LNG薄膜罐施工工藝及控制要點分析

魏學軍, 杜保健

(1.北京興油工程項目管理有限公司北京燃氣天津液化天然氣應急儲備項目部,天津300450;2.北京市燃氣集團有限責任公司天津液化天然氣應急儲備項目部,天津300450)

1 概述

隨著國家碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標的提出,天然氣作為清潔化石能源消費量持續(xù)提升。隨著天然氣液化技術不斷成熟,海外LNG船運成為國內(nèi)天然氣的重要補給方式之一。對于LNG的儲存設備,國內(nèi)很多學者對LNG儲罐進行了調(diào)研和分析[1-9],系統(tǒng)闡述了不同儲罐的結(jié)構(gòu)、性能及適用性,但對于薄膜罐在陸地建設和使用的研究較少。

薄膜罐密閉層為304不銹鋼材質(zhì)的薄膜波紋板,大部分焊接采用自動焊預制方式,預制后采用人工焊接搭接,焊接難度較大,任一損傷都有可能導致薄膜罐整體失效。薄膜罐的保冷層材料為硬質(zhì)材料,主要采用標準件拼裝而成,可以提高保冷層施工的質(zhì)量和縮短工期。目前,我國一些材料供應商和施工隊伍已取得法國GTT認證,但保冷層的預制安裝和薄膜波紋板的焊接仍然缺乏經(jīng)驗,具備陸上薄膜罐建設經(jīng)驗的施工隊伍較為匱乏。

本文基于以上研究,結(jié)合薄膜罐設計和施工方案,系統(tǒng)闡述薄膜罐施工流程,分析施工過程中的重要控制點,強調(diào)了薄膜罐保冷層預制安裝和密閉層薄膜波紋板預制后焊接施工工藝,為薄膜罐建設奠定一定的基礎。

2 施工工藝介紹

2.1 儲罐結(jié)構(gòu)對比

目前國內(nèi)常見的9%Ni鋼全容儲罐一般包括主容器(內(nèi)罐)和次容器(外罐)。內(nèi)罐由底板、壁板組成,內(nèi)罐底板和壁板材料為9%Ni鋼板。外罐主要分為樁基礎、鋼筋混凝土承臺、預應力混凝土罐壁、鋼筋混凝土罐頂以及襯板。內(nèi)罐、外罐間用保冷材料(膨脹珍珠巖、泡沫玻璃、彈性棉氈等)進行保冷[10]。

與9%Ni鋼全容儲罐相比,薄膜罐的結(jié)構(gòu)相對復雜,薄膜罐主要結(jié)構(gòu)見圖1。薄膜罐外罐與9%Ni鋼全容儲罐基本相同,均為預應力混凝土結(jié)構(gòu)。薄膜罐內(nèi)部與9%Ni鋼全容儲罐不同,是由防潮層、保冷層和密閉層(薄膜波紋板)共同組成一體式的復合結(jié)構(gòu),該復合結(jié)構(gòu)為罐內(nèi)液體提供保冷和密封功能。復合結(jié)構(gòu)本身不承壓,薄膜波紋板承受的所有靜液荷載和其他荷載都通過承重保冷層傳遞到混凝土外罐上。儲罐混凝土結(jié)構(gòu)承壓,保證當薄膜波紋板破損泄漏時能夠裝存所有液體,使其不致泄漏到空氣中。

1—薄膜罐外罐; 2—薄膜罐密閉層; 3—防潮層;4—保冷層; 5—吊頂; 6—穹頂。

2.2 薄膜罐的主要施工工藝過程

根據(jù)儲罐建設相關標準,結(jié)合薄膜罐結(jié)構(gòu),其主要施工工藝過程為外罐施工、外罐內(nèi)壁基層處理、防潮層施工、水壓試驗、保冷層安裝、密閉層薄膜波紋板焊接、氣密性試驗等。薄膜罐外罐施工與9%Ni鋼全容儲罐外罐基本一致,本文不作介紹。

① 外罐內(nèi)壁基層處理

混凝土外罐施工完成后,需對外罐內(nèi)壁基層進行處理,使其具備一定的粗糙度和平整度?；鶎颖砻嬉笾旅芷秸?無肉眼可見的孔洞和凹陷,無水泥浮漿。處理方式可采用人工機械打磨、拋丸或噴砂方式,以獲得堅實、干凈及達到一定表面粗糙度的表層,表面粗糙度應達到75～150 μm。噴砂磨料可選擇水洗烘干無雜質(zhì)的石英砂或潔凈的鋼丸,磨料尺寸應根據(jù)表面粗糙度的要求進行選擇。對于內(nèi)壁表面打磨后可能出現(xiàn)的較大的氣孔、麻面、蜂窩或裂縫等需進行修補,修補材料需要有較高的抗壓強度和黏結(jié)強度,處理后的外罐內(nèi)壁基層表面平整度需符合設計要求。

② 防潮層施工

外罐內(nèi)壁基層處理完成后,進行防潮層施工,以減少水汽等的相互滲透,避免濕氣進入保冷空間。如果濕氣進入并殘留在保冷空間中,會引起儲罐冷卻后出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,導致保冷層甚至外罐混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷。

防潮層一般為兩種無溶劑組分加玻璃纖維增強結(jié)構(gòu),復合材料的噴涂厚度約為2.5～3.0 mm,采用雙組分泵無氣噴涂方式施工,一次施工達到膜厚度要求。根據(jù)設計的混合比例,兩種組分應可即裝即用,在噴涂前進行機械混合,噴涂的程序取決于產(chǎn)品要求,產(chǎn)品的儲存條件應符合設計規(guī)定。防潮層施工過程中應重點關注不規(guī)則處以及基層材質(zhì)不同處防潮層的涂刷。不同材質(zhì)具有不同熱膨脹系數(shù),會導致結(jié)合部位的防潮層產(chǎn)生位移,這些部位防潮層施工需要制定專門施工工藝。

③ 水壓試驗

薄膜罐內(nèi)部復合結(jié)構(gòu)不承壓,介質(zhì)壓力通過薄膜波紋板、硬質(zhì)保冷材料傳至預應力混凝土外罐,由外罐承壓。因此,需對外罐進行水壓試驗。在外罐水壓試驗中要做好沉降和傾斜觀測、罐底承臺和罐壁漏水觀測、罐壁變形監(jiān)測等。

依據(jù)API Standard 620《大型焊接低壓儲罐的設計和施工》(Design and construction of large,welded low-pressure storage tanks),試驗用水不得影響防潮層性能,對防潮層沒有腐蝕及破壞作用,需與廠家防潮層產(chǎn)品要求相結(jié)合,水中不得含有硫化氫,pH值應為6.0～8.3。

④ 保冷層安裝

保冷層位于密閉層(薄膜波紋板)與防潮層之間。在生產(chǎn)運行時,保冷層區(qū)域?qū)⒊錆M氮氣,對內(nèi)罐氣密性進行持續(xù)監(jiān)測。薄膜罐保冷材料應為硬質(zhì)材料,以更好支撐內(nèi)罐薄膜波紋板、傳遞介質(zhì)壓力。保冷材料在組成結(jié)構(gòu)上分為兩類,一類為包含次屏蔽膜,主要安裝在儲罐底部及罐壁下部熱角保護區(qū)域(見圖2a),另一類是不包含次屏蔽材料,主要用于罐壁熱角保護區(qū)域上部(見圖2b),兩類保冷材料厚度相同。

圖2 薄膜罐內(nèi)罐保冷結(jié)構(gòu)

薄膜罐保冷層不是與外罐對應的圓形,而是正多邊形結(jié)構(gòu),以便硬質(zhì)保冷材料的拼裝。保冷塊為標準件,可場外預制,減少現(xiàn)場施工量,縮短工期。保冷材料預制尺寸需根據(jù)外罐內(nèi)壁尺寸設計,預制成不同形狀不同尺寸的保冷塊標準件,編號后進行拼裝。保冷塊標準件拼裝需根據(jù)保冷層內(nèi)表面平整度隨時進行校正。

⑤ 密閉層薄膜波紋板焊接

不銹鋼薄膜根據(jù)設計預壓成一定形狀薄膜波紋板(見圖3),一是滿足溫度較大變化下板材延展和收縮等變形,二是改變介質(zhì)作用在薄膜波紋板上力的方向,將傳遞到外罐的力分散,以降低對外罐作用力。不銹鋼薄膜波紋板根據(jù)不同位置預制為不同形狀標準件,以滿足安裝需求,并焊接在預埋在保冷結(jié)構(gòu)上的不銹鋼鋼板上,并與拱頂?shù)?6Mn低溫容器鋼內(nèi)襯全部焊接,滿足內(nèi)罐氣密性的要求。

圖3 薄膜罐密閉層薄膜波紋板

薄膜不銹鋼板的手工焊采用鎢極惰性氣體保護焊,薄不銹鋼板焊接難度較大、易變形燒穿,需要嚴格控制焊接線能量和焊接速度。焊前需完成焊接工藝評定,制定焊接工藝卡,要求焊工熟練掌握焊接技術。與9%Ni鋼儲罐內(nèi)罐焊接相比,薄膜罐密閉層薄膜波紋板焊接工作量較小,現(xiàn)場工期短,并且能在保冷層給定一定作業(yè)面后開展交叉作業(yè),不需待保冷層完全安裝完畢再進行焊接,進一步縮短工期。薄膜波紋板焊接能實現(xiàn)自動焊,自動焊成形美觀,焊接質(zhì)量穩(wěn)定、速度快,實現(xiàn)工廠自動焊接預制,降低現(xiàn)場手工焊焊接量,縮短施工工期。

⑥ 氣密性試驗

薄膜罐氣密性試驗常用氨氣(NH3)等氣體,在保冷層內(nèi)注入一定含氨量的氨氣氮氣混合物,在焊縫表面涂覆敏感涂料。本試驗前需要對保冷層空間抽真空,具備一定真空度,然后注入氨氣氮氣的混合物。該混合物流過薄膜波紋板焊縫中可能存在的泄漏之處時,若接觸到涂覆在被檢測焊縫表面上的敏感涂料,會發(fā)生反應。

氣密性試驗需要薄膜波紋板焊縫處保持清潔,不應有含有油、油脂、煙塵、焊渣、污水等物質(zhì),壁面持續(xù)保持潔凈是氣密性試驗成功的關鍵。保冷層內(nèi)必須均勻充滿氨氣氮氣混合物,定期對氨氣濃度進行檢測,并適時補充混合物。當敏感涂料發(fā)生顏色變化,表明有泄漏點,完整測試并標記泄漏點后,進行修補作業(yè)。薄膜罐氣密性試驗合格后進行干燥充氮密封,具備投產(chǎn)條件。

3 施工過程控制要點

① 外罐局部缺陷修復

在水壓試驗中,尤其要做好外罐結(jié)構(gòu)變化觀測,直徑變化控制在一定范圍內(nèi)。對混凝土外罐直徑變化可能出現(xiàn)的裂縫滲水點做好記錄和評估,并制定修補方案,做好防潮層損壞處的修補。

② 罐內(nèi)恒溫恒濕措施

防潮層涂刷及保冷層安裝要求罐內(nèi)保持相對恒定的溫濕度。防潮層及保冷層安裝質(zhì)量對灰塵和環(huán)境溫濕度變化非常敏感,在安裝過程中要對罐內(nèi)環(huán)境進行有效控制,制定環(huán)境溫濕度控制方案,定期對環(huán)境溫濕度進行監(jiān)測、記錄,確保防潮層涂布質(zhì)量和保冷層膠黏質(zhì)量。

③ 焊接變形控制

薄膜不銹鋼板較薄,厚度僅為1.2 mm,焊接為自熔焊,沒有填充焊絲,焊接需要高水平焊工承擔。薄膜波紋板安裝前需要規(guī)劃焊接順序,尤其是定位焊順序。在薄膜波紋板定位焊時,需要嚴格控制定位順序,以避免產(chǎn)生不必要的搭接起鼓變形,針對每塊預制板應定位中線,并由中間向兩邊進行定位,建議先對波紋進行定位。在焊接中要嚴格控制焊接順序,應采用同方向分段跳焊法焊接。

④ 薄膜波紋板標準件與保冷塊標準件預制

薄膜波紋板需要焊接在保冷塊上預先埋設的不銹鋼埋件上,薄膜片的尺寸形狀應當與保冷塊的尺寸形狀相適應,根據(jù)設計進行預制,以保證薄膜波紋板準確定位并搭接焊在保冷塊預埋件上。

⑤ 保冷塊安裝定位

保冷塊安裝定位精度要求較高。預制好保冷塊,要精確定位在外罐內(nèi)壁上,根據(jù)設計在外罐內(nèi)壁進行定位、編號,并與保冷塊編號一致。因此需要在外罐內(nèi)壁上進行定位劃線,并保證劃線精度,確保后續(xù)保冷塊、薄膜波紋板準確安裝。

4 結(jié)論與建議

① 薄膜罐保冷層可預制,減少現(xiàn)場工作量,標準化程度高,縮短施工工期。

② 薄膜罐密閉層薄膜波紋板可實現(xiàn)工廠焊接預制,采用自動化焊接,提高焊接質(zhì)量和焊接效率,減少人為因素對焊接質(zhì)量的影響。

③ 薄膜罐保冷層安裝和密閉層薄膜波紋板焊接可交叉作業(yè)同時施工,縮短施工工期。

④ 目前陸上薄膜罐建設處于初期階段,建議加快相關標準研究,為陸上LNG薄膜罐建設提供指導。