陳 暉 田連軍

中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100027

大型LNG儲罐氣升頂技術(shù)簡析

陳 暉 田連軍

中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100027

隨著LNG清潔能源的引入，我國大型LNG儲罐的建造技術(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儲罐升頂方案的解析，并結(jié)合國內(nèi)成功實例，對大型LNG儲罐的氣升頂技術(shù)的基本原理和簡要過程進行了論述，研究分析了世界上不同形式的大型LNG儲罐升頂方式，并重點介紹了平衡系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、風壓風量確定等氣升頂?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

大型LNG儲罐 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儲罐都是其關(guān)鍵核心設(shè)施，而儲罐的氣升頂又是LNG儲罐施工活動中的關(guān)鍵里程碑點，升頂?shù)耐瓿?，標志著儲罐施工的關(guān)鍵路徑從外罐混凝土施工轉(zhuǎn)向內(nèi)罐安裝。同時，對于10萬方以上的大型儲罐拱頂制造安裝，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)進行分析和研究。

1 大型LNG全容罐簡介

全容式LNG儲罐屬常壓、低溫儲罐，目前是LNG接收站主要采用的儲罐罐型，由于其外罐可以承受內(nèi)罐泄漏的LNG及其氣體，不會向外界泄漏，安全防護距離相對較小。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，因設(shè)計壓力相對較高，在卸船時可利用罐內(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）返回氣鼓風機的投資，并減少了操作費用。

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、臺灣地區(qū)由于地震影響較大而導致的設(shè)計理念的不同，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LNG就選擇了歐美規(guī)范來設(shè)計建造LNG儲罐，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，日本儲罐升頂重量甚至可達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)較為復雜，如果采用正裝法施工，則需要在罐壁高處搭建一個臨時鋼平臺，在鋼平臺上實施組合、安裝與焊接，高空作業(yè)量較多且不易實施。為了節(jié)約投資、加快進度，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)，通過大功率鼓風機向罐內(nèi)送入壓縮風，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 升頂前的準備

升頂前要進行大量細致的工作準備，主要有：

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

（2）檢查確認儲罐的圓度、水平度；

（3）確認拱頂荷載和分布及風機能力；

（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，所有儲罐開孔封閉；

（6）風機（含備用）、擋板、管道等安裝完成，多重保障電源就位；

（7）臨時安全通道安裝完成；

（8）相關(guān)安全措施落實到位；

（9）任何妨礙升頂?shù)脑O(shè)施清除完成；

（10）升頂組織機構(gòu)建立并各司其職；

（11）各級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、測量繩、拉力計等準備就位；

（13）足夠的焊接固定組件準備妥當；

（14）其他應(yīng)準備的事項等。

4.2 升頂簡要過程

升頂簡要過程和步驟如下：

（1）啟動風機電源，逐步投入風機；

（2）確認密封簾在風壓下吸附貼緊在罐墻體上，時時觀測壓力計等監(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350mm水柱；測量和檢查確認平衡壓力，風機電壓和電流，控制最大風量和風壓，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，準確定位拱頂，避免移位偏差；

（7）準確對接后，利用楔子臨時固定預先焊接在拱頂板和承壓板上的U形卡，固定拱頂，停止風機和電源。

4.3 拱頂永久固定

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

5 氣升頂?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

LNG儲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)以及風量風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向機構(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)計有多種平衡系統(tǒng)形式。

5.1.1 地上大型LNG儲罐多采用的平衡系統(tǒng)

國際上地上大型LNG儲罐平衡系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)鋼纜繩布置、導向滑輪固定和錨固點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，再與罐壁上錨固點連接。

其特點是升頂過程中，當拱頂出現(xiàn)傾斜時，靠鋼纜繩張力變化，拱頂向下趨勢位移端產(chǎn)生對側(cè)鋼纜繩給穹頂上導向滑輪一個偏轉(zhuǎn)力矩，到達恢復平衡。

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，依靠多個導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)拱頂下部錨固點連接。

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

日韓等國家地下大型LNG儲罐和雙頂式地上LNG儲罐采用的平衡系統(tǒng)形式多與地上儲罐形式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)計中，會額外考慮應(yīng)急備用平衡系統(tǒng)作為主平衡系統(tǒng)的補充，如珠海LNG的EPC承包商設(shè)計了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。當氣升頂過程中由意外導致拱頂卡住不動時，Tirfor系統(tǒng)即可啟用，通過手拉導鏈及備用的吊車可將拱頂拉起、微調(diào)恢復。

由于設(shè)計理念的不同，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。

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

另外，在計算平衡時，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，計算力矩，通過平衡計算，在合適的位置擺放、固定其他對應(yīng)平衡的設(shè)備、材料。在實際升頂過程中，計算的平衡配重都不可能完全準確，這就需要在預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到拱頂水平平衡的精確要求，以此達到順利平穩(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)失效將會導致災難性的后果；密封系統(tǒng)局部失效，也會導致穹頂受力不均，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力膠帶固定在拱頂板的附加鋼板片上（見圖8），中部通過強力膠帶或鋼壓條壓穩(wěn)，下部呈自由端，升頂時會在內(nèi)罐風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、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)在儲罐臨時洞口的人員出入門也要進行專門的設(shè)計，進出雙門密封，保證氣密。

5.3 風壓和風量的計算

氣升頂前，需要進行升頂壓力的核算，計算需要的風量和風壓，配備符合能力的風機。首先要計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、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，習慣將后期吊頂上施工需要的材料、設(shè)備都同時升頂，這樣對氣升頂?shù)娘L壓和風量計算就要求非常全面和精確。

5.3.1 風壓的計算

上浮風壓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?，包含拱頂、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，升頂運行中存在一定的風壓損失，主要包括密封材料與外罐壁的摩擦和送風設(shè)備及管道的風壓損失等。

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

5.3.2 風量的計算

升頂所需風量Q，同樣需要考慮正常體積風量和損失風量：

式中：Q1——正常體積風量；Q2——升頂過程的損失風量。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計持續(xù)時間；

式中：n——經(jīng)驗系數(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儲罐升頂技術(shù)的研究和實施，國內(nèi)設(shè)計、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)計的儲罐尺寸、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)控和科學指揮系統(tǒng)、合理配備的風機、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 日本燃氣協(xié)會.LNG地上儲罐指南[S].JGA指-108-02,2002

3 日本燃氣協(xié)會.LNG地下儲罐指南[S].JGA指-107-02,2002

FTE682

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1672-9323（2012）05-0040-04

2012-08-13）