mm×100mm×10mm 的角鋼焊接在頂蓋上，用來固定DN80 的鋼管。每根鋼管上懸掛Ф16mm 的鋼絲繩共計27 根，每根35m，每根鋼絲繩下掛一個2t 的手拉葫蘆；鋼絲繩與鋼管連接和手拉葫蘆連接處各用3 個卡扣不同向固定。

（3）用吊車將壁板吊到預(yù)留進(jìn)板口處，用溜繩拉進(jìn)罐內(nèi)1/ 3；用頂部掛好的倒鏈連接吊耳，拉到第二個倒鏈處；取吊車勾，夾緊第二個板夾，依次循環(huán)。

（4）頂板組裝完成，經(jīng)檢查合格后，即可進(jìn)行焊接。頂板支撐圈如8 所示。

圖8 頂板支撐圈

4.3 壁板組裝

（1）壁板預(yù)制組裝須按壁板排版圖進(jìn)行。

（2）當(dāng)?shù)装褰M焊完成后，即可組對罐頂下的第一帶板。組對時以底板上中心為圓心，以罐體半徑為半徑，在底板上劃出貯罐筒體組裝圓周線，并沿此圓周線內(nèi)側(cè)每隔約1m 點焊一長為100mm 的壁板組裝定位角鋼。

（3）筒體組裝前應(yīng)繪制排版圖，并應(yīng)符合以下條件：各圈板縱向接頭間距不小于500mm；底圈板的縱向接頭與底板邊緣板對接焊接接頭之間距離不得小于200mm；開孔接管或補強(qiáng)板外緣與筒體縱焊縫間距離不得小于200mm，與筒體環(huán)焊縫距離不得小于100mm；加強(qiáng)圈或包邊角鋼對接接頭與筒體縱焊縫間距離不得小于200mm。

（4）根據(jù)排版圖，組裝下一帶板。組裝時，壁板內(nèi)側(cè)用鋼管作臨時支撐，以防傾斜。為調(diào)節(jié)帶板松緊度和控制焊接收縮量，在圓周對稱位置設(shè)兩道活口，每道活口焊兩組掛鉤，以2t 倒鏈拉緊即可焊接壁板立縫。

（5）每一帶板立縫焊接完成后，在距下口300mm 處設(shè)置脹圈，焊縫長度、高度必須滿足方案要求；用16t 千斤頂及楔子頂裝脹圈，以同樣的方法在第一帶板外側(cè)組對第二帶板，并將立縫外側(cè)焊接完成。

（6）筒體形狀與尺寸：筒體高度的允許偏差不應(yīng)大于設(shè)計高度的0.5%；筒體鉛重的允許偏差不應(yīng)大于筒體高度的0.4%，且不得大于50mm；筒體的局部凹凸變形應(yīng)平緩，不得有突然起伏，且不得大于13mm；筒體焊縫棱角高不得大于10mm；當(dāng)直徑小于12.5mm 時，筒體半徑允許偏差±12mm；當(dāng)半徑大于12.5mm 時，筒體半徑允許偏差±18mm。

4.4 罐體提升：采用塔機(jī)頂升液壓系統(tǒng)整體提升法

（1）液壓缸進(jìn)場，排好編號，分別按順序就位。液壓千斤頂設(shè)置如圖9 所示。

（2）液壓缸與牛腿安裝可靠后，再用[10 的槽鋼與柜底板成八字形支撐可靠焊接，防止左右偏移。上方用16mm 槽鋼與活塞桁架連接，24 臺液壓缸支架用16mm槽鋼可靠連接在牛腿下，焊接I32a 的工字鋼作為牛腿。液壓頂升裝置如圖9 所示。

圖9 液壓頂升裝置

（3）液壓缸是一種采用柱塞作為剛性支撐頂舉的液壓缸，用以起升重物，具有構(gòu)造簡單、用途廣泛、安全系數(shù)高等優(yōu)點。本次低溫罐安裝所用的液壓缸為分離式液壓缸，由底座、缸體柱塞、液壓油泵站、液壓油連接管等組成液壓集成系統(tǒng)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：最大工作壓力為25MPa，流量14.2L/ min；電機(jī)功率7.5kW，單缸頂升力25t；組合油缸200/ 140—2000 四根使用，最快下降速度0.2m/ min；24 支液壓缸控制重物的頂升和下降，單臺泵站同步控制四個油缸下降頂升控制精度5%，24 支油缸1泵站（回路）控制，泵站之間可以手動變量校準(zhǔn)同步精確，每次只能提升100mm，以保證同步和安全。

4.5 貯罐組裝采用液壓頂提升倒裝法

（1）每個貯罐設(shè)置的液壓頂沿罐壁內(nèi)周向均布，使各點受力均勻；在脹圈內(nèi)設(shè)置米字支撐，米字支撐端部設(shè)置吊耳，液壓頂盡量靠近罐壁。漲圈吊耳必須安裝在罐體圓心與提升柱的同一軸線上，保證罐體的平穩(wěn)提升。

（2）為了環(huán)縫組對口方便、保證質(zhì)量、提高工效，在罐內(nèi)側(cè)每隔500mm 焊一個定位板。

（3）為保證環(huán)縫對接質(zhì)量，組對前在上下兩對焊環(huán)縫上每隔2m 放置一塊定位板，通過楔子找平；環(huán)縫按要求組對完成后，點焊固定，點焊長度40～60mm、間隔500mm，最后將環(huán)縫焊接。

（4）按同樣方法組裝其他帶板，直至最后一帶板。

4.6 內(nèi)罐底板絕熱基礎(chǔ)施工

（1）外筒底板合格后，進(jìn)行下部均壓板的澆注；下部均壓板養(yǎng)護(hù)合格后，用無機(jī)粉末找平，然后進(jìn)行泡沫玻璃磚的施工。

（2）泡沫玻璃磚按規(guī)定層數(shù)、高度鋪設(shè)完畢后，必須鋪上一層鋁箔，然后在上面澆灌100mm（外緣250mm）的鋼筋混凝土層作為均壓板。

（3）均壓板施工時，應(yīng)先制作模板，以防砂漿外溢。混凝土澆注應(yīng)用人工搗實，不得使用平板振動器，以防損傷下面的泡沫玻璃磚。澆注養(yǎng)生期內(nèi)，周邊應(yīng)采取有效的防水措施。

4.7 接管安裝

（1）罐體組裝完后，按照管口方位畫出管口的安裝位置；內(nèi)罐開孔采用等離子或者冷切割，用砂輪片打磨掉氧化層，接管伸出長度須符合設(shè)計要求，焊縫要做著色檢驗。

（2）管道對接焊縫焊接采用氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面；不銹鋼管煨彎時采用冷煨，嚴(yán)禁用氣焰加熱煨彎，且煨彎時不得用鐵錘敲打管道。

（3）分罐組裝前，對所有物件經(jīng)檢驗合格方可進(jìn)行組裝；對所有的管件、接管管線進(jìn)行清洗，去油污處理，并經(jīng)檢驗合格，才可組裝。

（4）液體管道安裝沿液體流動方向須向下傾斜，按照圖紙要求的坡度進(jìn)行安裝，尤其膨脹節(jié)安裝一定按圖施工。

（5）管接頭須經(jīng)清洗后才能進(jìn)行安裝。

（6）管子的端面和焊接坡口采用機(jī)械切削，并去除毛刺。

4.8 管架、閥架施工

（1）管架、閥架不得直接與罐體焊接，須先焊一塊補強(qiáng)板，補強(qiáng)板距離罐體焊縫不得小于200mm。

（2）管架、閥架須按圖施工，不得隨意修改設(shè)計型式。

5 結(jié)語

14000m3低溫液氮雙層儲罐施工使用了液壓千斤頂、焊接小車等先進(jìn)技術(shù)，保證了施工質(zhì)量，并使施工工期提前，為后序施工節(jié)約了時間。同時，克服了大型腳手架搭設(shè)難度大、焊接量多、頂升難度大等一系列難題。經(jīng)過監(jiān)理、業(yè)主及檢測單位三方檢驗，工程質(zhì)量達(dá)到相關(guān)規(guī)范驗收要求，為后續(xù)的類似工程施工提供了技術(shù)及經(jīng)驗支持。