10万m3LNG储罐罐顶气升技术措施及控制浅析

上海天然气管网有限公司　沈艳俐

10万m3LNG储罐罐顶气升技术措施及控制浅析

上海天然气管网有限公司沈艳俐

10万m3液化天然气(LNG)储罐预制的罐顶升至安装高度的方式采用气升法。介绍了罐顶气升的原理和工艺流程，分析了该方法在实施过程中主要的技术措施，以及为确保罐顶气升所实施的质量控制和安全举措。

LNG储罐罐顶气升压缩环质量和安全控制

0　前言

上海五号沟LNG站扩建二期工程主要包含2座10万m3LNG储罐及相应的气化、灌装、调压计量等配套设施。扩建后，五号沟LNG站LNG存储能力将由原来的12万m3增至32万m3，显著提高了上海天然气安全保障和应急调峰能力。本次扩建工程的2座LNG储罐为全包容式LNG储罐，外罐为预应力钢筋混凝土结构，罐壁外径D70 800 mm，罐壁高度35.870 m，内罐为06Ni9材质，内罐直径D67 500 mm；内、外罐间通过16MnDR衬板和拱顶焊接形成密封空间。拱顶在LNG储罐承台上预制，待完成后吹升至设计高度，与压缩环焊接固定。罐顶的气升，是LNG储罐外部结构封顶的重要节点，也是LNG储罐安装施工的技术难点。

1　LNG储罐罐顶气升工艺介绍

本工程10万m3LNG储罐罐顶直径D69 214，由H340×250×8×12和H340×170×6×9焊接H型钢组成钢结构骨架，材质为Q345R。拱顶下安装铝合金吊顶，罐顶总重量约511.480 t。LNG储罐罐顶安装高度为35.870 m，拟采用气升法施工。其运用密封容器和柔性钢索实现平衡，设置密封装置和平衡装置，采用鼓风机吹升罐顶，利用罐顶内外压力差使其升高至安装位置，见图1。

图1　LNG储罐罐顶气升示意

本工艺的主要流程为：当混凝土罐壁浇注到14.4 m高度时，在罐内底部承台上将罐顶钢结构、铝合金吊平顶、罐顶接管以及配套设施等组装成一体。在混凝土外罐壁浇注到设计高度35.870 m后，用鼓风机将预先组装成一体的罐顶气升到外罐内壁顶部，与预埋在混凝土罐壁顶部内的钢制压缩环焊接固定

罐顶结构焊接完成及真空试验合格，铝合金吊顶结构安装并验收，罐拱顶与抗压环连接板平台完成，混凝土罐底排水孔封闭等步骤被视为罐顶气升施工准备工作。待施工准备完成后，进行罐顶气升主要设施安装，分别为进风装置、平衡装置、密封装置以及定位装置。主要设施安装完成后，根据检查清单组织各方进行停止点检查；待查出的问题整改后，进行罐顶模拟气升，主要用以测试气升设备整体运行情况、调整罐顶平衡配重以及模拟组织体系运作协调。随后LNG储罐罐顶复位，各系统检查，为罐顶气升做好准备。待罐顶气升至安装位置后，罐顶焊工立即进行罐顶与压缩环焊接，焊接完成后储罐罐顶气升过程视为结束。主要技术措施和质量、安全控制流程如图2所示。

图2　LNG储罐罐顶气升流程

2　罐顶气升主要技术措施

2.1罐顶气升总质量验算

罐顶各部分重量组成见表1。

表1　罐顶各部分重量组成

由表1可知，单座10万m3LNG储罐罐顶各部分总重量约511.480 t，罐顶气升总重量在此基础上取1.1倍安全系数，即：罐顶气升总重量=511.480×1.1=562.628 t

罐顶气升总重量将影响LNG储罐气升空压机选型以及气升前罐顶混凝土环梁需达到的强度。

2.2进风装置

进风装置，主要为3台鼓风机，安装在混凝土外罐洞口边搭设的钢平台上。如图3所示。

图3　鼓风机平面布置示意

2.2.1罐顶气升鼓风机选型计算

根据LNG储罐面积、体积、罐顶高度、重量，气升设施重量等计算罐顶气升所需风量Q，从而选取适合本次LNG储罐罐顶气升鼓风机型号，这是安装进风装置前非常重要的准备工作。

(1)气升最小风压(pmin)计算：

式中：A1——内罐截面积，m2；

A2——密封装置与内罐摩擦部位面积，m2；

f——密封装置与罐壁间摩擦系数；

g——重力加速度取9.8 m/s2；

k——不均衡系数；

m1——罐顶重量，kg；

m2——顶升工装措施重量，kg。代入具体数值计算得：pmin≈1 549 Pa (2)顶气升所需风量(Q)计算：

式中：h——罐顶拱高，m；

h1——气升前罐顶边缘距离罐底高度，m；

r——罐顶半径，m；

H——气升后罐顶边缘距离罐顶设计高度，m；

p0——大气压力，Pa；

k2——泄漏系数；

t——气升所需时间。

代入数值：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，计算得：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。

根据LNG储罐罐顶气升所需风量，选取鼓风机产品型号为ZGF/1400D，鼓风机风量Q=56 000 m3/h，采用2台鼓风机同时进行送风；鼓风机风压p=4 430 Pa，额定功率110 kW，能够满足10万m3LNG储罐罐顶气升所需。

2.2.2进风装置调试要点

LNG储罐罐顶气升时2台鼓风机同时送风，采用2台200 kW柴油发电机进行供电。另1台鼓风机由LNG站市政电网供电，该台鼓风机作为备用，以防柴油发电机供电的鼓风机在罐顶气升过程中

2.3平衡装置

平衡装置主要由平衡索、导向滑轮组、顶部支撑架和锚点四大部分组成。根据《重要用途钢丝绳》(GB 8918—2006)平衡索采用6×25Fi+1WR(金属丝绳芯)D16钢丝绳。钢丝绳受力分析情况如下：

初预紧力为8 kN，最大预紧力为50 kN；在罐顶气升过程中，出现的极端罐顶倾斜为200 mm时，即罐顶边缘最大高度差为200 mm的情况，如图4示意，此时考虑到平衡索结构，钢丝绳按最大伸长量100 mm进行计算分析。发生机械故障。在罐顶气升前鼓风机分别进行试运转，需特别注意风机是否反转；且3台鼓风机需进行切换测试，确保气升过程中送风正常。

图4　气升过程极端罐顶倾斜示意

钢丝绳受力增量计算如下：

A——钢丝绳横截面积，mm2；

E——钢丝绳弹性模量，MPa；

l

——钢丝绳初始长度，mm；

代入具体数值：A=117.8 mm2、E=188 000 MPa、 l=106 000 mm和Δl =100 mm计算得ΔF≈20.9 kN。

在极端情况下，钢丝绳总受力20.9+50=70.9 kN，小于GB 8918—2006规范中6×25Fi+1WR(1570 MPa级别)钢丝绳最小破断拉力143 kN规定，符合罐顶气升要求。

平衡装置共安装32组，每一组的滑轮组支架安装在罐顶径向主櫞的侧边顶板下方且在同一个截面内，利用推平行线法实现平衡目的。该32组平衡装置在气升过程中既保持了罐顶上升的平衡，又作为罐顶上升的导向装置，使罐顶在x-y平面内位置不变，确保罐顶上预留的套管、接管位置在气升完成后不变化，从而保证后续施工中LNG储罐套管、接管与设计的工艺管道正常连接。

此外，为确保LNG储罐罐顶顺利气升，预先确定罐顶重心位置也是一项重要的工作。由于罐顶气升前已完成套管、接管焊接，因此需根据设计图纸对罐顶进行大致的重心偏离计算。根据计算结果设置相应的配重，并在罐顶模拟气升过程中进行微调。

根据重心偏离计算结果，罐顶在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。这些配重采用移动环形钢轨上的3台电动葫芦位置和放置在铝吊顶上工装材料位置来调节罐顶重量平衡，保持气升时罐顶的平衡。2.4密封装置

密封装置由钢板密封环、1 mm镀锌铁皮以及0.4 mm铝箔玻璃布组成(见图5)。主要作用是在LNG储罐罐顶气升中连接罐顶钢结构和混凝土外罐，使LNG储罐保持罐顶气升压力，从而确保罐顶气升安全。

图5　密封装置示意

在罐顶板边缘处安装一圈钢板密封环，钢板密封环采用钢板与罐顶边板边缘分段焊接固定。根据以往LNG储罐罐顶气升经验，本次采用镀锌铁皮组成一圈密封板，用螺栓连接固定在钢板密封环上。镀锌铁皮因其不易变形的特点，取代了以往的帆布密封，在气升过程中可避免出现吹翻、漏气等不安全因素。铝箔玻璃布用螺栓固定于镀锌铁皮上，进一步起到密封的作用。

2.5定位装置

定位装置分为A型和B型两种结构。A型采用δ=16 mm钢板制成固定件和钢斜锲固定，用于拱架钢骨顶板上位置。罐顶气升前，A型门形板焊接在罐顶圆周安装位置上固定，门形板必须垂直安装于拱架钢骨顶板上。

B型采用δ=20 mm钢板制成固定件和钢斜锲临时固定，用于拱架钢骨以外顶板上位置。B型装置在罐顶气升到位，A型定位装置基本固定后再进行安装；因此，要求预先位于罐顶的作业人员配合度较高，待B型装置安装完成后，焊接作业人员立即开始拱顶钢结构和承压环的定位点焊，以固定储罐罐顶。

3　LNG储罐罐顶气升质量和安全控制

3.1停止点检查

对LNG储罐罐顶气升准备工作采用停止点检查，由业主、监理、施工单位和业主项目顾问共同参与，其主要的目的是为了发现施工不到位之处，及时采取补救措施，以减少损失；根据停止点检查结果，完善技术和安全交底内容，以便专业技术人员向施工班组做好全面的储罐罐顶气升交底工作。

停止点检查的主要内容有：

(1)各项准备工作质量是否符合要求；

(2)各类机具就位及运转是否正常，配套设施是否跟上；

(3)混凝土外罐内壁是否光滑，抗压环安装尺寸是否准确；

(4)环形钢轨是否与罐顶周边支撑有安全距离，对气升有无影响；

(5)安全措施是否落实，安装基准线是否清晰；

(6)工夹具准备情况，测量手段，监控措施落实情况；

(7)罐顶外侧防护栏杆是否坚固。

3.2检查清单(Check List)

本次10万m3LNG储罐罐顶气升作业借鉴国外施工质量、安全管理模式，在罐顶模拟气升前采用检查清单(Check List)的形式；由监理牵头，业主、业主项目顾问及施工单位共同参与，逐项核对检查清单内容完成情况。如在检查中发现该项未完成或未达标，限定日期进行整改后再次复查，直到检查清单所有内容符合要求为止。

根据本次LNG储罐罐顶气升特点，检查清单共计34项内容，见图6。

图6　罐顶气升前检查清单示意

3.3现场人员布置及危险源辨识

LNG储罐罐顶气升工作除了施工准备充分外，对现场指挥以及作业人员间的协调配合提出很高的要求。在过程中，气升的高度、速度，现场的风速、各类紧急情况，罐顶是否出现超出允许范围的倾斜，鼓风机运行情况，罐顶气升到位后作业人员的焊接配合等都将决定整个气升工作的成败。因此，在罐顶气升准备阶段，对现场人员进行细致的施工组织部署，在方案中仔细考虑并罗列可能出现的紧急情况、危险源以及对应的预防控制措施。本次LNG储罐罐顶气升施工组织部署见图7。

图7　罐顶气升施工组织

罐顶气升危险源辨识及控制措施见表2。

表2　罐顶气升危险源辨识及控制措施

3.4罐顶模拟气升

为了检查和调节LNG储罐罐顶平衡状态，微调平衡配重；检查并测试各装置的安全性能，以免发生意外；检查、检测风道管软接头的可靠性和外部条件是否成熟；检查施工组织以及各小组间配合有无漏洞；读取和掌握罐顶气升时U型水压计中的压力数据；在LNG储罐罐顶正式气升前，基于各单体及现场小组准备成熟前提下，对罐顶进行模拟气升。

罐顶模拟气升主要内容为：

(1)鼓风机共安装3台，其中2台由柴油发电机供电的鼓风机同时运行使用，另1台由电网供电的备用鼓风机也同时启动运行。当一台柴油发电机供电的鼓风机发生故障时，另一台电网供电的备用鼓风机立即能投入使用。

(2)检查门洞位置的通道，用于气升初始阶段人员能安全地进出罐内进行检查及抢险工作。

(3)检查罐顶位置的通道，在气升过程中专用于罐顶人员，使其能安全地进入罐内进行抢险工作。

(4)LNG储罐罐顶缓慢上升至离原来位置300～500 mm高度时，停止气升，罐顶保持悬浮状态，检查罐顶平衡状况，通过调整物件重量分配来调节罐顶平衡。必要时可用吊机把其他平衡配重吊放至罐顶，通过吊放在罐顶的平衡配重布置来调整罐顶平衡状态。

(5)经过模拟气升得到U型水压计压力以及其他相关数据，为正式气升取得经验。

(6)罐顶模拟气升结束，罐顶恢复到原来位置，为LNG储罐罐顶正式气升创造条件。

4　结语

五号沟LNG站扩建二期工程2座10万m3LNG储罐分别于2015年9月28日和10月26日顺利完成罐顶气升。

LNG储罐罐顶气升需要进行大量的准备工作，研究罐顶气升的相关技术措施，计算并验算罐顶重量、气升最小压力、气升所需风量等关键数据，明确各部分装置实施内容及调试要点等。由于本工程为五号沟LNG站第二次扩建，10万m3LNG储罐罐顶气升工作吸取了以往罐顶气升作业经验，进行了相应改进；在质量和安全控制过程中借鉴并采用了国外项目的管理方法。在LNG储罐罐顶正式气升前进行模拟气升，进一步完善施工和检查，取得气升数据，协调人员配置，预判气升中可能遇到的紧急情况。可以说，LNG储罐罐顶气升是一项细致且繁杂的工作，只有在精心且充分的准备下，才能确保罐顶气升的顺利进行，完成LNG储罐施工过程中一项重要的里程碑。

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.