16万m3LNG储罐罐顶气顶升工艺研究

张成伟，洪 宁，吕国锋

（中石油江苏液化天然气有限公司，江苏南通 226400）

16万m3LNG储罐罐顶气顶升工艺研究

张成伟，洪 宁，吕国锋

（中石油江苏液化天然气有限公司，江苏南通 226400）

16万m3LNG全容式储罐目前是国内、国际上LNG接收站存储系统常用的储罐结构型式。其中罐顶的气顶升工序是储罐施工的难点之一，安全风险高。文章论述了16万m3全容式LNG储罐罐顶气顶升的工艺原理、顶升方案的设计方法及操作要点，介绍了罐顶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，并对罐顶气顶升的主要步骤进行了说明。

LNG储罐；罐顶；气顶升工艺

0 引言

16万m3LNG全容式储罐罐顶通常由拱顶钢结构、吊顶结构、罐顶配管附件等几部分构成。罐顶气顶升工艺的基本原理：利用拱顶与外罐混凝土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内源源不断地输送一定量的低压空气，使罐顶钢结构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。

气顶升工艺系统主要包括：平衡导向系统、密封装置系统、供气系统、配重系统、罐顶固定装置等几个部分。16万m3LNG全容式储罐罐顶总质量一般约为600～700 t，直径80 m左右，罐顶拱高约为10 m。如此大体积、大质量的钢结构平稳上升36 m左右的高度具有相当的技术难度，需要对每个系统进行严密的计算、调试及相互配合才能成功实现。

1 气顶升方案设计

1.1 平衡导向系统

平衡导向系统 （简称平衡装置）主要由顶部锚固件、底部锚固件、中间导向滑轮组及钢丝绳拉索等几部分组成。其平衡钢丝绳组数由罐顶钢结构径向梁的数量决定，一般不低于24组，沿储罐圆周等分均布。每一组平衡装置必须处于同一竖直平面上。平衡装置因底部锚固方式不同，有底部边缘对称锚固及底部中心锚固两种。

1.1.1 底部边缘对称锚固平衡装置

平衡装置的顶部锚固件可以是T型支架或A型支架。仅以T型支架为例，每组平衡钢丝绳由顶部支架开始，一端固定在外罐罐壁 （PC墙）承压环的外侧，通过花篮螺栓联结调节钢丝绳的张力，另一端绕过T型支架竖直向下穿过罐顶板，通过固定在拱顶钢结构径向梁一侧的第一个导向滑轮，引向对称方向的第二个导向滑轮，然后向下固定于底部锚固件上（见图1）。

底部边缘对称锚固平衡装置的相互对称的两组平衡钢丝绳共同作用，将罐顶钢结构的运动方向锁定在平衡钢丝绳向上平移的路径中，从而使罐顶处于水平状态达到平衡效果。我们称这种平衡工艺为底部边缘对称锚固平行线平衡法。

1.1.2 底部中心锚固平衡装置

与底部边缘对称锚固不同的是每组平衡钢丝绳在绕过T型支架竖直向下后不是穿过罐顶板，而是经过固定在拱顶钢结构径向梁上的转向滑轮改变方向，沿着两组导向滑轮引向位于罐顶顶部的中心滑轮组，再次改变方向向下穿过罐顶板引至并固定于底部中心锚固件上，锚固件预埋在承台中心（见图2）。

底部中心锚固平衡装置的每组平衡钢丝绳并不完全依赖对称方向的平衡钢丝绳共同作用。通过钢丝绳的张力和滑轮组锁定的行走方向，限制罐顶的运动路径，多组平衡钢丝绳的共同作用使罐顶被锁定在水平状态下平稳上升。所以我们称这种平衡工艺为底部中心锚固限位平衡法。

1.1.3 平衡导向系统的安装要点

（1）钢丝绳的选取要在经过钢丝绳的受力计算后确定，钢丝绳总的受力F：

式中F——钢丝绳总的受力；

Fmax——最大预紧力；

ΔF——罐顶出现最大允许倾斜时钢丝绳延展受力增量。

（2）有4组带有张力计的平衡钢丝绳均匀分布，初始预紧力必须相同，并且在顶升过程中时刻监测拉力计的度数。使用同一张力计检查所有平衡钢丝绳的预紧张力，提起相同高度，读数相同。

（3）检查平衡钢丝绳锁定的运动轨迹，任何部位不得有部件阻挡。并确保每个转向滑轮、导向滑轮与钢丝绳的配合通畅，防止脱道。

（4）钢丝绳的绳头必须用4个钢丝绳夹扣固定，逐个检查每个卡扣的安装方向、间距、紧固螺栓扭力。

1.2 密封装置系统

1.2.1 罐顶气顶升的密封

气顶升的密封工作主要包括：拱顶边缘与PC墙之间的密封、施工门洞的密封、所有罐顶开孔的密封、排水孔的密封和PC墙体施工孔洞的密封。密封装置系统主要指拱顶钢结构边缘与PC墙之间的密封结构 （见图3）。

首先在拱顶板边缘一周安装密封板固定圈。密封板与固定圈用螺栓联结，密封板材料要求具有一定的强度及弹性，可紧贴PC墙内壁滑动且不会被吹翻。一般采用镀锌铁皮作为密封板材料。密封板内衬密封材料，要求不透气、防火及耐磨。密封装置的所有接缝必须紧密粘接。

1.2.2 密封装置的安装要点

（1）密封板及密封材料如果在同一工程中被首次使用，必须对密封装置做强度试验。试验的目的是保证在最不利的情况下密封板不会被罐内的气压掀翻。最不利的情况需要考虑：罐内可能出现最大气压时密封板所承受的压力；密封板与PC墙之间可能出现的最大间隙；罐顶发生倾斜时密封板与PC墙之间的最大夹角。

（2）密封装置应在PC墙内壁修补完成后安装，以避免杂物损伤密封面。PC的修补包括表面平整处理，各类毛刺、异物的清理及空洞的修补。

（3）密封装置的安装要确保每个接缝有足够的搭接宽度并且粘接牢固，密封面没有破损缺陷及漏气点。

（4）密封装置的所有材料必须防火，否则在罐顶与承压环的焊接过程中一旦点燃密封装置，可能引发安全事故。

1.3 供气系统

供气系统是储罐顶升的动力系统，也是气顶升工作的关键。供气系统的设计要完成升顶风压、风量的确定；风机选型；供电系统、风道、风压调节及测量装置的设计等。

1.3.1 升顶风压的确定

理论上只要罐顶受到的空气浮力与它的自重形成一对平衡力，罐顶便可平稳上升，所以理想状态下顶升风压为罐顶自重与罐内空间水平横截面积之比。但实际中由于存在风量损失、罐顶与PC墙之间的摩擦力等附加因素，升顶压力的计算必须考虑附加系数。

式中P升——升顶风压/Pa；

P平——平衡风压/Pa；

K1——风压附加系数；一般取1.1～1.3；G——顶升最大重力/N；

S——罐内空间水平横截面积/m2。

1.3.2 风量计算

风量指储罐罐顶在升顶风压的作用下，升顶至预定高度所需要的总进风量Q。根据气体方程，假设温度一定时，则PV=恒量，即有：

式中Q——进风量/m3；

V——顶升后储罐内总容积/m3；

P0——标准大气压/Pa；

V0——顶升前罐顶内的初始容积/m3。

考虑到升顶过程中的风量损失，计算进风量Q时需要加上一个调整系数K2，即风量的计算式为：

1.3.3 风机选型及布置

升顶速率一般为200～300 mm/min，根据前面的计算结果，可以得出进风速率及完成顶升行程需要的总时间。由这些参数即可确定风机的参数，从而对风机进行选型。

风机选型及布置一般遵循大风量、大风机或小风量、多风机两种设计原则。

（1）大风量、大风机一般布置3台鼓风机，其中一台作为主吹风机，一台作为辅吹风机，另一台备用。主吹风机提供70%～80%的风量，备用风机作为出现故障时的应急措施。

（2）小风量、多风机一般布置5～10台鼓风机。采取3用2备 （5台），4用3备 （7台），5用5备 （10台）的应急保障方案。

（3）两种设计方案均可实现储罐罐顶的顺利顶升，且在国内外的LNG储罐施工中均有成功案例。例如国内福建LNG采用小风量、多风机的设计方案；而广东大鹏LNG、上海LNG、江苏LNG及大连LNG均采用 “大风量、大风机”的设计方案。在江苏LNG项目的T1201储罐施工中，成功实现了仅用110 min完成顶升工作，顶升速率突破330 mm/min。风机选型及布置原则比较见表1。

表1 风机选型及布置原则比较

虽然大风量、大风机的设计方案已在国内的LNG储罐施工中得到广泛的应用，但要考虑到主吹风机一旦出现故障停止供气，罐内气压骤减，罐顶瞬间失去上升动力，而备用风机的紧急供风能否及时、有效，并迅速恢复顶升动力在实际操作中尚未得到实践和证实。由此带来的安全隐患是不容忽视的。

小风量、多风机的设计方案由多台风机供风，不会因为1台甚至2台风机停吹而失去顶升动力，一旦有风机出现故障，可以首先通过加大正常工作风机的供气量，然后启动备用风机，稳步地使供气系统恢复正常。

对于LNG储罐罐顶气顶升工作来说，安全性是首要的，因此推荐采用小风量、多风机的设计方案更具安全性。

1.3.4 供气系统配套设施的设计及制作

（1）供电系统。要求为供气系统提供两路独立的供电装置，并且可以保证在一路供电装置出现故障时可迅速地切换到另一路供电装置。通常采用一路市电，一路柴油发电机组组成的双路供电系统。

（2）风道及风压调节装置。每台风机均有独立的风道向罐内送风，并安装有独立的蝶阀或闸板阀用以调节进风量。

（3）测量装置的制作。

a.制作三套U型压力计 （图4），分别安放于风机附近、罐底与罐顶，用以观测罐内不同部位与罐外大气压的压差，罐底与罐顶压力计的连通管尽量远离风机口，避免读数出现偏差。

b.在PC墙内壁的0°～270°轴线上每间隔1 m标出高度线，实时监测升顶高度及速率。

c.至少在4条轴线上安装50 m盘尺，用以观测罐顶的倾斜度。

1.4 配重装置

配重装置的主要作用是通过在罐顶及吊顶上附加配重布置调整罐顶重量均匀分布，在相同的风压作用下得到均等的压强。

即使罐顶结构设计本身是均布的，但仍然需要设置配重。因为罐顶荷载的不均匀分布并非是罐顶发生倾斜的全部原因。摩擦力不均等、局部风量泄漏量不一致等因素均可能造成罐顶发生倾斜。通过罐顶外部的配重调整可使罐顶处于水平状态，并避免工作人员进入罐内。

配重装置的安装要点：

（1）计算并绘制配重布置图，用于配重的材料必须逐个称重、编号，按布置图布置。

（2）配重材料可就地取材，摆放后固定，不得移位。

（3）清除所用非配重件及杂物，并反复检查。

1.5 罐顶固定装置

16万m3LNG全容式储罐罐顶气顶升工艺的罐顶固定装置与常规的立式圆筒储罐基本相同，需要重点说明的要点有：

（1）在罐顶与承压环焊接牢固后，鼓风机才能停止工作。

（2）固定点首先由平衡机构附着的罐顶径向梁开始，然后是其他径向梁，最后是罐顶板的固定。

（3）顶升前，罐顶上表面应预先安装固定挂件，方便顶升就位时实现快速连接。

（4）合理安排焊工人数并均匀布置，预备足够的工装器具 （倒链、楔子、千斤顶、工卡具）及焊接材料。

1.6 指挥及通讯系统

（1）成立罐顶气顶升工作组，建立相应组织机构，细致分工，明确各个岗位人员的任务和职责。

（2）通讯系统要求采用佩戴耳机的无线对讲机，以克服鼓风机、柴油发电机、工作操作等噪音干扰。对讲机需配备一块备用电池。对讲机的数量至少要保证顶升指挥长、总工程师、风机工程师、安全总监、应急小组组长、平衡装置张力计观测人员、升顶高度监测人员人手一台，备用对讲机也要有若干台。

2 罐顶气顶升步骤

气顶升的主要步骤为：准备工作→预顶升→调整与检查→气顶升→罐顶固定。

2.1 准备工作

准备工作主要为完成罐顶气顶升工艺的设计、制作及所有相关工装、部件、工序验收的检查工作。

（1）编制详细的罐顶气顶升工作计划，并通过气顶升方案审查。

（2）技术交底，明确所有参与气顶升工作人员的职责要求及岗位分工，并反复演练。

（3）检查外罐罐壁的几何尺寸，修补缺陷，并组织中间验收。

（4）检查所有顶升系统制作的符合性、完整性及相应备品备件。

（5）关注气顶升阶段的天气状况，选择晴朗无风的天气。并且在白天完成气顶升全过程。

2.2 预顶升

罐顶预顶升的高度一般为1 m，其操作步骤与正式顶升完全一致，相当于罐顶气顶升的实际预演，对整个系统的有效性及安全性实施检验；预顶升的另一个关键目的是对气顶升工艺设计中相关参数的计算结果进行复核。尤其是确定实际操作时顶升风压P升、平衡风压P平、进风速率等。

2.3 调整与检查

根据预顶升的结果调整系统的不足和缺漏，并对照检查表反复检查所有系统。

2.4 罐顶气顶升的主要步骤

（1）所有工作人员进入工作状态，检查通讯系统的完好性，检查备品备件、工装器具的准备就位情况，启动风机空载运转确认其运转正常。在所有状态得到完好确认后，开始升顶。

（2）开启进风阀向罐内鼓风，在顶升高度1 m以下时，控制顶升速率在100 mm/min左右。罐顶升至1 m时调整风压使罐顶悬浮，再次检查平衡压力、供风系统、罐顶的平衡度、平衡钢丝绳的张力等。

（3）调整风压以200～300 mm/min的速率继续顶升。

（4）顶升至罐顶距离承压环的间距小于1 m时，调整风压以不超过100 mm/min的速率顶升，直至罐顶达到预定位置与承压环平稳接合。

（5）罐顶就位后，快速将安装在罐顶径向梁的固定装置挂件与承压环连接锁定。调整罐顶与承压环的焊缝间隙，首先从罐顶径向梁开始向两侧延展定位并焊接，直至完成整个罐顶的固定过程。

（6）逐个并缓慢地调整鼓风机的风压，罐内泄压，关闭鼓风机。

3 结束语

国内LNG产业正处于兴起阶段，LNG接收站的设计与建设正处于自主研究、成长的初步阶段。仍有许多课题和关键技术需要深入研究。本文简单论述了16万m3全容式LNG储罐罐顶气顶升工艺原理、顶升方案的设计方法及操作要点，为LNG储罐或类似大型储罐建设提供参考。

［1］ BS 7777：Part2-1993，Flat bottomed vertical cylindrical storage tanks for low temperature service［S］.

［2］SH/T 3530-2001，石油化工立式圆筒形钢制储罐施工工艺标准［S］.

［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］叶海明.50 000 m3LNG储罐钢罐顶气升技术[J].施工技术，2009，

（11）：34-36.

Research on Gas Lift Process for 16×104m3LNG Storage Tank Roof

ZHANG Cheng-wei（CNPC Jiangshu LNG Co.,Ltd.,Nantong 226400， China），HONG Ning， LU Guo-feng

Full capacity LNG storage tank of 16×104m3is the common type used in storage systems of LNG receiving stations at home and abroad.The gas lift process for such tank roof is one difficult task of tank construction with high safety risk.This paper discusses the principle,scheme design method and key operation points of the tank roof gas lift process for the 16×104m3full capacity LNG storage tank,describes the key techniques of gas lift,including balance guiding system,airproof system,gas supply system,counterweight system and tank roof fixed device,and explains the main operation procedures.

LNG storage tank;tank roof;gas lift process

TE972

B

1001－2206（2010）02－0032－05

张成伟 （1962-），男，四川南充人，高级工程师，1984年毕业于重庆大学，一直从事石油天然气工程建设的管理工作。

2010-01-18