伍尚樂,李靜波

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510290)

1 背景技術(shù)

恒定超低溫下,混凝土的強(qiáng)度相對于常溫下是提高的,并隨著溫度的降低、含水量和含氣量的增加而大幅度提高。與此同時(shí)混凝土內(nèi)的鋼筋材料強(qiáng)度也有所增加,但韌性卻急速下降,會(huì)導(dǎo)致低溫脆性造成的脆斷事故,造成巨大損失。

在目前LNG及油氣碼頭領(lǐng)域生產(chǎn)工藝中,LNG碼頭泊位上的LNG儲罐和LNG泄漏事故集液池均為超低溫工況(設(shè)計(jì)溫度-196 ℃),針對LNG碼頭泊位上的LNG單層罐和LNG泄漏事故集液池的超低溫工況造成的脆斷事故危險(xiǎn)的防范,需要在LNG單層罐、LNG泄漏事故集液池和混凝土基礎(chǔ)之間設(shè)置冷橋阻斷,隔斷低溫傳遞,防止混凝土基礎(chǔ)受到破壞,以降低超低溫工況破壞混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致脆斷事故的可能性。傳統(tǒng)的LNG單層罐和LNG泄漏事故集液池的冷橋阻斷大都使用龍腦樟木等耐腐、耐蝕的木塊作為冷橋阻斷塊,木材本身具有自身的局限性,且龍腦樟木生長緩慢,龍腦樟木中的東京龍腦樟還是國家一級保護(hù)植物,價(jià)格昂貴不易采購,且木材經(jīng)過雨水、微生物侵蝕容易破壞,不易加工,加工過程中容易開裂和翹曲。

超低溫設(shè)備的支座與混凝土基礎(chǔ)之間的冷橋阻斷塊(保冷木塊)一般選用耐腐、耐蝕的龍腦樟木、香樟木等木塊。保冷木塊既需要承擔(dān)臥罐及儲存介質(zhì)的載荷,又要保證設(shè)計(jì)使用周期內(nèi)的耐腐蝕,因此對木材的硬度、耐腐蝕性均有很高的要求。

某些海外項(xiàng)目中壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命要求不低于30年,混凝土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命要求不低于50年。而木材在碼頭、廠區(qū)等露天、半露天的場所都會(huì)有遭遇雨水、生產(chǎn)用水、微生物侵蝕等風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)使用壽命一般為10～20年。為滿足這些海外項(xiàng)目對低溫壓力容器的設(shè)計(jì)使用壽命不低于30年的要求,LNG單層罐、LNG泄漏事故集液池與混凝土之間的冷橋阻斷材料也要相應(yīng)提高設(shè)計(jì)使用壽命。

通過材料對比,優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過長達(dá)1年的多方實(shí)地考察,調(diào)查和資料收集,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比研究,對擬選用的替代材料:模塑聚苯板、擠塑聚苯板、酚醛樹脂板、聚氨酯板的各項(xiàng)性能指標(biāo)及價(jià)格進(jìn)行了匯總比較,最終選用具有防潮、防水、耐腐蝕性能,導(dǎo)熱系數(shù)低,熱工性能好,成型工藝簡單,抗變形能力強(qiáng)、不易開裂而且價(jià)格有明顯優(yōu)勢的新型高分子材料高強(qiáng)度聚氨酯作為替代,以提高設(shè)計(jì)壽命并降低建造成本。有效地解決超低溫設(shè)備和混凝土基礎(chǔ)的隔冷要求,不僅簡化了設(shè)計(jì)方案,降低了施工難度,同時(shí)還增加了安全性和降低了建造成本。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求,前往某LNG碼頭進(jìn)行考察,碼頭上的LNG臥式儲罐采用的是約150 mm厚的隔冷木塊,據(jù)現(xiàn)場觀察,木塊局部已有些破損,通過涂防腐漆進(jìn)行保護(hù)(如圖1某項(xiàng)目的龍腦香冷橋阻斷塊實(shí)物圖)。多家液化天然氣公司的LNG凝液收集罐等低溫儲罐也是采用類似做法,采用龍腦香木作為隔冷塊(如圖2某項(xiàng)目龍腦香冷橋阻斷塊設(shè)計(jì)圖)。

圖1 某項(xiàng)目的龍腦香冷橋阻斷塊現(xiàn)場照片

圖2 某項(xiàng)目的龍腦香冷橋阻斷塊設(shè)計(jì)圖

通過調(diào)查和資料收集,對保冷木塊的各項(xiàng)性能指標(biāo)及價(jià)格進(jìn)行了匯總,具體見表1。

表1 保冷木塊參數(shù)表

由表1中數(shù)據(jù)可得知,龍腦樟木和其他香樟木都具有很好的耐腐蝕性能和較低的導(dǎo)熱系數(shù),但價(jià)格較貴,且不易加工,加工過程中易開裂和翹曲。

3 優(yōu)化目標(biāo)

經(jīng)過對現(xiàn)狀調(diào)查分析,結(jié)合本項(xiàng)目高要求的實(shí)際情況,確定了研究活動(dòng)的目標(biāo)為:尋找保冷塊的替代材料,新材料需要具有更低的導(dǎo)熱系數(shù),更優(yōu)的耐腐蝕性能,更低的價(jià)格優(yōu)勢以及更優(yōu)的加工工藝等,以滿足本項(xiàng)目壓力容器30年設(shè)計(jì)年限的要求(見圖3)。

圖3 某項(xiàng)目的龍腦香冷橋阻斷塊設(shè)計(jì)圖

4 目標(biāo)可行性論證

對木材來說,在碼頭、廠區(qū)等露天、半露天的場所都會(huì)有遭遇雨水、生產(chǎn)用水、微生物侵蝕等風(fēng)險(xiǎn)。為了規(guī)避這一風(fēng)險(xiǎn),需要所選用的替代材料同時(shí)滿足要求如表2所示。

表2 替代材料必須具有的特性統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2中各項(xiàng)要求可以得知,替代材料應(yīng)該從目前常用的保冷隔熱材料中選擇,常用的保溫材料按照材質(zhì)可以分為無機(jī)保溫材料、有機(jī)保溫材料和復(fù)合保溫材料三大類型,其中有機(jī)保溫材料常用于工業(yè)設(shè)備保溫,如:如儲罐、管道保溫等。有機(jī)保溫材料主要有模塑聚苯板、擠塑聚苯板、酚醛樹脂板、聚氨酯板等,具有絕熱效果好、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、施工方便等優(yōu)良特性,同時(shí)還具有隔音、防震、電絕緣、耐熱、耐寒、耐溶劑等特點(diǎn)。有機(jī)保溫材料的防火等級也可以達(dá)到B1級(難燃性),也滿足LNG儲罐的防火要求。保溫材料的主要分類見表3。

表3 保溫材料主要分類表

根據(jù)以上分析,初步判定此次優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定是合理的。通過材料對比,特性匹配,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定目標(biāo)。

5 原因分析

目標(biāo)設(shè)定確認(rèn)之后,通過多次討論研究,并咨詢多家低溫容器廠家,確定了影響LNG臥罐鞍座處隔冷塊效果和時(shí)效的因素,見圖4。

圖4 隔冷塊時(shí)效的影響因素

6 要因確認(rèn)

對以上已經(jīng)識別的原因進(jìn)行分析,制定要因確認(rèn)表,選出基于本項(xiàng)目實(shí)際情況的重點(diǎn)因素,詳見表4。

表4 重點(diǎn)因素分析表

綜上分析,可以得出影響保冷塊時(shí)效的主要因素,見表5。

7 制定實(shí)施對策

針對已經(jīng)確認(rèn)的影響保冷塊時(shí)效的主要因素,研究小組進(jìn)行了多次討論,對每條要因應(yīng)采取的對策從可實(shí)施性、有效性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面進(jìn)行討論和分析,同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行綜合可行性分析和優(yōu)選,遵循在目標(biāo)可行性論證中確認(rèn)的從常用的保冷隔熱材料中選擇更優(yōu)的保冷塊替代材料,最終運(yùn)用對策表制定了相應(yīng)的對策,見表6、7。

表6 解決雨水、生產(chǎn)用水侵蝕、設(shè)計(jì)使用壽命短和解決不易采購、價(jià)格較高問題對策方案表

表7 解決導(dǎo)熱系數(shù)較高,能量損耗大問題對策方案表

綜上分析,高密度聚氨酯板具有防潮、防水、耐腐蝕性能,導(dǎo)熱系數(shù)低,熱工性能好,成型工藝簡單,抗變形能力強(qiáng)、不易開裂等優(yōu)點(diǎn),且價(jià)格有明顯優(yōu)勢,是良好的、合理的隔熱保冷塊的替代材料。

8 對策實(shí)施

根據(jù)確定的實(shí)施對策,在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,使用了高密度聚氨酯材料(HD-PUF)作為LNG臥罐鋼制鞍座和混凝土基礎(chǔ)之間的隔冷墊塊,在LNG不銹鋼泄漏收集池的設(shè)計(jì)中,也首次創(chuàng)新使用了高密度聚氨酯材料(HD-PUF)作為泄漏池和支撐梁之間的隔冷墊塊,解決了支撐梁和混凝土墩臺的隔冷要求,不僅簡化了設(shè)計(jì)方案,降低了施工難度,同時(shí)還增加了安全性和降低了建造成本。

9 效果檢查及驗(yàn)證

設(shè)計(jì)方案得到了業(yè)主和第三咨工的認(rèn)可和批復(fù),在項(xiàng)目中有效實(shí)施,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)了可行性和創(chuàng)新性,實(shí)現(xiàn)了配合壓力容器30年設(shè)計(jì)年限的要求,提高保冷塊時(shí)效性的既定目標(biāo)。圖5為LNG儲罐冷橋阻斷塊的設(shè)計(jì)圖。

1.低溫容器鋼支座;2.滑動(dòng)蓋板;3.冷橋阻斷塊;4.防撞加固箱體;5.混凝土基礎(chǔ);6.鎖緊螺栓組件;7.地腳螺栓組件;8.排凈孔圖5 LNG儲罐冷橋阻斷塊的設(shè)計(jì)圖

10 結(jié)束語

本研發(fā)項(xiàng)目有效地解決了超低溫設(shè)備傳統(tǒng)冷橋阻斷設(shè)計(jì)使用壽命短、采購困難造價(jià)高等問題,取而代之的是一種帶防撞加固箱體的可拆卸式冷橋阻斷結(jié)構(gòu)。在提高設(shè)計(jì)壽命和降低建造成本的基礎(chǔ)上簡化了設(shè)計(jì)方案,制造和安裝方便可行,減少傳統(tǒng)工藝的超低溫設(shè)備冷橋阻斷的施工工期降低了施工難度并增加了安全性,為類似低溫設(shè)備隔冷阻斷提供方法參考。