兩種儲罐氣頂升平衡系統(tǒng)的應(yīng)用

左繼澤

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

全容儲罐作為目前存貯液化天然氣(LNG)的主力儲罐，其外罐為鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)罐為X7Ni9鎳鋼[1]。在整個(gè)大型全容儲罐的建設(shè)中，儲罐罐頂(拱頂)的安裝是一項(xiàng)十分重要的環(huán)節(jié)。目前常常采用氣頂升的方式，即把在地面組裝完成的儲罐罐頂鋼結(jié)構(gòu)和下部鋁吊頂一起頂升至外罐抗壓環(huán)處，然后在保持罐內(nèi)氣壓的情況下完成固定和焊接工作[2-3]。

氣頂升是儲罐建設(shè)中重要的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)，其施工工藝涉及因素多、技術(shù)要求高、施工難度大。其裝置主要包括平衡系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)這五大類[4]。在頂升的過程中，罐頂鋼結(jié)構(gòu)處于受力平衡的勻速上升狀態(tài)，罐頂無任何實(shí)體的支撐，完全依靠由鼓風(fēng)機(jī)鼓入罐內(nèi)的空氣所產(chǎn)生的壓力來支撐。因此，罐頂上任何部位的不均勻受力都將打破罐頂?shù)钠胶鉅顟B(tài)，若不能及時(shí)矯正必將導(dǎo)致罐頂?shù)膬A覆翻轉(zhuǎn)，造成重大的安全事故[5]。

1 概況介紹

平衡系統(tǒng)就是用來控制罐頂穩(wěn)定性的一套裝置。主要由安裝在抗壓環(huán)上的T型支架、頂部錨固件、底部錨固件、中間導(dǎo)向滑輪組和定長鋼絲繩組成。在某接收站20萬立方米大型LNG全容儲罐建設(shè)中，采用了兩種氣頂升平衡方式，一種為底部邊緣錨固平衡法(簡稱“邊緣法”，如圖1(a))，另一種為底部中心錨固平衡法(簡稱“中心法”，如圖1(b))[6]。此兩種平衡方式都是在抗壓環(huán)頂部與拱頂縱梁對應(yīng)的位置焊接24個(gè)均勻分布的T型支架，其兩端均有定滑輪，每個(gè)T型支架上都配有一組鋼絲繩，鋼絲繩的一端通過定滑輪連接在外罐墻體錨固吊耳上，拉力計(jì)安裝在儲罐0°、90°、180°、270°四個(gè)對稱方位的鋼絲繩上。

圖1 兩種氣頂升平衡方式示意圖

對于邊緣法來說，T型支架焊接完畢后采用線墜或激光法將鋼絲繩安裝位置垂直投影在拱頂襯板上，用記號筆做好標(biāo)記后進(jìn)行開孔，使鋼絲繩能夠通過頂襯板到達(dá)罐內(nèi)，然后在對應(yīng)的拱頂邊緣下部配套安裝有24個(gè)并排雙向轉(zhuǎn)向滑輪(簡稱“雙向滑輪”)，對應(yīng)位置處的外罐墻體第一圈環(huán)向預(yù)埋件焊接有24個(gè)臨時(shí)吊耳。從T型支架另一端下來的鋼絲繩穿過孔洞，通過雙向滑輪引向?qū)ΨQ方向的第二個(gè)雙向滑輪處，然后固定在底部的臨時(shí)吊耳上。對于中心法來說，同樣用線墜或激光法將鋼絲繩安裝位置垂直投影在拱頂縱梁上，不需開孔，但需要在其上部所對應(yīng)的適當(dāng)位置焊接24個(gè)臨時(shí)吊耳，每個(gè)臨時(shí)吊耳上都栓有轉(zhuǎn)向滑輪。在拱頂中心位置安裝著由24個(gè)轉(zhuǎn)向滑輪組成的中心滑輪組，在儲罐承臺混凝土中心位置提前布置好底部中心錨固支架。同時(shí)，在拱頂縱梁邊緣臨時(shí)吊耳和拱頂中心轉(zhuǎn)向滑輪的中間平均分布著2個(gè)導(dǎo)向滑輪，有24根主縱梁，因此共48個(gè)導(dǎo)向滑輪。從T型支架另一端下來的鋼絲繩經(jīng)過轉(zhuǎn)向滑輪改變方向，然后通過拱頂縱梁上的兩個(gè)導(dǎo)向滑輪引向拱頂中心方向，在中心滑輪組處再次改變方向引至底部中心錨固支架上。兩種氣頂升平衡方法都是利用定長的鋼絲繩張力來控制氣頂升過程中拱頂傾斜角度和水平位置，來達(dá)到防止罐頂發(fā)生翻轉(zhuǎn)的目的。

2 對比分析

2.1 頂升重量分析

案例分析皆以此接收站20萬立方米大型LNG全容儲罐為參考。拱頂上的所有設(shè)施和臨時(shí)附件都是相同的，且規(guī)定兩種平衡方式上的配重均為15 t。在具體數(shù)據(jù)分析之前，結(jié)合圖1可以很容易看出，中心法與邊緣法相比，需要更多的導(dǎo)向滑輪，但所需的鋼絲繩長度卻短了許多(中心法105 m，邊緣法150 m)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，并不是所有的鋼絲繩重量都由拱頂承擔(dān)，T型支架和罐壁外墻混凝土上的錨固吊耳會承擔(dān)相當(dāng)一部分，因此在計(jì)算時(shí)，會把兩種平衡方法中鋼絲繩一半的重量算進(jìn)氣頂升的總重量里。分析完這些，把具體頂升所需的重量值數(shù)據(jù)匯總，編制成表1。從中不難發(fā)現(xiàn)，兩種平衡方法所需要的氣頂升總重量相差約1.5 t，幾乎可以忽略不計(jì)。

表1 兩種平衡方式的頂升重量

2.2 鋼絲繩張力分析

在頂升過程中，繩子的張力不是恒定的，這主要取決于拱頂?shù)钠胶鉅顟B(tài)，以及拱頂在不同時(shí)刻的位置。這是因?yàn)樵陧斏^程中所需要的繩長會發(fā)生變化，但是鋼絲繩的長度為定值，因此就會造成鋼絲繩拉伸或松弛[7]。為研究方便，對實(shí)際情況進(jìn)行簡化，即只研究一組鋼絲繩。如圖2所示，在未頂升(或剛開始頂升)時(shí)拱頂所處的位置記為位置1，在某一時(shí)刻拱頂所處的位置記為位置2。

圖2 兩種平衡方式張力分析示意圖

2.2.1 邊緣法鋼絲繩張力分析

如圖2左所示，在位置1時(shí)，鋼絲繩位于點(diǎn)ACDE處；在位置2時(shí)，鋼絲繩位于點(diǎn)ABFE處。在頂升過程中，AC段會逐漸變小至AB，DE段在逐漸增大至FE，CD段和BF段的長度是保持不變的。因此在頂升中，鋼絲繩的變化量主要取決于BC段和(FE-DE)變化的相對大小。

若拱頂以v的速度頂升了一段時(shí)間t，則BC段(相當(dāng)于FD段)長度為vt，那么：

對式3求關(guān)于時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，簡化后得到式4：

式中：v為拱頂頂升速度(m/min)；t為頂升時(shí)間(min)；a為F點(diǎn)和E點(diǎn)的水平距離(m)；b為D點(diǎn)和E點(diǎn)的垂直距離(m)。

根據(jù)三角形三邊關(guān)系可知，在三角形FDE中，式(3)恒大于0。式(4)中的分式為真分式，即式(4)恒大于0，因此可知，BC段與(FE-DE)的差值會隨著頂升時(shí)間t的增大而變大，即拱頂在頂升過程中，所需的鋼絲繩長度會逐漸變短，這在定長的鋼絲繩上，則表現(xiàn)為逐漸變小的鋼絲繩張力。

2.2.2 中心錨固法鋼絲繩張力分析

如圖2右所示，在位置1時(shí)，鋼絲繩位于點(diǎn)ABCDEF處；在位置2時(shí)，鋼絲繩則位于AB'C'D'E'F處?？梢钥闯觯珺CDE與B'C'D'E'長度是一致的，隨著頂升，AB段逐漸減小至AB'，而EF段逐漸增加至E'F，兩者變化的長度均為拱頂頂升的高度vt。因此在罐頂不發(fā)生傾斜的情況下，此種平衡方法不會對鋼絲繩的張力造成影響。

2.3 拱頂受力分析

以上的分析是把拱頂當(dāng)作不可變形的剛性整體，但實(shí)際上鋼絲繩的應(yīng)力會對拱頂形狀造成影響。以拱頂中心為力矩作用點(diǎn)，鋼絲繩在與拱頂?shù)倪B接點(diǎn)上都會對拱頂產(chǎn)生力矩的作用，這往往會使拱頂鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。在此之前，需先計(jì)算鋼絲繩上的應(yīng)力。其應(yīng)力由預(yù)應(yīng)力和摩擦力組成，由式5可算出鋼絲繩上的應(yīng)力，即N為14.21 kN。

式中：N為鋼絲繩上的應(yīng)力(kN)；N預(yù)應(yīng)力為預(yù)先施加在鋼絲繩上的預(yù)應(yīng)力(kN)；N摩擦應(yīng)力為頂升過程中對鋼絲繩產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力(kN)；為動摩擦系數(shù)，這里取0.15；為頂升需求應(yīng)力(Pa)，該項(xiàng)目為1624 Pa；為頂升面積(m2)，5944 m2，r取43.5 m；n為鋼絲繩組數(shù)，24；為頂升重量(N)，為計(jì)算方便，兩種平衡方式的頂升質(zhì)量均為900 t，頂升重量則為8820 kN。

2.3.1 邊緣法拱頂受力分析

鋼絲繩對單側(cè)拱頂?shù)淖饔命c(diǎn)只有雙向滑輪這1處，同時(shí)拱頂單側(cè)受到鋼絲繩的力并非來源于同一根鋼絲繩，而是兩根對稱方向的鋼絲繩共同作用的。為分析方便，忽略雙向滑輪直徑對鋼絲繩轉(zhuǎn)向后方向的影響，假定鋼絲繩從T型支架下來經(jīng)過雙向滑輪后，鋼絲繩的方向變?yōu)樗?，即轉(zhuǎn)變的角度為90°，鋼絲繩對拱頂上單個(gè)雙向滑輪受力分析如圖3所示。因此：

圖3 單個(gè)雙向滑輪受力分析

垂直方向：

水平方向：

以拱頂中心為作用點(diǎn)，那么垂直方向力產(chǎn)生的力矩：

水平方向力產(chǎn)生的力矩：

式中：FV為垂直方向受力(kN)；FH為水平方向受力(kN)；MV為垂直方向的力對拱頂中心產(chǎn)生的力矩（kN·m）；MH為水平方向的力對拱頂中心產(chǎn)生的力矩(kN·m)；θ為CD段與垂直方向的夾角(°)；L1為鋼絲繩作用點(diǎn)與拱頂中心的水平距離(m)；L2為鋼絲繩作用點(diǎn)與拱頂中心的垂直距離(m)。

實(shí)際上，L1的長度為43.5 m，L2的長度為11.7 m，即：

那么單個(gè)雙向滑輪上受到的力對拱頂中心產(chǎn)生的合力矩為：

式(11)關(guān)于θ進(jìn)行求導(dǎo)，結(jié)果為：

因?yàn)镃D段與垂直方向的夾角在0～90°之間，由式(12)可以看出，其值恒小于0，即隨著在頂升中夾角的減小，單個(gè)雙向滑輪上的力對拱頂中心產(chǎn)生的合力矩則會逐漸增加。

如圖3所示，在未進(jìn)行頂升前，θ為最大值；在頂升即將結(jié)束時(shí)，θ為最小值。結(jié)合拱頂在頂升前的邊緣支撐高度(近似為b值)為2 m，雙向滑輪距離罐壁1.35 m(近似為a值)，頂升高度為43 m。那么可計(jì)算出CD段與垂直方向的夾角θ最大值和最小值，分別為34°和1.8°，進(jìn)而計(jì)算出單個(gè)雙向滑輪上受到的力對拱頂中心產(chǎn)生的合力矩最小為125.90 kN·m，合力矩最大為326.97 kN·m(方向均向內(nèi))。則24組雙向滑輪對拱頂中心產(chǎn)生的最大總力矩則十分巨大，在一定程度上會使拱頂發(fā)生向內(nèi)彎折的現(xiàn)象。

2.3.2 中心法拱頂受力分析

鋼絲繩對單側(cè)拱頂?shù)牧Φ淖饔命c(diǎn)有4處，即在拱頂單側(cè)的4個(gè)滑輪處(分別為①號、②號、③號和④號)，如圖4所示。這里認(rèn)為4個(gè)滑輪在水平方向上是均勻分布的。從圖中可知，拱頂單側(cè)受到的力來自同一根鋼絲繩，且鋼絲繩在各滑輪處的方向不會隨著頂升而發(fā)生變化。則可利用式(13)～式(20)計(jì)算出拱頂單側(cè)垂直方向和水平方向上的合力：

圖4 單根鋼絲繩對拱頂單側(cè)的受力分析

①號滑輪(先垂直，后水平，下同)：

②號滑輪：

③號滑輪：

④號滑輪：

式中：θ1為①號滑輪右側(cè)鋼絲繩與水平方向的夾角(°)；θ2為②號滑輪右側(cè)鋼絲繩與水平方向的夾角(°)；θ3為③號滑輪右側(cè)鋼絲繩與水平方向的夾角(°)。

經(jīng)計(jì)算，無論在垂直方向還是水平方向上，單根鋼絲繩對拱頂單側(cè)的合力都相互抵消。接下來看力矩的影響。相鄰兩個(gè)滑輪的水平距離為14.05 m，那么4個(gè)滑輪與拱頂中心的水平距離和與拱頂中心的垂直距離是可知的，由此計(jì)算出θ1、θ2、θ3，進(jìn)而計(jì)算出各處受力點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩大小，把結(jié)果匯總為表2。

表2 受力點(diǎn)處對單側(cè)拱頂?shù)牧赜?jì)算

表中可知，單根鋼絲繩對單側(cè)拱頂產(chǎn)生的合力矩為546.53 kN·m，其對單側(cè)拱頂造成的合力矩相比于邊緣法的最大值還要大，但是方向相反，對拱頂產(chǎn)生向外劈分的作用。

2.4 其他因素分析

兩種平衡方式對比中，邊緣法有以下兩個(gè)缺點(diǎn)。(1)鋼絲繩和襯板孔洞之間會產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致鋼絲繩磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致平衡系統(tǒng)失效。(2)需在罐壁縱向預(yù)埋件上焊接24個(gè)吊耳，而縱向預(yù)埋件的作用是為外罐壁板的安裝提供焊接位置，本身是承重的。若頂升過程中發(fā)生問題導(dǎo)致鋼絲繩應(yīng)力驟增，將會對預(yù)埋件的質(zhì)量造成不可逆的傷害。而對于中心法，就不用擔(dān)心上述兩類問題，但需提前規(guī)劃好中心錨固支架的位置，并在承臺澆筑之前把錨固支架的預(yù)埋件埋入承臺之中。

3 結(jié)語

(1)兩種氣頂升平衡方式在頂升重量上差別不大，均約為900 t。

(2)在鋼絲繩應(yīng)力變化上，邊緣法的鋼絲繩的張力會隨著拱頂?shù)捻斏饾u變小，但鋼絲繩本身是有預(yù)應(yīng)力的，張力的變小并不會對平衡裝置的作用發(fā)揮造成什么影響。同時(shí)，張力最小處也就是頂升即將結(jié)束的時(shí)候，對于整個(gè)氣頂升施工環(huán)節(jié)也不會有影響。而中心法的鋼絲繩張力在整個(gè)頂升期間不會發(fā)生任何變化。

(3)在拱頂受力上，邊緣錨固法的拱頂受到越來越小的向上拉力和越來越大的向心拉力。而中心法的拱頂整體受力幾乎抵消，但力的作用點(diǎn)處會對拱頂造成力矩的作用，且其合力矩幾乎是邊緣法的1.6～4.4倍。24組鋼絲繩產(chǎn)生的合力矩雖然在拱頂材料的抗彎曲能力范圍內(nèi)，但是在拱頂頂升過程中，過分的內(nèi)彎會使得拱頂邊緣與罐壁間隙過大，過分的外分會使得拱頂邊緣密封材料與罐壁過分?jǐn)D壓，這兩種現(xiàn)象都可能會對拱頂?shù)捻斏斐蓢?yán)重的影響，甚至造成安全事故。同時(shí)，焊接工作是在保持罐內(nèi)氣壓的情況下完成的，即拱頂?shù)淖冃螘S著焊接結(jié)束而保留下來，這樣會與設(shè)計(jì)的原定標(biāo)高造成一定的出入。為此，采用邊緣法時(shí)，應(yīng)建議在拱頂中心位置增加配重，來抵消平衡系統(tǒng)造成的內(nèi)彎變形；采用中心法時(shí)，應(yīng)建議在拱頂邊緣處增加配重，來抵消平衡系統(tǒng)造成的外翻變形。

(4)在其他方面，采用邊緣法時(shí)應(yīng)注意在拱頂襯板開孔處填充防磨材料，以防止頂升過程中對鋼絲繩造成的磨損。同時(shí)還要對罐壁豎向預(yù)埋件進(jìn)行加固，以防頂升時(shí)對其造成不可逆的傷害。