論大型LNG全容式儲罐穹頂混凝土施工技術

呂江龍 石明陽 翁永美

（1. 國家管網(wǎng)集團南山（山東）天然氣有限公司，山東 煙臺 265700；2. 國家管網(wǎng)集團閩投（福建）天然氣有限公司，福建 漳州 363106）

0 引言

“十四五”期間，天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展日趨完善，供儲體系建設穩(wěn)步推進；全球天然氣資源豐富，供應能力寬松且價格趨于穩(wěn)定[1]。然而國內(nèi)天然氣資源開發(fā)難度大、成本高、對外依存度高，季節(jié)不均勻性大，天然氣基礎建設尤其是應急調(diào)峰能力弱[2]。LNG接收站作為生產(chǎn)和調(diào)峰設施，LNG資源可通過管道或槽車進行外輸，也可以儲存在儲罐中待用氣高峰再外輸，對保障國家能源安全有重要作用[3]?，F(xiàn)階段，我國天然氣儲罐單罐儲量為5～27萬m3，外罐為預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本文描述的大型全容式LNG儲罐穹頂混凝土施工問題和有效處理措施是總結(jié)多個LNG接收站項目后形成的，主要針對穹頂混凝土施工技術進行論述，以采取更多更好的措施保證混凝土的施工質(zhì)量，旨在為27萬m3LNG全容式儲罐穹頂施工提供依據(jù)，指導現(xiàn)場施工。

1 概述

華北地區(qū)能源結(jié)構(gòu)中天然氣占比相對較少，但增速較快，巨大的增量市場帶來相應體量的市場空間與保供壓力，需要更大規(guī)模的天然氣基礎設施以確保運營期間儲氣能力能夠滿足調(diào)峰總需求量要求。國家管網(wǎng)集團27萬m3全容式儲罐的建設增強了華北地區(qū)儲氣調(diào)峰的能力，該儲罐位于山東省煙臺市，規(guī)格（如表1所示）。該接收站場形地地平坦，地貌類型單一，場區(qū)抗震設防烈度為7度。全容式LNG儲罐由混凝土外罐和X7Ni9%鋼內(nèi)罐組成，一旦內(nèi)罐發(fā)生泄漏，外罐可防止LNG泄漏到外界[4]，起到保護作用[5]。直徑92m的穹頂作為球冠結(jié)構(gòu)，懸落在環(huán)形混凝土外罐墻體之上。

表1 儲罐參數(shù)

2 大跨度穹頂混凝土施工質(zhì)量事故及預防措施

2.1 混凝土內(nèi)部缺陷及外部收縮裂縫及其預防措施

在穹頂混凝土澆筑時，混凝土內(nèi)部可能會產(chǎn)生空洞、空鼓等內(nèi)部缺陷。這可能是由以下原因造成的：（1）管嘴位置洞口的存在切斷了原設計中的穹頂環(huán)向、徑向鋼筋，根據(jù)GB 50010-2010規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，按照“切一補一”的原則補充布置加強筋，導致該區(qū)域鋼筋直徑大、間距密集、縱橫交錯，混凝土澆筑時，振搗棒無法直接插入；（2）混凝土流動性低，未充分流動至鋼筋縫隙間；（3）在變截面位置處，鋼筋45～90°交錯布置，鋼筋密集交錯，雖部分區(qū)域深度僅在30公分以內(nèi)，但手無法觸碰到底部碳鋼襯板。

在穹頂混凝土澆筑時，混凝土可能會產(chǎn)生塑性收縮裂縫甚至混凝土強度降低現(xiàn)象。這可能是由以下原因造成的：該27萬m3LNG儲罐建設地點緊鄰海邊，海風較大，儲罐外罐高度高達48.80m，儲罐高度與風速成正比。穹頂混凝土澆筑厚度為0.5m，相對較薄，且為球形凸起狀，增加了與外界的接觸面積。澆筑過程中，混凝土表層水分易散失出現(xiàn)塑性收縮裂縫；一旦水分持續(xù)散失，與混凝土水化反應的水將減少，導致混凝土達不到設計強度。

面對混凝土內(nèi)部缺陷及收縮裂縫，預防措施如下：

混凝土須振搗密實，嚴防漏振，避免混凝土內(nèi)部缺陷產(chǎn)生。（1）振搗器垂直插入混凝土中，每次停留15～20s，直至混凝土表面平滑、振搗器聲音穩(wěn)定；（2）對于管嘴和變截面鋼筋密集處，使用直徑30mm的振搗棒，必要時拆開鋼筋振搗，振搗完成后恢復鋼筋原狀。特別注意振搗器及振搗棒不能振動碳鋼襯板、固定鋼筋、預埋件等；（3）穹頂混凝土面層用鐵鏟拍實找平，混凝土專用磨光機磨面收光，管嘴附近進行人工抹面收光；（4）弧形穹頂流淌下來的混凝土，采用人工抹平進行磨光壓實處理，保證混凝土無空隙和孔洞等；（5）混凝土在初凝前兩個小時，采用磨光機與木蟹搓平壓實，進行二次收面，以防止混凝土出現(xiàn)早期收縮裂縫[7]。合適實用的振搗及抹面方式避免了混凝土內(nèi)部空鼓和早期裂縫的出現(xiàn)[8]。

儲罐穹頂混凝土施工實行分區(qū)澆筑[9]。根據(jù)澆筑段設備、澆筑時間及混凝土方量，擬將穹頂施工劃分為7個施工段，如圖1、圖2所示。澆筑由罐頂外圈變厚度段向中心等厚度段過渡澆筑，以螺旋方式呈環(huán)形帶狀向罐頂中心連續(xù)澆筑，如圖2所示。穹頂混凝土每環(huán)段混凝土一次性連續(xù)澆筑完成，以提高穹頂?shù)恼w結(jié)構(gòu)性，澆筑條件如表2所示?；炷翝仓?，鋼筋綁扎工作必須全部完成，包括預埋件鋪設、鋼筋連接等。

圖1 穹頂施工分區(qū)段

圖2 穹頂澆筑順序圖

表2 穹頂混凝土澆筑要求

大型LNG混凝土儲罐穹頂結(jié)構(gòu)具有其自身特殊性：高度高、受海風影響大、單次澆筑混凝土體量大、穹頂呈弧形等，傳統(tǒng)的灑水保濕養(yǎng)護比較困難，因此必須采用合適的養(yǎng)護方式[10]。利用涂覆涂膜材料方式在混凝土表面固化形成一層薄膜，與外界空氣阻隔，封鎖住混凝土內(nèi)部水分。在混凝土終凝以后，在表面覆蓋土工織物，進行灑水保溫、保濕養(yǎng)護，根據(jù)氣溫高低適當增加澆水次數(shù)，保證混凝土水化反應過程中所需要的水分。

2.2 穹頂混凝土結(jié)構(gòu)安全隱患及其預防措施

采用氣頂升技術將儲罐穹頂?shù)撞康奶间摬牧仙羶迚w頂部的抗壓環(huán)，通過焊接將碳鋼材料與抗壓環(huán)焊接在一起。焊接完成的穹頂結(jié)構(gòu)將承受施工人員、施工機械、混凝土等動靜荷載，容易導致碳鋼材料變形，從而引起上部混凝土缺陷，因此必須采取相應措施。

在穹頂碳鋼氣頂升完畢后，風機需繼續(xù)給儲罐內(nèi)部鼓風，維持儲罐內(nèi)的壓力值[11]，為穹頂混凝土澆筑和罐頂施工提供一定的向上的作用力，確保碳鋼材料不變形。對于27萬方混凝土澆筑前開始保壓，保壓壓力10KPa，最后一圈強度到達80%后可泄壓。罐內(nèi)壓力應逐級提升，防止混凝土產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫?；炷翝仓^程中，罐頂區(qū)域嚴禁混凝土堆積，如出現(xiàn)局部堆積，必須立即移除，重量大于5kN的工具設施（如混凝土澆筑漏斗等）不得在穹頂鋼架上置放。

2.3 施工冷縫及其預防措施

在穹頂混凝土澆筑時，可能會存在施工冷縫現(xiàn)象，可能是由以下原因造成的：（1）罐頂混凝土施工的第一圈鋼筋搭接多、環(huán)向長度長，混凝土厚度厚、方量多；（2）攪拌站能力不足，或泵車數(shù)量有限、泵送能力有限，澆筑間歇時間稍長等。如圖1所示，在罐頂上環(huán)梁和穹頂?shù)谝欢位炷两唤缑嫖恢糜泻穸?m左右的施工縫，且粗直徑鋼筋以及馬凳筋分布密集，導致該位置混凝土難以使用木模板或鋼制模板做施工縫，分界面參差不齊。如果澆筑階段不引起足夠重視，將由施工縫變?yōu)橛谰玫慕Y(jié)構(gòu)缺陷。

為了避免施工冷縫出現(xiàn)，預防措施如下：

在各分區(qū)間的環(huán)向垂直施工縫安裝金屬免拆型收口網(wǎng)[12]。施工段接縫處需做處理，澆筑之前按照要求安裝好收口網(wǎng)，如圖3所示。收口網(wǎng)固定在綁扎好的鋼筋上，使用鋼管間隔一米豎向靠攏并內(nèi)外夾緊收口網(wǎng)，橫向方向在底板和頂板位置綁扎兩道維護鋼筋，固定在頂層和底層鋼筋上，確保混凝土澆筑到該位置時候不倒塌，并防止收口網(wǎng)爆開。待混凝土初凝前，及時拆除鋼管。每一圈混凝土界面處的上部和下部鋼筋都會穿過免拆型收口網(wǎng)，注意該位置的堵漏，防止露空太大引起混凝土流失在未澆筑的另一側(cè)。為預防施工縫上口部位混凝土因振搗不到位而出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象，在混凝土澆筑過程中，派專人不間斷的觀察施工縫上口部位，在振搗之后發(fā)現(xiàn)有不密實情況后，及時補充混凝土，確保振搗密實[13]。施工縫處遇到穹頂支墩基礎可局部調(diào)整，保證基礎不跨在施工縫上。免拆型收口網(wǎng)替代了傳統(tǒng)模板，節(jié)省成本，免去安拆模板的時間，節(jié)省了大量的人工，讓施工過程更為便捷，在鋼筋分部較密的穹頂發(fā)揮了其成本低廉、質(zhì)量優(yōu)良的作用。

圖3 免拆型收口網(wǎng)

多設備“接力”配合，保證混凝土到達穹頂位置?，F(xiàn)場配備兩臺汽車泵，導流槽與吊斗配合，順時針或逆時針繞圈澆筑。在碳鋼穹頂澆筑的1～3段，坡度從31°平緩～18°，混凝土單次澆筑量較大，距離儲罐邊緣較近，因此可直接采用汽車泵澆筑。碳鋼穹頂澆筑4～7段，距離罐邊相對較遠，單次混凝土量減少，定制1.5方的料斗放置環(huán)梁上部，汽車泵泵送混凝土至料斗內(nèi)，再用儲罐周圍的塔吊調(diào)運至澆筑地點。此設備接力方法節(jié)約設備資源，澆筑方式可靠連續(xù)，保證了混凝土澆筑的質(zhì)量。

3 結(jié)語

本研究中的儲罐穹頂混凝土完工后，采用超聲波技術進行了全面的檢測驗證，裂縫均小于0.2mm，外觀質(zhì)量滿足規(guī)范要求，是被實踐證明了的有效措施。采用以上技術措施，可提高混凝土澆筑質(zhì)量，節(jié)約施工工期，節(jié)省工程成本，為穹頂混凝土凝固硬化和結(jié)構(gòu)受力創(chuàng)造良好的受力環(huán)境，保證穹頂鋼結(jié)構(gòu)上部混凝土施工的安全性，也為整個儲罐運營奠定了扎實的基礎。目前大型LNG儲罐建設數(shù)量逐步增多，對于穹頂施工將有重要的借鑒意義。