陳 暉 田連軍

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100027

大型LNG儲(chǔ)罐氣升頂技術(shù)簡析

陳 暉 田連軍

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100027

隨著LNG清潔能源的引入，我國大型LNG儲(chǔ)罐的建造技術(shù)國產(chǎn)化受到廣泛關(guān)注。對于10萬方以上的大型LNG儲(chǔ)罐拱頂制造安裝，氣升頂具有其他施工方法不可替代的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景和推廣意義。為此，通過對世界上大型LNG儲(chǔ)罐升頂方案的解析，并結(jié)合國內(nèi)成功實(shí)例，對大型LNG儲(chǔ)罐的氣升頂技術(shù)的基本原理和簡要過程進(jìn)行了論述，研究分析了世界上不同形式的大型LNG儲(chǔ)罐升頂方式，并重點(diǎn)介紹了平衡系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、風(fēng)壓風(fēng)量確定等氣升頂?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

大型LNG儲(chǔ)罐 氣升頂 關(guān)鍵技術(shù)

無論在LNG接收終端還是LNG液化工廠，LNG儲(chǔ)罐都是其關(guān)鍵核心設(shè)施，而儲(chǔ)罐的氣升頂又是LNG儲(chǔ)罐施工活動(dòng)中的關(guān)鍵里程碑點(diǎn)，升頂?shù)耐瓿?，?biāo)志著儲(chǔ)罐施工的關(guān)鍵路徑從外罐混凝土施工轉(zhuǎn)向內(nèi)罐安裝。同時(shí)，對于10萬方以上的大型儲(chǔ)罐拱頂制造安裝，氣升頂具有其他施工方法不可替代的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景和推廣意義。這里主要針對目前世界上主流大型LNG全容罐的氣升頂技術(shù)進(jìn)行分析和研究。

1 大型LNG全容罐簡介

全容式LNG儲(chǔ)罐屬常壓、低溫儲(chǔ)罐，目前是LNG接收站主要采用的儲(chǔ)罐罐型，由于其外罐可以承受內(nèi)罐泄漏的LNG及其氣體，不會(huì)向外界泄漏，安全防護(hù)距離相對較小。一旦事故發(fā)生，對裝置的控制和物料的輸送仍然可以繼續(xù)，這種狀況可持續(xù)幾周，直至裝置停車。同時(shí)，因設(shè)計(jì)壓力相對較高，在卸船時(shí)可利用罐內(nèi)氣體自身壓力將蒸發(fā)氣返回LNG船艙，省去了蒸發(fā)氣（BOG）返回氣鼓風(fēng)機(jī)的投資，并減少了操作費(fèi)用。

目前LNG全容罐的主流形式為平底雙壁圓柱結(jié)構(gòu)（見圖1），儲(chǔ)罐內(nèi)罐與-162℃低溫的LNG產(chǎn)品直接接觸，一般采用含鎳9%的合金鋼，也可為全鋁、不銹鋼薄膜；外罐為碳鋼或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，上有碳鋼拱頂，拱頂下有上覆玻璃纖維毯保冷層的鋁質(zhì)吊頂；內(nèi)外罐之間填充膨脹珍珠巖保溫；罐底在承臺(tái)之上一般由保溫泡沫玻璃磚、砂墊層等組成。罐壁無管口，所有管線都由拱頂開孔與罐內(nèi)連通。而日本、臺(tái)灣地區(qū)由于地震影響較大而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)理念的不同，結(jié)構(gòu)形式存在明顯差異，主要體現(xiàn)在拱頂/吊頂和保冷系統(tǒng)上（見圖2）。我國自引進(jìn)LNG就選擇了歐美規(guī)范來設(shè)計(jì)建造LNG儲(chǔ)罐，因此，結(jié)構(gòu)形式與歐美沿成一系。

2 拱頂結(jié)構(gòu)形式

就拱頂形式而言，LNG全容罐主要有日本為代表的雙頂結(jié)構(gòu)、歐美和我國帶吊頂?shù)墓绊斀Y(jié)構(gòu)兩種形式（見圖3）。

吊頂型鋼拱頂自重一般700余t左右，日本儲(chǔ)罐升頂重量甚至可達(dá)1500t左右。拱頂安裝在罐底上部約40m處，邊緣需與混凝土墻體頂部預(yù)埋的抗壓圈焊聯(lián)。拱頂由鋼骨架（環(huán)梁、檁條）和頂板組成，拱頂板上需焊接栓釘。拱頂?shù)南孪姨庍€懸掛有鋁合金的吊頂和兩圈單軌環(huán)梁，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如果采用正裝法施工，則需要在罐壁高處搭建一個(gè)臨時(shí)鋼平臺(tái)，在鋼平臺(tái)上實(shí)施組合、安裝與焊接，高空作業(yè)量較多且不易實(shí)施。為了節(jié)約投資、加快進(jìn)度，采用拱頂在地面組焊完成后，用氣升法將其吹升到位。

3 氣升頂?shù)幕驹?/h2>

氣升頂是使用微壓空氣浮升技術(shù)，通過大功率鼓風(fēng)機(jī)向罐內(nèi)送入壓縮風(fēng)，讓封閉拱頂下方的氣量增加至容許的浮力，將罐內(nèi)地面預(yù)制好的超重拱形鋼質(zhì)拱頂沿混凝土外罐內(nèi)壁連續(xù)、安全、平穩(wěn)的浮升至罐壁頂部與承壓環(huán)接合的施工技術(shù)。

4 氣升頂?shù)暮喴^程

4.1 升頂前的準(zhǔn)備

升頂前要進(jìn)行大量細(xì)致的工作準(zhǔn)備，主要有：

（1）確認(rèn)適合升頂?shù)奶鞖鈼l件：沒有降雨，平均風(fēng)速小于10m/s，陣風(fēng)不大于 15m/s；

（2）檢查確認(rèn)儲(chǔ)罐的圓度、水平度；

（3）確認(rèn)拱頂荷載和分布及風(fēng)機(jī)能力；

（4）索具、鋼纜繩、滑輪、支撐架、配重等平衡系統(tǒng)組件安裝完成；

（5）密封系統(tǒng)安裝完成，所有儲(chǔ)罐開孔封閉；

（6）風(fēng)機(jī)（含備用）、擋板、管道等安裝完成，多重保障電源就位；

（7）臨時(shí)安全通道安裝完成；

（8）相關(guān)安全措施落實(shí)到位；

（9）任何妨礙升頂?shù)脑O(shè)施清除完成；

（10）升頂組織機(jī)構(gòu)建立并各司其職；

（11）各級(jí)參與人員的通訊系統(tǒng)保持暢通；

（12）監(jiān)控系統(tǒng)如壓力計(jì)、測量繩、拉力計(jì)等準(zhǔn)備就位；

（13）足夠的焊接固定組件準(zhǔn)備妥當(dāng)；

（14）其他應(yīng)準(zhǔn)備的事項(xiàng)等。

4.2 升頂簡要過程

升頂簡要過程和步驟如下：

（1）啟動(dòng)風(fēng)機(jī)電源，逐步投入風(fēng)機(jī)；

（2）確認(rèn)密封簾在風(fēng)壓下吸附貼緊在罐墻體上，時(shí)時(shí)觀測壓力計(jì)等監(jiān)控設(shè)施；

（3）在剛起步的1～2m高度上，控制升頂速度100～150mm/m in，檢查水平偏差和平衡度，微調(diào)配重。升頂壓力根據(jù)不同升頂重量和速度而有所不同，吊頂型通常高于120mm水柱，雙頂甚至可達(dá)350mm水柱；測量和檢查確認(rèn)平衡壓力，風(fēng)機(jī)電壓和電流，控制最大風(fēng)量和風(fēng)壓，采取措施清除任何影響下部頂升的危害因素；

（4）控制升頂速度200～300mm/m in，平衡壓力保持在110mm水柱以上，保持拱頂持續(xù)、穩(wěn)定上升；

（5）在接近拱頂?shù)淖詈?m內(nèi)高度，調(diào)整降低升頂速度至100mm/m in左右；

（6）在接觸承壓板前，準(zhǔn)確定位拱頂，避免移位偏差；

（7）準(zhǔn)確對接后，利用楔子臨時(shí)固定預(yù)先焊接在拱頂板和承壓板上的U形卡，固定拱頂，停止風(fēng)機(jī)和電源。

4.3 拱頂永久固定

臨時(shí)固定后，拆除密封材料，完成拱頂與承壓板的焊接和無損檢測。升頂活動(dòng)最終完整結(jié)束。

5 氣升頂?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

LNG儲(chǔ)罐氣升頂包含諸多高技術(shù)含量施工技術(shù)元素，其中，平衡系統(tǒng)、密封系統(tǒng)以及風(fēng)量風(fēng)壓控制等更是成功升頂?shù)年P(guān)鍵。

5.1 平衡系統(tǒng)

平衡系統(tǒng)的技術(shù)原理是通過滑輪組和鋼纜繩為懸浮的鋼結(jié)構(gòu)穹頂提供一種定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，從而避免穹頂在氣升過程中發(fā)生傾斜和旋轉(zhuǎn)。國際上，依不同工程公司設(shè)計(jì)有多種平衡系統(tǒng)形式。

5.1.1 地上大型LNG儲(chǔ)罐多采用的平衡系統(tǒng)

國際上地上大型LNG儲(chǔ)罐平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)鋼纜繩布置、導(dǎo)向滑輪固定和錨固點(diǎn)與拱頂相對位置的不同，通常有三種形式。

形式1是水平鋼纜繩布置在拱頂下方（見圖4），國內(nèi)福建LNG和浙江LNG項(xiàng)目采用此種形式。布置形式為：鋼纜繩一端固定在承壓圈上，通過T型架（A型架）直接垂直向下穿過拱頂板，接繞固定在拱頂環(huán)梁上的雙向滑輪，水平穿過拱頂下方180°方向的滑輪，再與罐壁上錨固點(diǎn)連接。

其特點(diǎn)是升頂過程中，當(dāng)拱頂出現(xiàn)傾斜時(shí)，靠鋼纜繩張力變化，拱頂向下趨勢位移端產(chǎn)生對側(cè)鋼纜繩給穹頂上導(dǎo)向滑輪一個(gè)偏轉(zhuǎn)力矩，到達(dá)恢復(fù)平衡。

形式2是水平鋼纜繩沿拱頂表面布置（見圖5），國內(nèi)廣東大鵬LNG、上海LNG、大連LNG等項(xiàng)目采用此種形式。布置形式為：鋼纜繩一端固定在承壓圈上，通過支撐T型架（或A型架）垂直繞過固定在邊緣環(huán)梁上的滑輪，依靠多個(gè)導(dǎo)向滾軸連接到靠近拱頂中心位置的滑輪，穿過拱頂中心板，向下垂直與底板上的錨固塊連接。

形式3是水平鋼纜繩布置在拱頂下方（見圖6），國內(nèi)珠海LNG項(xiàng)目采用此種形式。布置形式為：鋼纜繩一端固定在拱頂外側(cè)，向上繞過以混凝土墻體和內(nèi)罐承壓圈為支撐的滑輪，再垂直向下穿過拱頂板，繼續(xù)繞過錨固在底板上的兩組滑輪，與180°方向的內(nèi)拱頂下部錨固點(diǎn)連接。

5.1.2 地下大型LNG儲(chǔ)罐和雙頂式地上LNG儲(chǔ)罐多采用的平衡系統(tǒng)

日韓等國家地下大型LNG儲(chǔ)罐和雙頂式地上LNG儲(chǔ)罐采用的平衡系統(tǒng)形式多與地上儲(chǔ)罐形式3類似（見圖7），差別僅在于相對于地面的固定高度和纜繩錨錨固點(diǎn)的位置。

5.1.3 應(yīng)急備用平衡系統(tǒng)

國際上部分工程公司在平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，會(huì)額外考慮應(yīng)急備用平衡系統(tǒng)作為主平衡系統(tǒng)的補(bǔ)充，如珠海LNG的EPC承包商設(shè)計(jì)了Tirfor系統(tǒng)以應(yīng)對氣升頂過程可能出現(xiàn)的突發(fā)卡頂事故。當(dāng)氣升頂過程中由意外導(dǎo)致拱頂卡住不動(dòng)時(shí)，Tirfor系統(tǒng)即可啟用，通過手拉導(dǎo)鏈及備用的吊車可將拱頂拉起、微調(diào)恢復(fù)。

由于設(shè)計(jì)理念的不同，很多國際工程公司并不采用這一理念，而把如何完全規(guī)避出現(xiàn)卡頂作為關(guān)鍵考慮項(xiàng)。

不管采用哪種形式，其基本原理類同，即在升頂過程中，當(dāng)拱頂出現(xiàn)傾斜時(shí)，偏差位移會(huì)通過鋼纜繩和導(dǎo)向滑輪直接傳遞到對稱側(cè)，依靠鋼纜繩的張力變化和導(dǎo)向滑輪的偏轉(zhuǎn)力矩，形成對稱拉力，實(shí)現(xiàn)自身恢復(fù)平衡，避免升頂過程中拱頂超限傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)。

另外，在計(jì)算平衡時(shí)，需要精確描述已經(jīng)固定在拱頂上的設(shè)備、材料的重量和位置，計(jì)算力矩，通過平衡計(jì)算，在合適的位置擺放、固定其他對應(yīng)平衡的設(shè)備、材料。在實(shí)際升頂過程中，計(jì)算的平衡配重都不可能完全準(zhǔn)確，這就需要在預(yù)升頂或正式升頂初期采用人為調(diào)控的方式微調(diào)，如采用通過調(diào)配拱頂或吊頂上的配重物來達(dá)到拱頂水平平衡的精確要求，以此達(dá)到順利平穩(wěn)升頂?shù)哪康摹?/p>

5.2 密封系統(tǒng)

密封系統(tǒng)是氣升頂技術(shù)中關(guān)鍵組成部分，密封系統(tǒng)能否穩(wěn)定、有效地發(fā)揮作用，直接決定了成功升頂?shù)馁|(zhì)量。氣升頂過程中，如果密封系統(tǒng)失效將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果；密封系統(tǒng)局部失效，也會(huì)導(dǎo)致穹頂受力不均，從而使穹頂產(chǎn)生巨大的水平高度差并發(fā)生旋轉(zhuǎn)。最關(guān)鍵的密封位置是拱頂與罐壁間隙，通常采用加強(qiáng)型聚乙烯密封簾或其他類似密封材料，其上部通過螺栓或強(qiáng)力膠帶固定在拱頂板的附加鋼板片上（見圖8），中部通過強(qiáng)力膠帶或鋼壓條壓穩(wěn)，下部呈自由端，升頂時(shí)會(huì)在內(nèi)罐風(fēng)壓的作用下緊緊貼在罐壁上，保證良好的密封性。

對其他存在可能較大漏氣的各類開孔也采取密封措施，如承臺(tái)、罐壁上的排水孔/管，拱頂上管嘴和鋼纜繩的穿孔等。

為保證升頂初期的檢查，設(shè)在儲(chǔ)罐臨時(shí)洞口的人員出入門也要進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，進(jìn)出雙門密封，保證氣密。

5.3 風(fēng)壓和風(fēng)量的計(jì)算

氣升頂前，需要進(jìn)行升頂壓力的核算，計(jì)算需要的風(fēng)量和風(fēng)壓，配備符合能力的風(fēng)機(jī)。首先要計(jì)算升頂總重重和載荷分布，包括拱頂、吊頂、拉桿、內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)走道平臺(tái)、欄桿、管嘴、工具等的重量及分布，有的工程公司為了后續(xù)吊頂上的工作方便，習(xí)慣將后期吊頂上施工需要的材料、設(shè)備都同時(shí)升頂，這樣對氣升頂?shù)娘L(fēng)壓和風(fēng)量計(jì)算就要求非常全面和精確。

5.3.1 風(fēng)壓的計(jì)算

上浮風(fēng)壓P，包含上浮靜壓力和浮力損失：

式中：P1——上浮靜壓力，P1=W/A；

P2——升頂過程的浮力損失；

W——升頂?shù)目傊亓浚绊?、吊頂及各類附屬設(shè)施和材料的總和；

A——拱頂?shù)耐队懊娣e。

由于升頂過程中摩擦力的影響，升頂運(yùn)行中存在一定的風(fēng)壓損失，主要包括密封材料與外罐壁的摩擦和送風(fēng)設(shè)備及管道的風(fēng)壓損失等。

在確定升頂風(fēng)壓的計(jì)算中，我們通常會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采取按1.1～1.2的總安全調(diào)整系數(shù)來適當(dāng)放大上浮壓力數(shù)值，或細(xì)分風(fēng)壓損失分量，考慮不同材料的摩擦系數(shù)和接觸面積來詳細(xì)計(jì)算。

5.3.2 風(fēng)量的計(jì)算

升頂所需風(fēng)量Q，同樣需要考慮正常體積風(fēng)量和損失風(fēng)量：

式中：Q1——正常體積風(fēng)量；Q2——升頂過程的損失風(fēng)量。Q1=A*V*t

式中：V——常規(guī)的的升頂速度（V=0.15～0.2m/m in）；

A——拱頂?shù)耐队懊娣e；

t——升頂?shù)念A(yù)計(jì)持續(xù)時(shí)間；

式中：n——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，決定于密封質(zhì)量的狀況，通常取0.3～0.4左右。

6 結(jié)語

（1）對于大型LNG儲(chǔ)罐拱頂制造安裝，氣升頂具有其他施工方法不可替代的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景和推廣意義；

（2）通過對大型LNG儲(chǔ)罐升頂技術(shù)的研究和實(shí)施，國內(nèi)設(shè)計(jì)、施工單位完全可以掌握其核心技術(shù)并推廣；

（3）成功的氣升頂需要：符合設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐尺寸、良好的密封系統(tǒng)、正確的平衡控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)、完備的監(jiān)控和科學(xué)指揮系統(tǒng)、合理配備的風(fēng)機(jī)、電源及備用系統(tǒng)、成熟的銷接和固定方法、全面的HSE、應(yīng)急措施以及良好的施工組織。

1 European Comm ittee for standardization.Design and m anu facture of site built,vertical,cy lindrical,flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated,liquefied gases w ith operating temperatures betw een 0°C and-165°C(all parts)[S].EN 14620,2006

2 日本燃?xì)鈪f(xié)會(huì).LNG地上儲(chǔ)罐指南[S].JGA指-108-02,2002

3 日本燃?xì)鈪f(xié)會(huì).LNG地下儲(chǔ)罐指南[S].JGA指-107-02,2002

FTE682

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1672-9323（2012）05-0040-04

2012-08-13）