气顶升施工工艺在大型LNG储罐建设中的应用研究

摘 要：16×104 m3 LNG储罐是国际上LNG接收站存储系统常用的储罐结构型式，其制作方式一般采用气顶升工艺。文章介绍了气项升工艺的基本原理，对罐项气顶升工艺的关键技术，包括平衡导向系统、密封装置系统、供气系统、配重系统、罐顶固定装置等进行了详细介绍，并对该工艺顶升过程控制参数进行了计算分析，对类似大型LNG储罐罐顶气顶升工艺的设计及施工均有一定参考价值。

关键词：LNG接收站；储罐；气顶升；工艺；方案；计算分析

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）2-0032-06

作为一种清洁、高效的能源，LNG（Liquefied Natural Gas）受到越来越多的人青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，目前LNG产业的发展在中国也越来越受到重视且规划和实施了许多沿海LNG接收站项目，接收站储罐单台LNG容量一般为16×104 m3 LNG储罐穹顶气顶升施工为项目建设的关键节点和风险控制点，该施工工艺涉及因素多，施工难度高，安全风险大，但施工速度快，成本相对较低。为此，以广西液化天然气（LNG）项目接收站工程16×104 m3 LNG储罐穹顶气顶升为例，对该工艺基本原理和关键技术进行介绍和分析，以期对类似工程储罐穹顶气顶升提供有益的参考。

1 工程概况

广西LNG项目是中石化第一批引进海外LNG资源的大型项目，为满足广西自治区社会经济发展、能源结构调整以及环境保护的需要具有重要意义。该项目16×104 m3 LNG储罐罐顶总重量为790.61 t，外罐直径为82 m，罐壁为预应力混凝土结构，储罐罐顶提升高度为37 m，罐顶拱高约为10 m。如此大体积、大重量的钢结构要平稳上升37 m的高度具有相当大的技术难度，为确保在气顶升过程中罐顶拱不会发生倾覆，设置了平衡系统、密封系统、鼓风系统、固定系统、测量与监测系统。并需要对每个系统进行严密的计算和调试，使各系统协调配合才能成功实现顶升。LNG储罐穹顶气顶升考验的是施工单位整体组织、协调能力，以及对整体现场管控能力、后勤保障能力。需要施工单位现场所有职能部门的通力协作才能够顺利实施。

LNG储罐罐顶气顶升工艺的基本原理是：利用拱顶与外罐罐壁之间可形成相对密闭空间的特点，使用鼓风机向储罐拱顶以下的密闭空间源源不断地输入一定量的低压空气，使钢结构的罐顶在克服自重及与外罐罐壁之间摩擦力的情况下，按照预定路径平稳上升至设计高度，并实现与罐顶承压环连接的过程，气顶升工艺如图1所示。

2 穹顶气顶升工艺

穹顶气顶升工艺共有五大系统：平衡系统、密封系统、鼓风系统、固定系统、测量与监测系统。

2.1 平衡系统

2.1.1 平衡系统的组成

①底部锁架。在标高625 mm的位置，使用L75的等边角钢与底座连接，底座则使用M16×120的膨胀螺栓与混凝土地面连接，形成一个固定装置，见图2。

②钢丝绳托架。为避免平衡钢丝绳下沉，在罐中心安装一个平衡钢丝绳的托架，见图3；钢丝绳托架为等24边形，中心与罐中心重合，半径R=2.5 m；托架由24根立柱及24根横梁组成。

③T型架。在抗压环上安装24组T型架，见图4。

④导向轮。在钢板吊装轨道梁上安装24组导向轮（每组由2个型号为HQGK2-10的单滑轮组成），用于支撑钢丝绳，见图5。

⑤平衡钢丝绳。本次气顶升选用公称直径为φ18、型号为6×37+1，公称抗拉强度为1 670 MPa的纤维芯钢丝绳；每个T型架布置一根单独的钢丝绳，单根钢丝绳不得有接头、破损，单根钢丝绳不得小于127 m（即从T型架到底部锁具的长度）。

2.1.2 平衡系统的安装

①按照0?～180?和90?～270?定位线，用全站仪将定位线从罐底移到抗压环斜板上。

②T型架起始位置为7.52?，24个T型架沿罐周均布位置，T型架安装半径为R=40 566 mm，T型架沿抗压环斜板分布如图6所示。

③T型架的位置确定之后，安装焊接T型架到抗压环斜板上，吊耳板与抗压环斜向板的焊缝做100%PT。

④按平衡系统示意图所示，从顶部T型架的外端放下线坠，在蒙皮板上打上样冲，然后再蒙皮板开一个φ30×100的长圆孔，蒙皮板下方为厚度8 mm，100×300的橡胶板，使用密封胶将二者连接。

⑤安装位于轨道梁上（钢板吊轨）的导向轮。

⑥安装平衡钢丝绳，依次穿过第一个导向轮―钢丝绳托架―对面导向轮，最后固定到位于罐底的底部索架。

⑦首先拉紧四根相互垂直的钢丝绳，并张紧，然后依次张紧其余钢丝绳；钢丝绳全部固定完毕后将钢丝绳的初始拉力调整为9 kN（张拉时调整到14 kN，经钢丝绳12 h回弹至9 kN），在0?、90?、180?、270?位置分别安装1个拉力计，便于气顶升期间测量钢丝绳拉力。

⑧用于调节穹顶平衡的钢筋，应在穹顶接管完成后放置于计算好的位置上，见图7，另置备用钢筋在预顶升过程中进行二次调节。

2.2 密封系统

本次气顶升密封系统由镀锌钢丝网片和玻璃纤维布组成，每台罐共需152片；钢丝网与钢丝网搭接处使用不少于4个封箱钉连接（连接方式见图8），钢丝网片与玻璃纤维布之间先用封箱钉连接（连接方式见图9），最后蒙皮板与密封系统之间、玻璃纤维布与玻璃纤维布之间以及其它漏风处均使用密封胶带连接，然后用-150×4的扁钢压紧。

2.3 鼓风系统

鼓风系统包括大小门洞的封闭、太空舱的安装、风机和发电机的安装与调试、风道与泄风口的安装。

罐内密封系统及平衡系统配件全部制作完成后开始大小门洞封闭的预制与安装工作。

大门洞密封的预制及安装依照图10施工。

小门洞密封的预制及安装依照图11施工。

风机布置见图12。

①大小门洞的密封利用预先安装的罐壁预埋件，将厚度δ=12 mm的钢板焊接到预埋件上，之后在钢板外侧安装HW150型钢和-100×6的扁钢加固。

②太空舱在小门洞处安装进入罐内的检查通道（太空舱如图13所示），出入门采用内开的方式. 安全通道设两道门，用于平衡内开门压力，门缝处安装橡胶皮，尽量减少风量损失。

③风机安装调试。风机设置如表1，风机系统线路图如图14所示。

2.4 固定系统

2.4.1 临时固定件的分布

穹顶顶升到位后，在每条径向梁上焊接1个L型板（大刀板），每台罐共计96个；对蒙皮板与抗压环有间隙的部位，采用长楔子、千斤顶进行调整；固定穹顶用楔子、全部均布到抗压环上，以方便穹顶到位置后迅速进行固定与焊接。

2.4.2 穹顶固定组人员的分布

顶升前在抗压环上按区域用记号笔划分好24组焊工和铆工的位置，见图15，施工人员明确自己的站位。

2.4.3 穹顶板固定

①穹顶顶升到距离罐壁还有10 m时，固定组人员开始陆续分批上罐，每批人员不得超过6人，到达指定位置后再次检查固定所使用的工机具情况，待穹顶板与抗压环顶板接触后，开始通过提前焊接在径向梁上的L型板，穿楔子固定并压紧。

②在压紧后焊工开始焊接，以径向梁为中心，两侧至少焊接500 mm。焊缝必须焊接两层，焊角高度不得小于6 mm。

③若蒙皮板与抗压环接触不均匀，间隙过大的地方，可用长楔子、千斤顶进行组装，目的是尽量减小组装的缝隙。

④均布完成焊缝总长度约120 m，开始调节风机入口阀门，降低送风量，使罐内压力达到151 mm水柱，完成剩余焊缝的焊接。

⑤L型板在罐内的抗压环立板与96根径向梁焊接完成后再拆除，径向梁上固定板切除后的点同样需要进行真空箱检测，以保证钢穹顶的气密性。

2.5 测量与监测系统

2.5.1 压力测量与监测

安装两台“U型管”压力计，一台安装在指挥现场（罐顶），另一台安装在风机操作现场，便于指挥及风机组长观察压力，根据测量数据调整风量。

2.5.2 水平度测量与监测

在罐顶0?、90?、180?、270?四个位置安排4个测量人员使用50 m盘尺（提前将盘尺的一端固定在穹顶边缘上）测量气顶升过程中罐顶的上升高度。

标记参照线：提前在抗压环顶板上表面及穹顶蒙皮板上划出0?、90?、180?、270?基准线，并在穹顶蒙皮板上以到罐中心半径40 376 mm划出抗压环斜板边缘在蒙皮板上投影，作为后期检查穹顶板与抗压环顶板的重叠尺寸。

3 罐顶气升计算

3.1 罐顶气升时的重量计算

罐顶气升时的重量包括所有随罐顶气升的结构件及临时构件的重量之和，以G来表示，见表2（重量均来自设计储罐图纸）。

3.2 罐顶气升平衡计算

储罐罐顶为球冠结构，在储罐混凝土墙内侧距罐内地面约6.87 m高处进行组装，整个罐顶组装焊接成整体后，在靠近外墙的罐顶边缘部位安装密封装置，使罐顶和外墙形成一个柔性的、可滑动的密封空间，采用鼓风机向该密封空间内充入压缩空气，利用压缩空气的提升力将罐顶托起，到达混凝土顶部的承压环位置，完成组对焊接。

在罐顶气升时，整个罐顶在水平面上的投影受到气体向上的推力，当推力等于罐顶重量时，所需的气体压力P由式（1）计算：

P=g×G/S=4 gG/πD2（1）

式中：

P为空气压力与罐顶重量相等时的平衡点压力，表压，Pa；

g为力学常数，9.8 N/kg；

G为罐顶重量，kg，G=790 610 kg；

S为气升时罐顶受力面积，m2；

S为πD2/4；

D为混凝土罐壁内径，D=82 m；

通过计算，P=g×G/S=4gG/πD2=9.8×790 610/（3.14×822）=1 468 Pa。

1 Pa=10.2×10-5 mH2O=0.102 mmH2O。

1 468 Pa=150 mmH2O。

在气升过程中，由于罐顶柔性密封和混凝土罐壁间的摩擦产生的滑动摩擦力的影响，实际气升压力P'≈160 mmH2O=1 568 Pa。

为此气顶升期间计算的压力设定为160～180 mmH2O（U型水柱）。

保持压力直到穹顶升到最高；在穹顶贴紧抗压环后，保证压力维持在160 mmH2O以下，极限压力不得大于250 mmH2O。

3.3 罐顶气升气体流量计算

在气体压力达到P'后，罐顶开始向上升起，假定P'保持不变，则柔性密封与混凝土外墙间的正压力不变，则滑动摩擦力不变，罐顶处于一个匀速滑动的状态，此时整个系统处于动态的平衡，所需气体流量Q按式（2）计算：

Q=V（P0+P'）/P0（2）

式中：

Q为标准大气压下的气体流量，m3/h；

V为罐顶与混凝土所形成的密闭空间在单位时间内的体积增加量，m3/h，按气升过程用时t=3.5 h来考虑；

V=hπD2/4t=37.015×3.14×8 282/（4×3.5）=55 822 m3/h；

P0为标准大气压，P0=1.01×105Pa。

经计算，Q=V（P0+P'）/P0=55 822（1.01×105+0.1568×105）/1.01×105=64 488.2 m3/h

考虑柔性密封及其它部位的泄漏量，取1.3倍的系数，则气升时所需实际气体流量Q0=1.3Q=83 835 m3/h。

为此，整个气顶升过程中，以发电机为主电源进行，同时3台风机接入现场施工用电网。所使用的转换开关具备自动切换的功能；此举是为避免发电机意外停止工作带来的影响。

发电机及鼓风机选用：

发电机选用参数：功率为300 kW。

选用鼓风机的参数如下：

流量：97 472～56 877 m3/h；

全压：2 279～3 617 Pa，（22.79～36.17 cmH2O）；

转数：990 rad/min；

功率：90 kW。

3.4 平衡系统工作原理

中心对称平衡原理为：整个罐顶气升时处于漂浮状态，没有任何的固定支点，因此，必须保证所有构件在平面投影上重量分布对于罐顶中心的力矩平衡和重量平衡。罐顶重量的组成中，穹顶及铝吊顶本身就是中心对称和轴对称的，不予考虑，但铝吊顶通道及人孔、罐顶穿透管不是中心对称的，且在气升时已安装完，位置无法改变，因此，利用钢筋束放置在穹顶上表面作为铝吊顶通道及人孔、罐顶穿透管的配重是最佳选择。

该平衡系统的钢丝绳上涂脂，进行预拉伸后，两端用固定锚栓、内罐锚带进行固定，用锁紧锚栓锁紧。平衡系统工作时，对两种情况起到校正作用：一是罐顶向某一方向倾斜，该方向上的平衡系统钢丝绳将被拉长，产生的反作用力将对倾斜进行校正；二是罐顶在水平方向上的转动，则所有钢丝绳将被拉长，产生的反作用力将对转动进行校正。

3.5 气顶升参数

由以上计算可得，该项目气顶升参数如表3所示。

4 HSE管理

①严格执行项目安全管理程序。

②所有参加气顶升人员必须参加技术交底培训，熟悉气顶升注意事项，明确岗位职责。

③所有上罐顶操作人员必须系挂安全带，穿戴工作服、安全帽、安全鞋、安全防护眼镜、防护面罩、防护手套。

④严格控制进罐人数，各单位提前上报需进罐人数并发准入证，在小门洞位置设置门卫，严格登记进出，防止密闭空间出现危险。

⑤严格控制上罐人员，并对上罐人员指定位置，不得集中围观、随意走动。顶层DOKA模板承重不得超过750 kg，人员站位、工装放置要合理布局。

⑥铝吊顶边缘用钢丝绳维护，铝吊顶开孔使用架杆等硬维护，放置人员坠落。

⑦穹顶抗压环使用钢丝绳维护，防止人员坠落。

⑧应急配电。使用柴油发电机组及市电双路保险。

⑨平衡应急。在塔吊位置各放置一捆钢筋，塔吊人员随时保持通畅联络，一旦出现偏重现象，立即将钢筋放置到钢穹顶上。平衡系统的受力为穹顶的最大倾斜≤200 mm。当倾斜≥80 mm时，需要进行调节。

⑩顶升过程中，电工随时监控供电情况，若顶升不超过5 m时市电突然停电，风机组减少送风量，将穹顶缓慢回落至边缘立柱上，停止顶升。若顶升超过5 m以上时，则顶升继续，应急小组组长随时准备应急命令。

11若顶升不超过5 m时市电突然停电，且柴油发电机及风机有一台至两台突然停转，则风机组减少送风量，将穹顶缓慢回落至边缘立柱上，停止顶升。若顶升超过5 m以上时，则顶升继续，应急小组组长随时准备应急命令。

12顶升过程中，所有电源全部停电，则应急组关闭所有出风口闸板，人员依次撤离，保持罐内压力，通过罐内压力让穹顶处于平衡状态或缓慢回落，此时穹顶将缓慢回落至边缘立柱上。

5 结 语

以广西LNG项目为例，对16×104 m3LNG储罐罐顶气顶升工艺系统进行了全面介绍和研究，并对该工艺气顶升平衡和供气装置进行了计算分析，并较准确地确定了气顶升工艺参数，实践证明相关计算分析与实际情况基本吻合，效果良好，对大型LNG储罐气顶升工艺设计及施工均具有一定参考价值。

参考文献：

[1] 王冰，陈学东，王国平.大型低温LNG储罐设计与建造技术的新进展[J].天然气工业，2010，（5）：108-112.

[2] 张成伟，洪宁，吕国锋.16万m3LNG储罐罐顶气顶升工艺研究[J].石油工程建设，2010，（2）：32-36.

[3] SH/T 3537-2002，立式圆筒型低温储罐施工技术规程[S].

[4] GB 50128-2005，立式圆筒型钢制焊接储罐施工及验收规范[S].

[5] 顾安忠.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2004.