張博超 范嘉堃 翟博

摘 要：通過探究傳統(tǒng)低溫LNG儲罐鋁吊頂結(jié)構及正常操作工況下應用效果的不足之處，提出一種新型吊頂方法，新型鋁吊頂由框架、波紋板和吊桿組成新型吊頂系統(tǒng)，在保證原有結(jié)構穩(wěn)定的前提下，使吊頂結(jié)構的安全系數(shù)顯著提升，吊頂施工工期顯著下降。

關鍵詞：LNG儲罐；新型鋁吊頂；拉桿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.081

1 引言

隨著天然氣應用的推廣，部分地區(qū)和行業(yè)對天然氣資源的依賴程度也相應增加，城市用戶和天然氣電廠用戶在不同季節(jié)，不同時段對天然氣需求波動較大，而目前管道氣儲氣調(diào)峰能力有限，一旦發(fā)生供應短缺，很多用戶短期內(nèi)很難轉(zhuǎn)而使用其它替代能源，由此會產(chǎn)生巨大的社會壓力。

因此，建立LNG調(diào)峰儲運中心，依靠LNG儲罐進行調(diào)峰存儲，集約投資建設大型LNG儲罐，對于保障國內(nèi)天然氣市場供氣的連續(xù)性和穩(wěn)定性，保障民生、推進生態(tài)文明建設、創(chuàng)建和諧社會是非常必要的，而新型鋁吊頂在大型LNG儲罐的應用將助力國產(chǎn)化儲罐核心技術的提升。

2 傳統(tǒng)低溫LNG儲罐鋁吊頂結(jié)構

傳統(tǒng)的LNG全容儲罐，內(nèi)罐為頂部敞開結(jié)構，材料為X7Ni9鋼，內(nèi)罐直徑 80余米 ，常溫下高度 30余米。內(nèi)罐頂部吊材質(zhì)為鋁合金板，與拱梁通過不銹鋼拉桿連接。吊頂為儲罐承接內(nèi)外氣相空間，隔絕上部空間熱量傳遞的重要結(jié)構。

吊頂?shù)闹饕δ苁菫榈蹴斀^熱系統(tǒng)提供相應的支撐，故其應確保外罐頂溫度不低于其設計溫度，避免出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，防止因結(jié)冰而出現(xiàn)過度罐頂荷載[1]，并控制BOG蒸發(fā)量。保冷和支撐結(jié)構應杜絕保冷材料進入罐內(nèi)，吊頂兩側(cè)的壓差不超過一定壓差。

吊頂板材料為鋁合金，吊桿應為不銹鋼，最低設計溫度-168℃。吊頂板邊緣為密封封板結(jié)構，以防止珍珠巖粉末流入罐內(nèi)。吊頂最外圈圈拉桿外側(cè)設置珍珠巖粉末擋板，擋板需保證儲存足量珍珠巖粉末，且防止粉末流動到吊頂上。

3 傳統(tǒng)吊頂存在問題

為了研究傳統(tǒng)鋁吊頂存在的問題，對儲罐吊頂進行了詳細計算。

3.1 模型建立

吊頂模型分析了鋁制吊頂在所有荷載作用下產(chǎn)生的變形位移和吊頂表面的應力值。模型的建模分為三部分進行建立：吊頂鋁板、加強環(huán)、拉桿。

吊頂模型采用殼單元進行建立。材料屬性為B209 5083-O，鋁板厚度為5mm，幾何模型如圖1所示：

吊頂加強環(huán)采用梁單元進行建立，材料屬性為B209 5083-O，1-11圈加強環(huán)梁單元截面為矩形，尺寸為200mm×18mm，第12圈加強環(huán)為T型截面，幾何模型如圖2所示：

吊頂拉桿采用梁單元進行建立，材料屬性為A276 Gr 304 L，梁單元截面為矩形，尺寸為50mm×8mm，幾何模型如圖3所示：

3.2 材料屬性

計算共設兩種材料屬性，其中吊頂鋁板及加強環(huán)采用B209 5083-O，吊桿采用A276Gr 304 L。兩種材料屬性如表1所示[2]：

3.3 施加荷載

（1）吊頂自重：吊頂自重主要包括吊桿、吊頂、加強環(huán)的自重，通過在重力方向添加重力加速度來施加，施加的加速度為9.8m/s2。（2）保冷荷載：在吊頂上布置1.5米厚保冷材料，保冷材料密度16kg/m3。在計算中鋁板上表面施加240N/m2均布面荷載。（3）施工荷載（均布）：根據(jù)EN 14620-1 7.3.2.2.2節(jié)規(guī)定，在鋁板上表面施加500N/m2均布面荷載[3]。（4）施工荷載（集中）：根據(jù)規(guī)定，鋁板需能承受1500N的集中荷載。在吊頂計算中，在每圈鋁板中心位置施加1500N的集中荷載。

3.4 應力與位移計算

吊頂應力云圖如圖4所示：

傳統(tǒng)吊頂材料為鋁板，采用單面搭焊連接。根據(jù)EN14620-2 5.2.1.3.1規(guī)范，單面搭焊鋁板許用應力系數(shù)為0.35[3]，因此吊頂鋁板許用應力較低，根據(jù)相關項目計算結(jié)果，吊頂鋁板處計算最大應力與許用應力相差較小，安全系數(shù)較小。

因此提高吊頂強度，可增加吊頂安全系數(shù)，減少吊頂材料用量。從提升吊頂強度和設計安全系數(shù)的角度出發(fā)，考慮采用波紋板代替平板結(jié)構能夠顯著提高吊頂承載能力。

4 新型吊頂

LNG儲罐吊頂采用鋁板安裝制作，安裝過程中鋁板采用焊接形式連接。波紋板吊頂采用鋁制型材，制作吊頂徑向梁和環(huán)向梁，代替?zhèn)鹘y(tǒng)吊頂型形式中的吊頂加強筋，在吊頂徑梁和環(huán)梁上鋪設鋁制波紋板。波紋板與吊頂梁間采用緊固件進行連接，并在吊頂保冷材料下方增設一層鋁箔，保證吊頂?shù)臍饷苄?。目前波紋板吊頂結(jié)構形式，已在中石油江蘇LNG等項目進行應用[4]。

4.1 吊頂材料及安裝

波紋板吊頂徑向梁、環(huán)向梁、波紋板均為鋁、吊桿及連接件為不銹鋼?？v梁、環(huán)梁、波紋板及吊頂拉桿的預制均在預制廠完成，現(xiàn)場只進行安裝工作。通過預制，現(xiàn)場無焊接工作，吊頂質(zhì)量便于控制，同時可減少現(xiàn)場焊接等受限施工工作，減少現(xiàn)場人員及機具使用量，減少施工周期。

波紋板吊頂安裝時，先進行材料預制及制作，根據(jù)吊頂具體參數(shù)，將吊頂分為多個單元（榀），每一單元（榀）的吊頂量、波紋板均在預制車間完成。將車間內(nèi)制作完成的每一單元（榀）運送至現(xiàn)場，在現(xiàn)場進行安裝。安裝時先進行儲罐中心點測量，再進行吊頂梁框架安裝，然后進行吊頂拉桿安裝，最后進行吊頂波紋板安裝。

4.2 吊頂拉桿

由于吊頂在施工及運行中存在變形，因此每個吊頂拉桿實際受力情況與理論計算存在差別，部分拉桿連接較緊，部分拉桿連接較松。本吊頂方案拉桿材料采用不銹鋼圓鋼，在拉桿之間增設一個帶螺紋的

連接件，將此鏈接見連接至吊頂拉桿。在儲罐升頂或穹頂澆筑完成后，可調(diào)節(jié)此連接件，對部分較松的拉桿進行緊固，使吊頂拉桿受力更均勻。

4.3 波紋板吊頂優(yōu)勢

波紋板吊頂結(jié)構形式優(yōu)勢主要有以下幾點：

（1）減少工期：波紋板吊頂結(jié)構形式，有很多工作在預制車間即可完成，因此現(xiàn)場可減少大量的工程量，使得現(xiàn)場吊頂安裝工期縮短，減少儲罐的建設周期，減少儲罐施工時的交叉作業(yè)時間。

（2）便于質(zhì)量控制，減少現(xiàn)場工作量：由于吊頂梁、波紋板在預制車間完成，因此可在預制車間對材料制作進行嚴格控制，現(xiàn)場只進行安裝工作。無焊接檢測等工序，可提升整個吊頂?shù)氖┕べ|(zhì)量，減少現(xiàn)場焊接檢測。

（3）降低吊頂重量：一般的LNG儲罐吊頂，通常采用5mm或6mm吊頂鋁板，波紋板吊頂采用1.2mm波紋板。波紋板的重量小于常規(guī)的吊頂鋁板重量。根據(jù)估算，采用波紋板吊頂結(jié)構形式，可降低儲罐吊頂重量約20%，便于穹頂設計及升頂施工控制。

（4）便于拉桿調(diào)節(jié)：本方案采用不銹鋼圓鋼作為吊頂拉桿，在拉桿中間增設連接件。連接件可調(diào)節(jié)吊頂拉桿的長度，在升頂結(jié)束或穹頂澆筑結(jié)束時，可對吊頂拉桿連接件進行調(diào)節(jié)，使得每個拉桿受力均勻。

5 結(jié)論

新型鋁吊頂由框架、波紋板和吊桿組裝而成?？蚣苁怯射X合金型材用緊固件裝配的整體結(jié)構，然后將框架通過吊桿與低溫儲罐的拱頂梁連接，再在框架上鋪設鋁合金波紋板。用冷成型加工的波紋板，形狀簡潔，波度大，強度高，精度好，施工安裝方便。裝配后的波紋板鋁吊頂，整體平整，總體重量更輕，能有效改善拱頂結(jié)構的受力狀況，所有構件都在工廠制造并預組裝，現(xiàn)場安裝方便快捷，縮短現(xiàn)場工期。經(jīng)成本測算，采用裝配式波紋板鋁吊頂不會比現(xiàn)場焊接的平板吊頂增加成本，具有進一步推廣應用的價值。

參考文獻：

[1]揚帆，張超，李牧等.大型液化天然氣儲罐吊頂結(jié)構設計淺析[J].石油化工設備，2015（03）.

[2]美國標準ASTM B209M：Standard Specification for Aluminum and Aluminum-Alloy Sheet and Plate.

[3]歐洲標準EN14620：Design and manufacture of site built，vertical，

cylindrical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，

liquefied gases with operating temperatures between 0℃ and -165℃.

[4]綦國新，唐凱，張劍等.新型鋁吊頂在國產(chǎn)大型LNG儲罐的應用研究[J].天然氣技術與經(jīng)濟，2017（01）.

作者簡介：張博超（1990-），男，北京人，本科，工程師，主要從事LNG儲罐設計和研發(fā)工作。