LNG工艺模块工装设计方法

(海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)

LNG工艺模块工装设计方法

宋峥嵘

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛266520)

液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)工艺模块通常采用异地建造、异地组装的建造模式，对建造精度要求较高。在LNG工艺模块建造过程中，会使用大量的工装设计保证建造精度、满足称重要求。针对LNG工艺模块这一特点，总结一套完整和标准化的建造、称重工装结构设计方法，从而提高工装设计和建造水平，降低项目成本，从根本上提高LNG模块的建造水平。

LNG工艺模块；预制垫墩；总装垫墩；称重垫墩

0 引 言

液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)工艺模块群通常由10～40个模块构成，各模块外形尺寸一般长30～60 m，宽20～40 m，高度30～60 m，重量3 000～7 000 t，建造周期较长，通常为20～36个月，要求总装场地地面平整，状况良好。

LNG工艺模块由于需要实现诸多功能，汇集管线、电气、仪表、通风、机械以及舾装等很多专业的设备设施，要在有限的结构空间内布置诸多专业的设施，因此，就模块结构来说也相应有管支架、电仪支架、通风支架、舾装支撑、设备底座等，这些支架底座结构被布置在主要和次要结构框架上，实现其他专业的功能单元在结构片上布置的目的。由于LNG工艺模块的结构形式多样、密集，在结构预制和结构片总装过程中，需要根据结构特点，结合其他专业的要求，安排预制方案，使施工最优化，提高施工效率。总装建造时涉及结构、管线、电仪、舾装、HVAC等专业交叉施工，需要整体考虑建造原则，施工步骤等。此外，施工过程中需采取必要措施控制尺寸，避免超出公差要求。同时，还需根据模块的尺寸和重量信息，提前设计并制作预制垫墩和总装垫墩。本文从场地平整、预制垫墩、总装垫墩、称重垫墩等4个环节对LNG工艺模块群的工装设计进行研究。

1 场地平整

LNG工艺模块通常采用异地建造、异地组装的建造模式，对建造精度要求较高，因此建造工作必须在平整的场地上进行。为保证地面的平整度，在摆放垫墩之前，须对建造场地进行夯实平整，垫墩布置点处均须找平[1]。

图1 混凝土找平示意图

垫墩布置处必须经常测量水平度，当立柱或者横向构件发生沉降时，必须采用塞垫片的方式调平。 垫墩在高度方向的允许偏差为±3 mm，后期垫墩误差调整可采用塞垫片的方式。根据预制片及模块布置，确定垫墩的摆放区域，如果在砂石地上进行建造，要在摆放垫墩之前，在垫墩布置点处用混凝土垫块进行找平。

每个模块均须建立测量基准点，之后测量所有垫墩摆放区域，该数据将作为选择找平方法的依据。如果模块部分立柱在水泥平台上，部分立柱在砂石地，则测量基准点须选取在水泥平台上。

对于垂直标高高于基准点的区域，采用专用工具铲掉地面的高出部分，直到该处垂直标高低于基准点。对于垂直标高低于基准点的区域，采用在垫墩底部浇筑混凝土的方法找平。在垫墩布置点向下挖去浮土。浮土清除范围比对应垫墩长宽多出20 mm。混凝土浇筑到一定高度时,须保证混凝土上表面和钢制垫墩底面有一定间隙以完成灌浆。待混凝土养护完成后灌浆工作开始24 h前，进行表面拉毛和湿润，以保证灌浆料和混凝土的黏结强度，完成灌浆并按要求进行养护[2]。混凝土找平具体形式如图1所示。

图2 预制垫墩设计图

2 预制垫墩

由于LNG工艺模块汇集管线、电气、仪表、通风、机械以及舾装等很多专业的设备、设施，相应有管支架、电仪支架、通风支架、舾装支撑和设备底座等。这些支架底座结构被布置在主要和次要结构框架上，为减少总装时的高空及补漆作业，须尽可能地在预制阶段安装这些支架和底座结构。同时，LNG工艺模块每层甲板片的尺寸较大，再加上各类支架和底座结构，每层甲板的预制重量都较大，为满足建造场地空间和吊装、运输能力要求，在LNG工艺模块建造过程中，甲板片一般选择在车间预制,或者在适合预制工作的平整场地进行。这就要求设计人员提前确定预制场地的位置，根据甲板片的工期和车间计划等因素编制预制场地布置图，并根据预制片的尺寸和结构特点编制预制垫墩布置图。车间人员根据布置图，对场地进行准备。

所有水平片都放在预制场地的垫墩上，通过水平仪测出的数值调整垫墩的高度，确保水平片在同一水平面上建造，保证水平片建造过程中的测量精度。甲板片全部采用正造法的方式进行建造。其他专业工作项在不影响运输的情况下带在甲板片上，预制完成后再整体运输到喷涂车间打砂喷漆。

根据LNG工艺模块甲板片的预制特点，设计一种在LNG工艺模块项目中使用的预制垫墩形式，如图2所示。该垫墩主体由管材承担，有底板和加强筋板，并且配备吊耳方便移动，吊耳可在类似项目中重复使用。管径根据预制分片的实际情况，可以进行调整，分别可以承受不同的荷载。预制垫墩高度的设计需考虑分片结构下表面带有各专业支架、底座的特点，预留足够的作业空间，方便预制工作进行，同时仍需考虑分片运输工具的高度要求等方面。另外，也可以根据实际情况，通过在垫墩上部继续加焊一段与该垫墩直径相同钢管的方式，调整已有预制垫墩的高度。

对LNG工艺模块群来说，模块数量多，大量分片须同时预制。这种预制垫墩设计简洁、制作简单、改造方便，可以在后续分片的预制中重复利用或者在类似项目中使用。

3 总装垫墩

LNG工艺模块群由于模块数量多，且单个模块工作量较大，建造周期较长，一般约为2～3年。总装垫墩在模块建造期内使用，在此期间需要一直承受模块的荷载，因此在设计时需要满足强度、稳定性和可靠性的要求[2-3]。

图3和图4为A，B 2种总装垫墩结构形式，可供设计时参考。可根据需要改变所用材料规格，如：板厚、钢板尺寸、型钢规格和型钢因素，得到适合不同大小额定荷载的垫墩。图3为A型垫墩，支撑主体由型钢组成，改变型钢规格，可以制作额定荷载不同的垫墩。图4为B型垫墩，主要由钢板组成，设计中可以通过改变底板和筋板的尺寸等制作不同荷载的垫墩。

图3 总装垫墩设计图A

图4 总装垫墩设计图B

图5 A型垫墩ANSYS应力云图

最大支反力[4]是设计总装垫墩的依据，用于校核垫墩的强度。LNG工艺模块的支撑立柱通长有20～24个，在得知支反力的情况下，按照支反力大小可以设计不同荷载的总装垫墩。垫墩强度按照许用应力法通过ANSYS模型进行计算，ANSYS模型分析使用三角形四节点壳单元SHELL 181。

以图3中垫墩为例，计算模型材质如下：杨氏模量为2.01×105N/m2，泊松比为0.3，型钢(SM490YB)屈服强度Fy= 345 MPa。垫墩受立柱的作用力和地面的支反力，在ANSYS模型中依据2种受力方式加载：计算时垫墩底部筋板和底板受全约束，立柱上部沿z轴受力F=-3 920 kN×1.24=-4 860.8 kN，考虑1.24的风载荷系数[4]。模拟得到垫墩的应力云图如图5所示，可以看出：垫墩所受应力最大值为274 MPa，低于型钢许用应力(F=0.8Fy=276 MPa)。

项目建造过程中，设计人员应根据各模块的实际支反力情况，确定每个支撑点已选择合适的垫墩，做好垫墩布置图，指导现场垫墩摆放，并根据各模块的工期和总装顺序，合理安排使用。

4 称重垫墩

LNG工艺模块场地建造完成后，在装船作业之前须进行称重作业，确定结构物的重量重心，确保安全装船和海上运输。称重作业需要用到称重垫墩，LNG工艺模块立柱数量多、尺寸相对较小，立柱下方空间有限，不宜直接在立柱底端布置千斤顶进行称重，宜采用在立柱周围的主结构梁下方设置称重点的方式。因此，称重垫墩的设计应根据支撑位置强调和总装垫墩的形式确定，分为布置在总装垫墩上和布置在水泥平台上2种形式。

立柱下方采用B型垫墩(图4)时，应采用布置在总装垫墩上的称重垫墩，如图6所示；立柱下方采用A型垫墩(图3)时，应采用布置在水泥平台上的称重垫墩，如图7所示。

图6 布置在总装垫墩上的称重垫墩

图7 布置在水泥平台上的称重垫墩

称重垫墩强度计算方法与总装垫墩相同，同样按照许用应力法通过ANSYS计算，但称重垫墩所受作用力不同，受到的不是立柱的作用力，而是称重点的作用力和地面的支反力，在ANSYS模型中按照2种受力方式进行加载。计算时，垫墩底部筋板和底板受全约束，称重点与上部主结构梁接触位置沿z轴受力，并考虑1.24的风载荷系数[4]。

当支反力小于称重垫墩额定荷载时，需要2个称重垫墩。当支反力大于称重垫墩额定荷载时，需要4个称重垫墩，包括2个750 mm高的小垫墩和2个1 870 mm高的高垫墩。2个小垫墩直接放到总装垫墩上，另外2个放在小垫墩之间的中垂面上，总的支反力将分成4部分。

称重垫墩计算模型材料属性为：杨氏模量2.01×105N/m2；泊松比0.3；钢板(Q345B)屈服强度Fy= 345 MPa；以总支反力5 880 kN，采用4个称重垫墩为例，则F=1 715 kN×1.24=2 126.6 kN。ANSYS计算得称重垫墩的应力云图如图8所示，由图可知：垫墩所受应力最大值为143 MPa，低于板材许用应力(F=0.8Fy=276 MPa)。

图8 称重垫墩ANSYS应力云图

实际称重操作时，根据布置图，使用叉车将称重垫墩布置到位，可以根据实际情况在垫墩和千斤顶之间增加垫块和垫板调整高度。这种称重垫墩可以重复使用，可节约大量钢材。

5 结 论

本文根据LNG项目的工艺特点，研究LNG工艺模块对其工装设计的要求。提出LNG工艺模块建造场地平整的技术要求和实施方案；针对LNG工艺模块分片的结构特点，设计了一种可重复利用并可调节的预制垫墩。根据LNG工艺模块的总装特点，设计了2种标准化的总装垫墩结构形式；并根据LNG的称重技术要求，结合2种总装垫墩的结构形式，研发了2种形式的称重垫墩。按照此标准化设计方法设计、制造LNG工艺模块的工装结构可以节约大量设计工时，实现工装结构的批量生产和重复利用，在保证施工质量的同时，达到降低项目费用、节省项目工期的目的，有利于提高国内LNG工艺模块工装设计和建造水平。

[1] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design：API RP 2A-WSD-2014 [S]. 2014.

[2] Manual of Steel Construction：AISC 316 Ed.14[S]. American Institute of Steel Construction, 2011.

[3] 海洋石油工程设计指南[M]. 北京: 石油工业出版社，2008.

[4] Specification for Structural Steel Buildings: AISC 360-10 [S]. American Institute of Steel Construction, 2010.

DesignMethodofStoolsforLNGProcessModule

SONG Zhengrong

(Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co.， Ltd., Qingdao 266520, Shandong, China)

LNG process module is usually built and installed in different places, which requires higher construction accuracy. In the process of construction of LNG process module, a large amount of tooling design is used to ensure the accuracy of the construction and meets the weighing requirements. According to the characteristics of LNG process module, a set of complete and standardized design method of construction and weighing stools are summed up, so as to improve the level of stools design and construction, reduce project costs, and improve the level of construction of the LNG module fundamentally.

LNG process module; prefabrication support; assembly support; weighing support

1001-4500(2017)06-0032-06

2017-06-03

宋峥嵘(1968-)，男，高级工程师

TE42

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