陳美全 張新建 姚佐權(quán)

(1合肥通用機械研究院 合肥 230031)

大型LNG雙壁金屬單容罐建造過程質(zhì)量控制

陳美全1，2張新建1，2姚佐權(quán)1，2

(1合肥通用機械研究院 合肥 230031)

(2國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心 合肥 230031)

介紹了大型LNG雙壁金屬單容罐在建造過程中的主要質(zhì)量控制點，通過比較、總結(jié)的方法得出有效的控制技術(shù)措施，結(jié)合實踐效果及相關(guān)的理論分析，這些措施有利于儲罐在建造過程中的質(zhì)量控制，供以后類似結(jié)構(gòu)儲罐的建造時借簽。

LNG 單容罐 質(zhì)量控制

1 引言

LNG儲罐是LNG接收站、調(diào)峰站或液化站的主要儲存設(shè)備，合理的制造、檢驗及質(zhì)量控制要求是儲罐安全運行的重要保證。本研究以某液化廠的10 000 m3LNG雙壁金屬單容罐為例，介紹儲罐在建造過程中的一些主要質(zhì)量控制點。儲罐的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

儲罐采用內(nèi)罐吊頂、外罐拱頂結(jié)構(gòu)型式，內(nèi)罐用來儲存低溫LNG，工作溫度為-166.6℃，外罐用來承裝保冷材料和閃蒸氣體。LNG輸送采用低溫潛液泵，所有工藝及儀表接管都從罐頂進出罐體。儲罐主要由內(nèi)罐、外罐、鋁吊頂、絕熱層、平臺梯子及架空式承臺等組成。整個儲罐坐落在鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺之上。

2 建造過程中主要質(zhì)量控制要點

圖1 主體結(jié)構(gòu)Fig.1 Main struction

考慮到儲罐主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)場組裝、焊接及施工周期等因素，儲罐在建造過程中的主要質(zhì)量控制要點有:(1)主體材料焊接質(zhì)量控制;(2)外罐拱頂、內(nèi)罐和吊頂組裝施工質(zhì)量控制;(3)罐體上接管劃線開孔、組裝定位質(zhì)量控制;(4)低溫絕熱結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制;(5)罐體沉降試驗和正、負壓試驗過程質(zhì)量控制;(6)儲罐預(yù)冷過程質(zhì)量控制。

2.1 主體材料焊接質(zhì)量控制

根據(jù)LNG儲罐建設(shè)地點環(huán)境溫度要求，外罐材料采用16MnDR，內(nèi)罐材料采用9%Ni鋼(厚度5—10 mm)，內(nèi)罐的焊接質(zhì)量是整個低溫儲罐的關(guān)鍵。9%Ni鋼在焊接冶金反應(yīng)和熱循環(huán)的作用下，其組織和成分發(fā)生改變，從而產(chǎn)生脆性相，低溫韌性下降，冷、熱裂紋傾向增大等現(xiàn)象?？紤]上述原因，建造過程中必須解決鋼材焊接的裂紋傾向、低溫韌性下降和磁化等問題。

內(nèi)罐底板之間和壁板縱、環(huán)縫主要采用氬弧焊和手工電弧焊方法。應(yīng)嚴格控制母材和焊材的化學(xué)成分不超標(biāo)，特別是P、S的含量控制在標(biāo)準(zhǔn)含量以內(nèi)，同時保證焊縫坡口附近的清潔以防止氫在硬化層中的積聚，采用正確的收弧技術(shù)和適當(dāng)打磨等措施結(jié)合起來可以避免熱裂紋的產(chǎn)生。焊接過程中，嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，尤其是保證焊條烘干和施焊環(huán)境溫度要求，可以避免冷裂紋的出現(xiàn)。

9 %Ni鋼焊接出現(xiàn)低溫韌性降低的原因主要有兩個方面，一是所選焊材的影響。從韌性和熱膨脹量方面考慮，手工電弧焊采用ENiCrMo-6焊條，制定相應(yīng)的焊接工藝評定，焊接接頭的力學(xué)性能能夠滿足LNG低溫儲罐對低溫性能要求。二是焊接線能量和層間溫度。在焊接過程中，焊接線能量和層間溫度會改變焊接熱循環(huán)的峰值溫度，從而影響熱影響區(qū)的金相組織，峰值溫度高會產(chǎn)生粗大的馬氏體和貝氏體而使低溫韌性下降［1］。一般情況下，可采用紅外線溫度檢測儀檢查施焊的層間溫度，確保層間溫度在100℃以內(nèi)。

9 %Ni鋼是一種很容易被磁化的材料，克服磁偏吹的途徑主要有兩種:一種是對母材進行消磁處理;另一種是采用交流焊接。焊機電源線和焊把線使用時，不允許盤成封閉的環(huán)形，必須拉直以避免鋼板產(chǎn)生磁性。結(jié)合實際情況，施工過程中比較容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題及預(yù)防措施見表1。

表1 常見質(zhì)量問題及預(yù)防措施Table 1 Common quality problems and preventive measures

2.2 外罐拱頂、內(nèi)罐和吊頂組裝施工質(zhì)量控制

內(nèi)、外罐組裝是一個非常重要的環(huán)節(jié)。外罐由拱頂、壁板、底板和基礎(chǔ)錨固件等構(gòu)成，通過足夠的錨固件和基礎(chǔ)牢固地連接在一起。內(nèi)罐由底板、吊頂板及八帶壁板組成。罐體施工采用電動葫蘆提升倒裝法施工工藝，除外罐頂安裝外，所有安裝和檢驗的工作在地面進行，相對于正裝法，倒裝法施工工藝的經(jīng)濟性和安全性更好并且生產(chǎn)效率更高［2］。施工程序具體如下:

基礎(chǔ)復(fù)測→外罐底板鋪設(shè)、焊接、檢測→壁板壓縮環(huán)、拱頂抗壓圈組對、焊接→拱頂加強筋組裝→機械提升裝置安裝→10#壁板組對焊接、檢測→拱頂板組對焊接、檢測→鋁吊頂鋪設(shè)、焊接、檢測→9～1#外罐壁板組對、焊接、檢測→開設(shè)外罐大門→機械提升裝置拆除→外罐底板大角縫、收縮縫焊接、檢測→外罐附件安裝→內(nèi)罐底板組對焊接、檢測→8#內(nèi)罐壁板組對、焊接、檢測——機械提升裝置安裝→7～1#內(nèi)罐壁板組對、焊接、檢測→內(nèi)罐大門開設(shè)→內(nèi)罐附件安裝、機械提升裝置拆除→內(nèi)、外罐大門封閉。

在壁板組對時不斷調(diào)整壁板的垂直度、橢圓度以達到設(shè)計要求。自檢合格后做好記錄，經(jīng)檢驗自檢、專檢合格開始縱縫焊接，焊完后必須對垂直度和橢圓度進行復(fù)測、調(diào)整，偏差不得超過允許值。在環(huán)縫組對過程中，必須兼顧上、下節(jié)壁板垂直度，在保證垂直度符合要求的情況下調(diào)整環(huán)縫間隙，當(dāng)兩者產(chǎn)生矛盾時，優(yōu)先考慮對環(huán)縫間隙進行調(diào)整以保證垂直度。環(huán)縫組對完，按工序要求檢查合格并辦理交接手續(xù)。在環(huán)縫焊接過程中加強巡檢，發(fā)現(xiàn)嚴重變形應(yīng)及時調(diào)整。環(huán)縫焊完后，對垂直度進行復(fù)測，合格后進行下節(jié)壁板的安裝工序?？紤]到內(nèi)、外罐罐壁厚度薄和罐體高等特點，在每節(jié)壁板的組對過程中，不僅要保證該節(jié)壁板本身垂直度符合要求，還要對組焊完的壁板總體垂直度進行檢查和調(diào)整。

2.3 罐體上接管劃線開孔、組裝定位質(zhì)量控制

罐體上的接管全部是在外罐罐頂上安裝。如果接管孔的形狀及坡口尺寸得不到保證，將影響接管與外罐拱頂?shù)倪B接角焊縫焊接質(zhì)量，同時開孔補強圈的安裝也是施工中一個重要部分。開孔除削弱罐壁的強度外，在殼體和接管連接處，由于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致該區(qū)域易發(fā)生失效，給設(shè)備的運行帶來安全隱患?？紤]上述原因，施工過程中接管開孔及補強圈的尺寸和安裝位置必須嚴格符合圖紙設(shè)計要求。

由于拱頂上有很多縱向、橫向加強筋和縱、橫向搭接焊縫，如果在接管開孔前劃線位置不準(zhǔn)確，開孔后很容易出現(xiàn)兩種情況:一是接管和拱頂?shù)倪B接角焊縫與縱、橫向搭接焊縫離的很近甚至重疊，不符合相關(guān)規(guī)范要求;二是接管安裝時與縱向、橫向加強筋發(fā)生沖突，如割掉部分縱向、橫向加強筋，則影響拱頂整體受力。為了避免上述情況，在開孔前必須保證劃線尺寸準(zhǔn)確無誤，結(jié)合實際情況和其他大型容器接管劃線開孔的制造經(jīng)驗，如DN250 mm接管開孔，在劃好中心線后先開直徑約20 mm的小孔，以此小孔為中心劃開孔位置，如有偏差可以及時調(diào)整，確認無誤后可按具體尺寸進行開孔。

2.4 低溫絕熱結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制

低溫絕熱保冷施工主要包括罐底保冷、內(nèi)外罐環(huán)形空間保冷、鋁吊頂保冷以及接管保冷4部分。雖然儲罐低溫絕熱結(jié)構(gòu)相對簡單，但施工質(zhì)量對儲罐的保冷效果起到關(guān)鍵作用。低溫絕熱材料應(yīng)具備導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率小、抗凍性強和耐火性好等特點。

2.4.1 罐底保冷

底部保冷層采用高強度、絕熱性能優(yōu)良的厚度約800 mm的泡沫玻璃磚進行隔熱，同時鋪設(shè)高強度、耐低溫的珠光砂水泥磚作為內(nèi)罐罐底環(huán)形承壓環(huán)梁。罐底保冷結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 底部保冷結(jié)構(gòu)Fig.2 Cold insulation struction of bottom

外罐底板上找平層按設(shè)計要求施工，表面要求平整，其平面度要求在每10 m弧長內(nèi)任意兩點的高差應(yīng)不大于3 mm，整個圓周長度內(nèi)任何兩點的高差應(yīng)不大于6 mm。準(zhǔn)確確定中心線及標(biāo)高線。在外罐底板水泥找平層平面上，確定泡沫玻璃磚的鋪設(shè)方向，設(shè)定中心軸線，按45°角分成8條軸線延伸到相應(yīng)圓周邊，并用水平儀確定各軸線位置和標(biāo)高基準(zhǔn)線，以便對每層泡沫玻璃砌筑時進行校準(zhǔn)，確保泡沫玻璃施工時的平整度。底部保冷層泡沫玻璃磚、珠光砂水泥磚的鋪設(shè)分兩個階段。

(1)第一階段:規(guī)格600×450×150 mm，共鋪兩層，然后鋪一層規(guī)格為600×450×100 mm玻璃磚。根據(jù)瀝青氈的方向鋪設(shè)，玻璃磚間隙不大于2 mm，相鄰二層泡沫玻璃磚的長寬方向錯縫不小于100 mm，第一層泡沫玻璃磚鋪設(shè)完成之后，從外圈向中心1 m范圍內(nèi)的玻璃磚外表面熱浸防水瀝青處理，以此類推，每層泡沫玻璃磚表面鋪一層瀝青氈，相鄰泡沫玻璃磚間瀝青氈采用對接方式。每層瀝青氈鋪設(shè)完工后需要重新劃線，以保證每層玻璃磚縫的錯開長度。

(2)第二階段:規(guī)格600×450×150 mm，共鋪兩層，然后鋪一層規(guī)格為600×450×100 mm玻璃磚，根據(jù)第一階段鋪設(shè)的玻璃磚確認鋪設(shè)方向。最上層泡沫玻璃磚上表面鋪設(shè)一層瀝青氈，瀝青氈接縫采用搭接方式，搭接寬度約60 mm。接縫處用火槍烘烤粘結(jié)密縫，以防止瀝青氈接縫處滲入干沙。

2.4.2 內(nèi)、外罐環(huán)形空間保冷

內(nèi)、外罐的環(huán)形空間的保冷結(jié)構(gòu)如圖3所示。內(nèi)罐外側(cè)是厚度約150 mm的彈性氈，內(nèi)、外罐的環(huán)形空間填充隔熱性能良好的珠光砂。

圖3 環(huán)形空間保冷結(jié)構(gòu)Fig.3 Cold insulation struction of annular space

環(huán)形空間保冷的施工內(nèi)容包括彈性氈的安裝和珠光砂的填充。彈性氈的安裝施工程序:保溫釘粘接→掛鉤、彈性氈壓緊板安裝→彈性氈安裝→玻璃纖維布安裝→斜拉緊固繩固定。

(1)保溫釘粘接:在內(nèi)罐壁上用水平線測定縱向垂直線，按每間隔1 200 mm(彈性氈的寬度)進行標(biāo)識，每塊彈性氈縱向為兩列保溫釘，距彈性氈邊緣200 mm，間距800 mm。保溫釘用TIC5066粘結(jié)劑進行粘接固定，72 h后鋪設(shè)彈性氈，粘結(jié)劑應(yīng)隨用隨拌。

(2)掛鉤、彈性氈壓緊板和彈性氈安裝:按測定的縱向垂直線位置安裝掛鉤和彈性氈壓緊板，用M16×130全螺紋螺栓將彈性氈和玻璃纖維布夾在一起，壓緊板之間的玻璃纖維布應(yīng)使用聚氨酯密封膠TIC5030與壓緊板粘接。用保溫釘將彈性氈和玻璃纖維布連接在一起，用反向自鎖墊圈鎖扣，保證各塊彈性氈緊密相靠。

(3)玻璃纖維布安裝:使用粘結(jié)劑TIC5030粘接，玻璃布間的豎向拼縫至少搭接300 mm。

(4)斜拉緊固繩安裝:在玻璃纖維布外表安裝緊固繩，罐上部緊固繩固定在壓緊板的掛鉤上并斜拉30°左右固定在罐底部珠光砂水泥磚的吊環(huán)螺釘上，嚴禁過份緊固尼龍繩，以免損壞珠光砂水泥磚。

考慮到在預(yù)冷過程中由于內(nèi)罐向內(nèi)收縮珠光砂下沉?xí)r彈性氈收縮等因素，其主要控制要素:

(1)彈性氈材料相關(guān)技術(shù)參數(shù)比如回彈性是否符合設(shè)計要求;

(2)彈性氈固定保溫釘間距是否符合設(shè)計要求;(3)彈性氈壓緊板連接是否安裝牢固。

環(huán)形空間填裝珠光砂應(yīng)在干燥晴朗的天氣下進行。由于周期長，每天施工結(jié)束后封閉所有通向罐內(nèi)的開孔，防止外界水分進入。為減少儲罐使用過程中珠光砂的自然沉降，在裝填過程中需要使用特制的振動器進行振動以保證裝填密度，在整個充填施工過程中，根據(jù)珠光砂高度的變化而不斷調(diào)整外罐拱頂上的填充口進行填充，以保證振動器的合理設(shè)置和振動作業(yè)的順利進行［3］。

2.4.3 吊頂上部保冷

吊頂上部鋪設(shè)8層厚度約為100 mm的玻璃棉，相鄰兩條玻璃棉交叉鋪設(shè)，玻璃棉之間的縫隙應(yīng)緊密可靠。填充前應(yīng)該將吊頂表面清掃干凈，為了保證鋪設(shè)厚度符合設(shè)計要求，可以采用在吊桿某處纏繞電工絕緣膠帶用來標(biāo)識。

2.4.4 低溫接管保冷

低溫接管的保冷施工一般是在儲罐水壓試驗并清理干凈后珠光砂填充前進行。接管套筒內(nèi)玻璃棉的徑向壓縮至少要達到50%以保證保冷效果，比如泵井內(nèi)低溫管道，低溫管道內(nèi)的介質(zhì)是LNG，如果套筒保冷的施工質(zhì)量達不到要求，由于漏冷套管外側(cè)很容易出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。

為了保證工程質(zhì)量，應(yīng)對保冷材料進行仔細驗收，同時對保冷材料進行必要的保護，嚴格按照設(shè)計圖紙的要求進行放線、標(biāo)記。

2.5 罐體沉降試驗和正、負壓試驗過程質(zhì)量控制

在內(nèi)罐、外罐及管路、閥門等安裝完成后，在進行夾層及吊頂空間保冷施工之前進行沉降試驗和強度試驗。儲罐的沉降試驗與強度試驗過程，中國國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中已有相關(guān)的試驗過程要求，如SY/T0608-2006標(biāo)準(zhǔn)的附錄Q有關(guān)要求。在試驗過程中應(yīng)該控制進水速率。在充水試驗前以及注水期間，應(yīng)準(zhǔn)確測量基礎(chǔ)沉降量，基礎(chǔ)沉降量應(yīng)符合設(shè)計要求。強度試驗在充水試驗后進行，考慮到試驗介質(zhì)水質(zhì)等因素，總試壓時間最好不超過一周。在負壓試驗過程中注意儲罐壓力的控制，保證負壓在允許范圍之內(nèi)，以免出現(xiàn)罐頂下塌現(xiàn)象。

2.6 儲罐預(yù)冷過程質(zhì)量控制

LNG儲罐預(yù)冷的目的主要是檢測儲罐和附屬管道的低溫性能，包括檢驗材料在低溫下的質(zhì)量情況、檢驗儲罐管道冷縮量和使儲罐溫度接近工作狀態(tài)，以便安全投入使用。冷試試驗介質(zhì)可采用LNG或純度不低于99.5%的液氮。

預(yù)冷時儲罐和管道溫度要逐步降低，避免急冷，防止溫度驟降對設(shè)備和附屬管件造成損傷。為了減少內(nèi)罐由于溫度變化而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，除應(yīng)采用開車降溫噴灑口，還應(yīng)精心控制預(yù)冷介質(zhì)的流量。根據(jù)有關(guān)操作經(jīng)驗，冷卻速率控制在5℃/h比較安全［4］。

如果試驗介質(zhì)采用液氮，其預(yù)冷主要步驟是先用低溫氮氣預(yù)冷，向儲罐內(nèi)緩慢充入低溫氮氣，待儲罐壓力上升至10 kPa時，關(guān)閉液氮槽車氣相出口閥門，儲罐保冷約15 min后，打開儲罐氣相手動放空閥排空，升、降壓反復(fù)進行，直至預(yù)期值時，氮氣預(yù)冷工作完成。再用液氮預(yù)冷，將儲罐壓力放空至微正壓，緩慢打開液氮槽車液相閥至較小開度，同時緩慢關(guān)小槽車氣相閥，使液氮從儲罐上部進液。通過調(diào)節(jié)槽車液氮輸出閥門開度控制液氮輸出量，當(dāng)內(nèi)罐罐壁或底部熱電阻之間的溫差大于或等于50℃時，應(yīng)停止進液氮，待溫差恢復(fù)正常后再繼續(xù)冷卻。

預(yù)冷過程中的注意事項和需要檢查的內(nèi)容:

(1)在密閉空間內(nèi)液氮吸收外部熱量將會導(dǎo)致壓力急劇上升，因此在操作中要注意閥門關(guān)閉順序，嚴禁出現(xiàn)低溫液體被封閉的狀況;

(2)注意觀察管道及儲罐壓力上升情況，保證壓力在允許范圍之內(nèi);

(3)注意檢查安全閥后有無結(jié)霜情況，檢查低溫材料有沒有低溫開裂現(xiàn)象。

3 總結(jié)

10 000m3LNG雙壁金屬單容罐建造過程中關(guān)鍵過程質(zhì)量控制的實踐結(jié)果表明，由于過程質(zhì)量控制措施得當(dāng)，保證了儲罐的建造質(zhì)量。對儲罐建造中關(guān)鍵的過程質(zhì)量控制進行了一些系統(tǒng)化的整理，對以后類似結(jié)構(gòu)的建造具有推廣及借簽作用。

1 張亞宇，徐錚，葉海明，等.9Ni鋼大型LNG低溫儲罐的焊接施工［J］，電焊機，2009，39(9):78-79.

2 冷輝.中小型雙層金屬結(jié)構(gòu)低溫儲罐正裝倒裝施工工藝對比［J］，石油化工建設(shè)，2006，28(6):55-56.

3 秦凱凱，俞祖明，倪家利，等.50 000 m3LNG儲罐膨脹珍珠巖充填技術(shù)［J］，新技術(shù)研究與推廣，2009，12:39-41.

4 王良軍，劉楊，羅仔源，等.大型LNG地上全容儲罐的冷卻技術(shù)研究［J］，集輸工程，2010，30(1):1-3.

Construction process quality control on large LNG double-layer-metal single-containment tank

Chen Meiquan1，2Zhang Xinjian1，2Yao Zuoquan1，2

(1Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China)
(2National Technical Research Center on Safety Engineering of Pressure Vessels and Pipelines，Hefei 230031，China)

The main quality control points on the manufacturing of large LNG double-layer-metal single containment tank were presented.Some different solutions during the construction process were summarized and compared，some effective quality control solutions were found out.These solutions and technologies were proved well for equipment quality and production efficiency through the manufacture practice.

LNG;single containment tank;quality control

TB657.9

A

1000-6516(2012)06-0041-05

2012-09-28;

2012-11-30

陳美全，男，32歲，碩士、工程師。