上海天然氣管網(wǎng)有限公司　沈艷俐

10萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升技術(shù)措施及控制淺析

上海天然氣管網(wǎng)有限公司沈艷俐

10萬(wàn)m3液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐預(yù)制的罐頂升至安裝高度的方式采用氣升法。介紹了罐頂氣升的原理和工藝流程，分析了該方法在實(shí)施過程中主要的技術(shù)措施，以及為確保罐頂氣升所實(shí)施的質(zhì)量控制和安全舉措。

LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升壓縮環(huán)質(zhì)量和安全控制

0　前言

上海五號(hào)溝LNG站擴(kuò)建二期工程主要包含2座10萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐及相應(yīng)的氣化、灌裝、調(diào)壓計(jì)量等配套設(shè)施。擴(kuò)建后，五號(hào)溝LNG站LNG存儲(chǔ)能力將由原來(lái)的12萬(wàn)m3增至32萬(wàn)m3，顯著提高了上海天然氣安全保障和應(yīng)急調(diào)峰能力。本次擴(kuò)建工程的2座LNG儲(chǔ)罐為全包容式LNG儲(chǔ)罐，外罐為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，罐壁外徑D70 800 mm，罐壁高度35.870 m，內(nèi)罐為06Ni9材質(zhì)，內(nèi)罐直徑D67 500 mm；內(nèi)、外罐間通過16MnDR襯板和拱頂焊接形成密封空間。拱頂在LNG儲(chǔ)罐承臺(tái)上預(yù)制，待完成后吹升至設(shè)計(jì)高度，與壓縮環(huán)焊接固定。罐頂?shù)臍馍荓NG儲(chǔ)罐外部結(jié)構(gòu)封頂?shù)闹匾?jié)點(diǎn)，也是LNG儲(chǔ)罐安裝施工的技術(shù)難點(diǎn)。

1　LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升工藝介紹

本工程10萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐罐頂直徑D69 214，由H340×250×8×12和H340×170×6×9焊接H型鋼組成鋼結(jié)構(gòu)骨架，材質(zhì)為Q345R。拱頂下安裝鋁合金吊頂，罐頂總重量約511.480 t。LNG儲(chǔ)罐罐頂安裝高度為35.870 m，擬采用氣升法施工。其運(yùn)用密封容器和柔性鋼索實(shí)現(xiàn)平衡，設(shè)置密封裝置和平衡裝置，采用鼓風(fēng)機(jī)吹升罐頂，利用罐頂內(nèi)外壓力差使其升高至安裝位置，見圖1。

圖1　LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升示意

本工藝的主要流程為：當(dāng)混凝土罐壁澆注到14.4 m高度時(shí)，在罐內(nèi)底部承臺(tái)上將罐頂鋼結(jié)構(gòu)、鋁合金吊平頂、罐頂接管以及配套設(shè)施等組裝成一體。在混凝土外罐壁澆注到設(shè)計(jì)高度35.870 m后，用鼓風(fēng)機(jī)將預(yù)先組裝成一體的罐頂氣升到外罐內(nèi)壁頂部，與預(yù)埋在混凝土罐壁頂部?jī)?nèi)的鋼制壓縮環(huán)焊接固定

罐頂結(jié)構(gòu)焊接完成及真空試驗(yàn)合格，鋁合金吊頂結(jié)構(gòu)安裝并驗(yàn)收，罐拱頂與抗壓環(huán)連接板平臺(tái)完成，混凝土罐底排水孔封閉等步驟被視為罐頂氣升施工準(zhǔn)備工作。待施工準(zhǔn)備完成后，進(jìn)行罐頂氣升主要設(shè)施安裝，分別為進(jìn)風(fēng)裝置、平衡裝置、密封裝置以及定位裝置。主要設(shè)施安裝完成后，根據(jù)檢查清單組織各方進(jìn)行停止點(diǎn)檢查；待查出的問題整改后，進(jìn)行罐頂模擬氣升，主要用以測(cè)試氣升設(shè)備整體運(yùn)行情況、調(diào)整罐頂平衡配重以及模擬組織體系運(yùn)作協(xié)調(diào)。隨后LNG儲(chǔ)罐罐頂復(fù)位，各系統(tǒng)檢查，為罐頂氣升做好準(zhǔn)備。待罐頂氣升至安裝位置后，罐頂焊工立即進(jìn)行罐頂與壓縮環(huán)焊接，焊接完成后儲(chǔ)罐罐頂氣升過程視為結(jié)束。主要技術(shù)措施和質(zhì)量、安全控制流程如圖2所示。

圖2　LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升流程

2　罐頂氣升主要技術(shù)措施

2.1罐頂氣升總質(zhì)量驗(yàn)算

罐頂各部分重量組成見表1。

表1　罐頂各部分重量組成

由表1可知，單座10萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐罐頂各部分總重量約511.480 t，罐頂氣升總重量在此基礎(chǔ)上取1.1倍安全系數(shù)，即：罐頂氣升總重量=511.480×1.1=562.628 t

罐頂氣升總重量將影響LNG儲(chǔ)罐氣升空壓機(jī)選型以及氣升前罐頂混凝土環(huán)梁需達(dá)到的強(qiáng)度。

2.2進(jìn)風(fēng)裝置

進(jìn)風(fēng)裝置，主要為3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，安裝在混凝土外罐洞口邊搭設(shè)的鋼平臺(tái)上。如圖3所示。

圖3　鼓風(fēng)機(jī)平面布置示意

2.2.1罐頂氣升鼓風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

根據(jù)LNG儲(chǔ)罐面積、體積、罐頂高度、重量，氣升設(shè)施重量等計(jì)算罐頂氣升所需風(fēng)量Q，從而選取適合本次LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升鼓風(fēng)機(jī)型號(hào)，這是安裝進(jìn)風(fēng)裝置前非常重要的準(zhǔn)備工作。

(1)氣升最小風(fēng)壓(pmin)計(jì)算：

式中：A1——內(nèi)罐截面積，m2；

A2——密封裝置與內(nèi)罐摩擦部位面積，m2；

f——密封裝置與罐壁間摩擦系數(shù)；

g——重力加速度取9.8 m/s2；

k——不均衡系數(shù)；

m1——罐頂重量，kg；

m2——頂升工裝措施重量，kg。代入具體數(shù)值計(jì)算得：pmin≈1 549 Pa (2)頂氣升所需風(fēng)量(Q)計(jì)算：

式中：h——罐頂拱高，m；

h1——?dú)馍肮揄斶吘壘嚯x罐底高度，m；

r——罐頂半徑，m；

H——?dú)馍蠊揄斶吘壘嚯x罐頂設(shè)計(jì)高度，m；

p0——大氣壓力，Pa；

k2——泄漏系數(shù)；

t——?dú)馍钑r(shí)間。

代入數(shù)值：h=9.30 m、h1=2.512 m、r=34.607 m、H=35.870 m、p0=101 325 Pa、k2=1.3和t=2.5 h，計(jì)算得：V1≈12 928 m3、V2≈9 447 m3、V0=22 375 m3、V≈125 447 m3、p=102 874 Pa、Q≈66 405 m3/h。

根據(jù)LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升所需風(fēng)量，選取鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)品型號(hào)為ZGF/1400D，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q=56 000 m3/h，采用2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)同時(shí)進(jìn)行送風(fēng)；鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓p=4 430 Pa，額定功率110 kW，能夠滿足10萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升所需。

2.2.2進(jìn)風(fēng)裝置調(diào)試要點(diǎn)

LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升時(shí)2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)同時(shí)送風(fēng)，采用2臺(tái)200 kW柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電。另1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)由LNG站市政電網(wǎng)供電，該臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)作為備用，以防柴油發(fā)電機(jī)供電的鼓風(fēng)機(jī)在罐頂氣升過程中

2.3平衡裝置

平衡裝置主要由平衡索、導(dǎo)向滑輪組、頂部支撐架和錨點(diǎn)四大部分組成。根據(jù)《重要用途鋼絲繩》(GB 8918—2006)平衡索采用6×25Fi+1WR(金屬絲繩芯)D16鋼絲繩。鋼絲繩受力分析情況如下：

初預(yù)緊力為8 kN，最大預(yù)緊力為50 kN；在罐頂氣升過程中，出現(xiàn)的極端罐頂傾斜為200 mm時(shí)，即罐頂邊緣最大高度差為200 mm的情況，如圖4示意，此時(shí)考慮到平衡索結(jié)構(gòu)，鋼絲繩按最大伸長(zhǎng)量100 mm進(jìn)行計(jì)算分析。發(fā)生機(jī)械故障。在罐頂氣升前鼓風(fēng)機(jī)分別進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，需特別注意風(fēng)機(jī)是否反轉(zhuǎn)；且3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)需進(jìn)行切換測(cè)試，確保氣升過程中送風(fēng)正常。

圖4　氣升過程極端罐頂傾斜示意

鋼絲繩受力增量計(jì)算如下：

A——鋼絲繩橫截面積，mm2；

E——鋼絲繩彈性模量，MPa；

l

——鋼絲繩初始長(zhǎng)度，mm；

代入具體數(shù)值：A=117.8 mm2、E=188 000 MPa、 l=106 000 mm和Δl =100 mm計(jì)算得ΔF≈20.9 kN。

在極端情況下，鋼絲繩總受力20.9+50=70.9 kN，小于GB 8918—2006規(guī)范中6×25Fi+1WR(1570 MPa級(jí)別)鋼絲繩最小破斷拉力143 kN規(guī)定，符合罐頂氣升要求。

平衡裝置共安裝32組，每一組的滑輪組支架安裝在罐頂徑向主櫞的側(cè)邊頂板下方且在同一個(gè)截面內(nèi)，利用推平行線法實(shí)現(xiàn)平衡目的。該32組平衡裝置在氣升過程中既保持了罐頂上升的平衡，又作為罐頂上升的導(dǎo)向裝置，使罐頂在x-y平面內(nèi)位置不變，確保罐頂上預(yù)留的套管、接管位置在氣升完成后不變化，從而保證后續(xù)施工中LNG儲(chǔ)罐套管、接管與設(shè)計(jì)的工藝管道正常連接。

此外，為確保LNG儲(chǔ)罐罐頂順利氣升，預(yù)先確定罐頂重心位置也是一項(xiàng)重要的工作。由于罐頂氣升前已完成套管、接管焊接，因此需根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)罐頂進(jìn)行大致的重心偏離計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的配重，并在罐頂模擬氣升過程中進(jìn)行微調(diào)。

根據(jù)重心偏離計(jì)算結(jié)果，罐頂在344.76°角度R=32 000位置上需增加1.061 t，24.76°角度R=32 000位置上需要增加1.046 t，324.76°角度R=32 000位置上需要增加1.503 t，44.76°角度R=3 2000位置上需要增加1.512 t的配重。這些配重采用移動(dòng)環(huán)形鋼軌上的3臺(tái)電動(dòng)葫蘆位置和放置在鋁吊頂上工裝材料位置來(lái)調(diào)節(jié)罐頂重量平衡，保持氣升時(shí)罐頂?shù)钠胶狻?.4密封裝置

密封裝置由鋼板密封環(huán)、1 mm鍍鋅鐵皮以及0.4 mm鋁箔玻璃布組成(見圖5)。主要作用是在LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升中連接罐頂鋼結(jié)構(gòu)和混凝土外罐，使LNG儲(chǔ)罐保持罐頂氣升壓力，從而確保罐頂氣升安全。

圖5　密封裝置示意

在罐頂板邊緣處安裝一圈鋼板密封環(huán)，鋼板密封環(huán)采用鋼板與罐頂邊板邊緣分段焊接固定。根據(jù)以往LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升經(jīng)驗(yàn)，本次采用鍍鋅鐵皮組成一圈密封板，用螺栓連接固定在鋼板密封環(huán)上。鍍鋅鐵皮因其不易變形的特點(diǎn)，取代了以往的帆布密封，在氣升過程中可避免出現(xiàn)吹翻、漏氣等不安全因素。鋁箔玻璃布用螺栓固定于鍍鋅鐵皮上，進(jìn)一步起到密封的作用。

2.5定位裝置

定位裝置分為A型和B型兩種結(jié)構(gòu)。A型采用δ=16 mm鋼板制成固定件和鋼斜鍥固定，用于拱架鋼骨頂板上位置。罐頂氣升前，A型門形板焊接在罐頂圓周安裝位置上固定，門形板必須垂直安裝于拱架鋼骨頂板上。

B型采用δ=20 mm鋼板制成固定件和鋼斜鍥臨時(shí)固定，用于拱架鋼骨以外頂板上位置。B型裝置在罐頂氣升到位，A型定位裝置基本固定后再進(jìn)行安裝；因此，要求預(yù)先位于罐頂?shù)淖鳂I(yè)人員配合度較高，待B型裝置安裝完成后，焊接作業(yè)人員立即開始拱頂鋼結(jié)構(gòu)和承壓環(huán)的定位點(diǎn)焊，以固定儲(chǔ)罐罐頂。

3　LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升質(zhì)量和安全控制

3.1停止點(diǎn)檢查

對(duì)LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升準(zhǔn)備工作采用停止點(diǎn)檢查，由業(yè)主、監(jiān)理、施工單位和業(yè)主項(xiàng)目顧問共同參與，其主要的目的是為了發(fā)現(xiàn)施工不到位之處，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，以減少損失；根據(jù)停止點(diǎn)檢查結(jié)果，完善技術(shù)和安全交底內(nèi)容，以便專業(yè)技術(shù)人員向施工班組做好全面的儲(chǔ)罐罐頂氣升交底工作。

停止點(diǎn)檢查的主要內(nèi)容有：

(1)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作質(zhì)量是否符合要求；

(2)各類機(jī)具就位及運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，配套設(shè)施是否跟上；

(3)混凝土外罐內(nèi)壁是否光滑，抗壓環(huán)安裝尺寸是否準(zhǔn)確；

(4)環(huán)形鋼軌是否與罐頂周邊支撐有安全距離，對(duì)氣升有無(wú)影響；

(5)安全措施是否落實(shí)，安裝基準(zhǔn)線是否清晰；

(6)工夾具準(zhǔn)備情況，測(cè)量手段，監(jiān)控措施落實(shí)情況；

(7)罐頂外側(cè)防護(hù)欄桿是否堅(jiān)固。

3.2檢查清單(Check List)

本次10萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升作業(yè)借鑒國(guó)外施工質(zhì)量、安全管理模式，在罐頂模擬氣升前采用檢查清單(Check List)的形式；由監(jiān)理牽頭，業(yè)主、業(yè)主項(xiàng)目顧問及施工單位共同參與，逐項(xiàng)核對(duì)檢查清單內(nèi)容完成情況。如在檢查中發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)未完成或未達(dá)標(biāo)，限定日期進(jìn)行整改后再次復(fù)查，直到檢查清單所有內(nèi)容符合要求為止。

根據(jù)本次LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升特點(diǎn)，檢查清單共計(jì)34項(xiàng)內(nèi)容，見圖6。

圖6　罐頂氣升前檢查清單示意

3.3現(xiàn)場(chǎng)人員布置及危險(xiǎn)源辨識(shí)

LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升工作除了施工準(zhǔn)備充分外，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指揮以及作業(yè)人員間的協(xié)調(diào)配合提出很高的要求。在過程中，氣升的高度、速度，現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、各類緊急情況，罐頂是否出現(xiàn)超出允許范圍的傾斜，鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，罐頂氣升到位后作業(yè)人員的焊接配合等都將決定整個(gè)氣升工作的成敗。因此，在罐頂氣升準(zhǔn)備階段，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行細(xì)致的施工組織部署，在方案中仔細(xì)考慮并羅列可能出現(xiàn)的緊急情況、危險(xiǎn)源以及對(duì)應(yīng)的預(yù)防控制措施。本次LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升施工組織部署見圖7。

圖7　罐頂氣升施工組織

罐頂氣升危險(xiǎn)源辨識(shí)及控制措施見表2。

表2　罐頂氣升危險(xiǎn)源辨識(shí)及控制措施

3.4罐頂模擬氣升

為了檢查和調(diào)節(jié)LNG儲(chǔ)罐罐頂平衡狀態(tài)，微調(diào)平衡配重；檢查并測(cè)試各裝置的安全性能，以免發(fā)生意外；檢查、檢測(cè)風(fēng)道管軟接頭的可靠性和外部條件是否成熟；檢查施工組織以及各小組間配合有無(wú)漏洞；讀取和掌握罐頂氣升時(shí)U型水壓計(jì)中的壓力數(shù)據(jù)；在LNG儲(chǔ)罐罐頂正式氣升前，基于各單體及現(xiàn)場(chǎng)小組準(zhǔn)備成熟前提下，對(duì)罐頂進(jìn)行模擬氣升。

罐頂模擬氣升主要內(nèi)容為：

(1)鼓風(fēng)機(jī)共安裝3臺(tái)，其中2臺(tái)由柴油發(fā)電機(jī)供電的鼓風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行使用，另1臺(tái)由電網(wǎng)供電的備用鼓風(fēng)機(jī)也同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)供電的鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)電網(wǎng)供電的備用鼓風(fēng)機(jī)立即能投入使用。

(2)檢查門洞位置的通道，用于氣升初始階段人員能安全地進(jìn)出罐內(nèi)進(jìn)行檢查及搶險(xiǎn)工作。

(3)檢查罐頂位置的通道，在氣升過程中專用于罐頂人員，使其能安全地進(jìn)入罐內(nèi)進(jìn)行搶險(xiǎn)工作。

(4)LNG儲(chǔ)罐罐頂緩慢上升至離原來(lái)位置300～500 mm高度時(shí)，停止氣升，罐頂保持懸浮狀態(tài)，檢查罐頂平衡狀況，通過調(diào)整物件重量分配來(lái)調(diào)節(jié)罐頂平衡。必要時(shí)可用吊機(jī)把其他平衡配重吊放至罐頂，通過吊放在罐頂?shù)钠胶馀渲夭贾脕?lái)調(diào)整罐頂平衡狀態(tài)。

(5)經(jīng)過模擬氣升得到U型水壓計(jì)壓力以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，為正式氣升取得經(jīng)驗(yàn)。

(6)罐頂模擬氣升結(jié)束，罐頂恢復(fù)到原來(lái)位置，為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐罐頂正式氣升創(chuàng)造條件。

4　結(jié)語(yǔ)

五號(hào)溝LNG站擴(kuò)建二期工程2座10萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐分別于2015年9月28日和10月26日順利完成罐頂氣升。

LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升需要進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，研究罐頂氣升的相關(guān)技術(shù)措施，計(jì)算并驗(yàn)算罐頂重量、氣升最小壓力、氣升所需風(fēng)量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，明確各部分裝置實(shí)施內(nèi)容及調(diào)試要點(diǎn)等。由于本工程為五號(hào)溝LNG站第二次擴(kuò)建，10萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升工作吸取了以往罐頂氣升作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)；在質(zhì)量和安全控制過程中借鑒并采用了國(guó)外項(xiàng)目的管理方法。在LNG儲(chǔ)罐罐頂正式氣升前進(jìn)行模擬氣升，進(jìn)一步完善施工和檢查，取得氣升數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)人員配置，預(yù)判氣升中可能遇到的緊急情況。可以說，LNG儲(chǔ)罐罐頂氣升是一項(xiàng)細(xì)致且繁雜的工作，只有在精心且充分的準(zhǔn)備下，才能確保罐頂氣升的順利進(jìn)行，完成LNG儲(chǔ)罐施工過程中一項(xiàng)重要的里程碑。

Brief Discussion on Technical Measures and Control of the 100 000m3LNG Tank Roof Lifting

Shanghai Natural Gas Pipeline and Network Co., Ltd.Shen Yanli

Air lifting method is used to lift the prefabricated tank roof of 100000m3liquid natural gas (LNG) tank to the installation height. This paper introduces the principle and technological process of tank roof lifting. It analyzes the major technical measures, quality control and safety measures of the tank roof air lifting method.