超大型LNG薄膜型陆地储罐内罐划线关键因素分析与方案优化

孙 剑 鲍星龙

江苏科技大学船舶与海洋工程学院

0 引言

随着国家能源战略的推进，对于能源结构的优化已经成为国内能源行业的常态化工作，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）具有燃烧热值高、无污染且便于运输的优点，在越来越多的国家中开始大面积使用[1]。随着相关技术的不断进步，国内逐步形成气源、储运、市场协同发展的天然气工业[2-6]，LNG在陆上的储存技术成为LNG能源应用的关键技术之一。MARK III薄膜型陆地储罐作为一种安全、经济的新型储罐形式，其建造过程在国内的研究基本处于空白阶段。

随着天然气液化技术的不断成熟，全球天然气消费量持续提升。大型偏远气田的天然气液化后可输送至管线无法到达的市场，已发展形成全套产业链[7-8]。作为LNG产业链中不可或缺的存储设施，也是 LNG 接收站建设投资最高、工期最长、技术最先进、难点最多的关键环节。随着LNG储罐应用日益广泛[9]，相关技术发展备受业界关注。

在LNG 产业链中，LNG 储罐是最重要的组成部分之一，相对于欧美及日韩等发达国家，中国在LNG 储罐的建设技术水平上还不够成熟[10]。整个产业链中，LNG储罐的设计和建造十分关键，技术要求高，投资大、建设时间长[11]。常规储罐以全容储罐为主，由主容器和次容器两部分组成，其优点是安全性高、占地少、完整性高[12]。薄膜储罐是金属薄膜内罐、绝热层及混凝土外罐共同形成的复合结构[13]，优势是更低的材料成本、更好的结构独立性、气密性和高度的模块化。

近年来，LNG 储罐呈现大型化的发展趋势，薄膜型储罐的优势逐渐凸显[14]，相较于全容罐，薄膜罐的内罐容积没有理论极限，可以设计容量更大的储罐[15]。得益于结构的优化和薄膜内罐体系的厚度，在混凝土外罐尺寸相同情况下，薄膜型储罐比9%Ni钢全包容储罐有效容积大10%[16]。

薄膜罐的外罐包括混凝土外罐、承台和拱顶，内罐包括主层屏蔽和次层屏蔽两部分，次层部分主要为绝缘填充层，主层为不锈钢波纹板[17-18]，在主层和次层安装开始前都需要进行划线工作。首先进行的就是罐内的打点划线工作，此项工作保证了整个内罐的安装精度，并影响后续安装工作的安装质量[19]。对于薄膜型围护系统，划线精度对于绝缘模块的安装精度，次屏蔽黏连质量以及波纹板安装精度都有很大影响，是整套体系最基础、最重要的工作之一。

笔者研究载体是天津南港在建的LNG应急储备项目薄膜储罐，该项目采用薄膜型LNG储罐建造的前沿技术，是国内最大的LNG薄膜储罐项目群，同时是正在实施的国内甚至世界上单罐容量最大的LNG陆上薄膜储罐，也是近十几年来国内建造容量最大的薄膜型LNG储罐。

笔者主要对薄膜罐内罐安装前打点划线工序的技术关键点进行研究，通过对薄膜罐内罐划线理论方案进行实际验证，解决实际施工时遇到的各种问题，优化相关划线方案和策略，降低成本、提高生产效率，为内罐安装精度控制和质量控制提供重要支撑，对后续国内外超大型薄膜型陆地储罐的建造具有指导意义，也为相关技术国产化进程作出贡献。

1 罐内区域划分

围护系统作业中，许多相似工序会在不同的基准面上进行，出现问题时难以定位。为了便于作业区域的标记、定位和模块化作业，通常按照以下原则对内罐的底面和壁面各个区域进行划分命名。

通常将整个底面区域划分为4个区域，笔者以A、B、C、D进行标识，其中包含一个中心区域和多个均分的扇形区域，以引导系统所在位置为参考，将此区域作为划分起始点，即底部A区域的中间扇形区域。以此区域为基准，每个区域根据罐体尺寸等分为各个小区域，并依次标记。图1所示为225 000 m3薄膜罐的划分方案，以底面A区为例，将其命名为BA区域（Bottom A,BA）将其划分为7个小扇区，分别以BA1～BA7命名，B、C、D区域同理。

图1 底部扇形区域划分图

壁面区域的划分以底面为基准，底面的每个扇区，对应壁面区域的一个或多个平面区域。本文研究对象划分的底部28个扇区对应着56个壁面区域（图2）。

图2 壁面区域划分图

内罐建造过程中，次屏蔽黏连端部区域（Second Barrier End Area，SE）和主屏蔽焊接端部区域（Primary Barrier End Area，PE）两个特殊区域界线以及 PE 区域氮气管高度是划线工作定位及精度控制的重要参考。需提前标明。

在壁面需确定3个高度环面Δ1、Δ2、Δ3。其中Δ1表示PE区域预埋件中心线距离底面高度；Δ2表示SE区域预埋件中心线距离底面高度；Δ3表示次层区域氮气管进气管高度。

这3个高度环面用以确定氮气管、温度传感器、次层端部盖板和主层连接件的相对位置，图中以壁面A区域01和11区域为例（图3）。

图3 3个高度环面图

2 内罐划线关键问题分析

2.1 划线设备及精度控制要求

不同于LNG船舱内划线，LNG陆上储罐罐体内径和高度尺寸都比较大，这对于划线装备的作业距离及作业精度都有较高要求。本文参考的罐体内罐底面为半径43 m左右的圆形，罐体高度44 m左右，因此设备至少需满足45 m作业距离，设备选用API激光跟踪仪，使用前保证设备最大作业距离下调试误差不大于0.03 mm[20]，并且在作业环境较差时仍能保持良好的作业精度。

由于混凝土外罐存在建造误差，测量开始前需确定罐底基准平面，通过该平面建立理论罐体，在内罐表面布置靶球，便于设备移位后定位第一次建立的理论罐体（图4）。

图4 罐内靶球分布图

2.2 底面及壁面交界处误差分析及解决方案

混凝土外罐建造完成后进行防潮层施工，施工后会在底面及壁面交界处产生防潮层淤积，该区域测量时会产生测量误差，影响该区域绝缘模块的安装精度。防潮层淤积如图5所示。

图5 角区的防潮层图

为避免破坏防潮层，采用移位标记法，在划线定位时将需要定位的点沿壁面偏移一定的距离M，避开防潮层淤积区域，确定角点时按照标记点向下偏移M，该点即为角区基准楔块调平时的参考角点。使用移位标记需保证与原始角点始终在同一竖直轴线上。偏移距离M的确定需要综合底部防潮层淤积情况，在底面保护施工后仍便于测量，在此前提下选择最短的偏移距离，同时也降低因角点偏移产生误差的风险。

一般流程如下：

1）在距离需要标记的角区左右两侧一定距离处，使用模板在距离底面3个不同高度处各做一个高度标记，两侧相同高度处的两个标记连接为一条水平线。

2）在最高和最低的高度标记水平连线上，使用量规确定最深的角点，连接这两点，与中间高度处水平线角点就是底部移位标记点。

以225 000 m3薄膜型陆地储罐为例，壁面宽度为4 870.6 mm，基于此壁面宽度在距角点位置左右两侧150 mm处确定距底面高度值分别为150 mm、250 mm 和 350 mm 的标记点。

2.3 SE区域测绘基点

SE区域是内罐区域划分的关键位置，本身是整个内罐次层屏蔽黏连的端部区域，由于SE区域上方与下方具有不同形式的绝缘板材，安装方式以及相关零件区别较大，并且SE区域零件较多，工序复杂，在划线阶段就需要保证良好的施工精度。

防潮层施工时未凝固的防潮层会流挂污染SE区域，使得SE区域界限变得不明显，妨碍后续的测量工作（图6）。为解决此问题，采取在SE区域标记测绘基点的方案，预先标记测绘基点，防潮层流挂后无法完全遮盖所有基点，通过SE区域部分基点即可测量找出所有基点位置，根据基点位置测绘所需网格线，为了便于定位，测绘基点一般选在角区位置。

图6 被污染的SE区域图

SE测绘基点的标记在防潮层施工前进行，在SE区域不锈钢焊接环线角区位置标记一个样冲点，同样在SE区域角区模块安装位置进行标记，连接两点，在连线中点上标记一个样冲点，这3个点即为SE区域的角区测绘基点。

测绘基点可以在防潮层施工完成后，标记SE区域划线、模块安装以及预制件焊接位置，降低黏连和焊接误差。

2.4 角区位置线误差控制

对于内罐绝缘模块安装，角区位置是安装位置控制和精度管理的关键部分，角区位置线是控制绝缘板安装位置的限制线，也是确保波纹板准确安装的定位线。

由于混凝土外罐建造误差的影响，角区位置线的确定是划线作业精度控制工作的难点，在SE区域和PE区域需要绘制各自对应的角区位置线，将激光分别打至SE和PE区域，每个角标记两点并连线，此线段即为角区位置线。

为保证波纹板焊接位置不产生偏移，同一角区SE区域和PE区域角区位置线必须控制在同一轴线上，且各轴线必须保证严格的平行关系。一旦SE区域和PE区域的角区位置线产生偏移，会影响绝缘模块安装精度，一旦误差过大，波纹板将无法对齐。

通常在角区位置线完成后，所得的壁面平面区域不是一个标准的矩形，是由于混凝土存在建造误差，对误差进行修正后角区为直线会产生微小偏移，此时需要测量偏移量，依据专利商标准，上下偏移误差需控制在±5 mm以内。

2.5 内罐划线方案及精度控制

靶点设置及内罐数据计算完成后开始进行具体划线工作，在划线过程中需注意网格线的精度管理策略，防止误差累积。

2.5.1 底面扇区及壁面中轴线

底面扇区和壁面中轴线是90°绝缘模块安装的关键，通常需要保证壁面中轴线与对应底部扇区中轴线的连续性。这一步通过人为测量通常不能很好地考虑多个面的相互影响，因此通过软件在理论平面上绘制轴线，消除由于外罐建造误差产生的影响，激光打点后进行人工复核。

在软件中绘制一个垂直于底面的理论平面，保证需要绘制的底面扇区中轴线位于平面内，坐标系法线方向垂直于底面扇区中轴线，打点时z值为0的点即为中轴线上的点，仪器打点误差控制在0.03 mm以内。

打点工作开始后，每3 m标记一个点，进行弹线，每9 m进行精度检查，需要保证每9 m的划线精度在±1.5 mm内，以控制弹线精度。

2.5.2 壁面高度环线

壁面高度环线是网格线绘制的定位线和检验线，也是保证SE和PE区域定位的标记线，壁面高度环线的确定需根据现场情况确认，需要根据建造时氮气管位置、底部涂层厚度和底部整体平整度情况确定。

2.5.3 网格线及平面螺柱划线

网格线与底面扇区及壁面中轴线相同，为减少人工测量产生的精度问题，采用设备打点，建立理论平面后找点划线的方案。平面螺柱划线需要使用特殊工装，防止出现人工测量误差。

根据国际专利商要求，在壁面接近底部位置、半高位置和接近穹顶位置分别对网格线宽度进行测量，每个壁面与理论宽度的误差需控制在±10 mm之内。同时各网格线需使用量具测量对角线距离，大网格误差±5 mm以内视为合格，小网格误差±3 mm以内视为合格。

2.5.4 角区螺柱划线

角区划线在平整度测量及角区基准楔块数据计算完成后进行，并且角区螺柱的位置与角区基准楔块的厚度有关。角区绝缘板一般衔接2个或3个平面，对连接处的层差和平整度有较高要求，角区螺柱线划线误差控制在±1.5 mm内，但由于基准楔块的影响，难以进行定位。

针对上述情况，角区的螺柱划线将根据以下两种方式的其中一种进行（图7）。

图7 角区螺柱划线示意图

1）方案一：在平整度测量计算完成之后进行，由于角区螺柱的位置与角区基准楔块的厚度有关，因此螺柱的定位需使用模板。

2）方案二：将螺柱安装分为两个部分进行，先平面区域，然后是角区部分，则可在平面区域基准楔块计算完成后进行螺柱定位。

2.6 数据处理及平整度计算

在底部的各点测量完成后，由于测量工作需要人工介入，测得各点可能会出现位置偏差，因此需要将数据与理论数据进行对齐，保证实测数据与理论数据的严格对应关系。

为提高效率，使用PolyWorks软件进行对齐操作（图8）。

图8 对齐操作示意图

由于外罐建造时的公差，理论壁面中轴线一般会与实际壁面中轴线位置产生偏移，根据陆罐建造公差和划线计算参数，计算后可得到壁面中轴线的偏移量和陆罐的中心位置。

在网格线划线结束后对平面平整度进行测量，平整度测量时存在角区划线裕量，需要通过计算将底面和壁面区域的平整度情况进行修正，出具基准楔块安装方案。

图9以壁面WA34为例，通过仪器初步测量平整度后整体情况。

图9 计算前壁面WA34平整度状况图

计算前的平整度数据包含未进行合并计算的角区裕量，在进行多个壁面的同时计算时，根据该区域理论尺寸及计算出的偏移量，拟合计算后消除角区裕量，并得到一个相对平整的平面（图10）。

图10 计算后的平整度数据图

计算后的平整度数据可作为实际生产的基准楔块数据参考。

3 划线方案优化

在实际生产过程中，存在着许多与理论划线方案不同的情况，需要边施工边验证，不断根据实际情况对划线方案修改优化，提高生产效率。

3.1 划线流程优化

由于混凝土外罐的建造误差，会对某些角区进行打磨，这会导致这些角区变得不明显，导致后续的打点划线时难以准确定位角区，产生误差。

为解决这个问题，在划线开始前人工测量并标记出一条角线，测量墙面宽度，对照理论数据对壁面宽度进行相应调整，以调整后的宽度为准，在不明显的角上做标记，后续以此标记为基准进行打点划线。

3.2 移位标记点定位流程优化

对于SE区域及PE区域角区测绘基点以及移位标记点流程，先前的方案需要分别在SE和PE 区域分别进行定位，在实际测绘工作进行后对其流程进行了优化。

将SE区域及PE区域角区测绘基点标记工作提前至移位标记定位之前进行，SE区域角区标记完成后可以通过测绘基点辅助移位标记点的定位，不需要使用量规确定角点，只需通过仪器将角区标记线垂直延伸出一条线，即可确定移位标记定位点，提高整体效率。

SE区域移位标记点完成后，可通过仪器以及SE区域移位标记点向上延伸直接在PE处确定PE区域移位标记点。

4 关键区域精度控制策略

4.1 底部中心点检验

内罐底部中心点是全罐安装工作的中心点，也是划线工作的起始点，因此中心点的定位精度直接关系到内罐安装精度和安装质量，中心点的检验工作成为精度管理的重点工作。

正式打点工作开始前，需要验证底部中心点，以保证内罐扇区中心点的准确性。

选择3个以上的底面扇区，在底面绘制其轴线及边界线，检查所有线的交点是否在中心点范围内，在范围内中心点检验通过；若中心点检验没有通过，检查施工流程及工作文件，找出相关问题（图11）。

图11 底部中心点检验图

4.2 底部划线检验

由于划线以内罐底部为基准开始，底部区域的划线影响整个罐体的划线质量，因此底部划线工作结束后需确定划线误差、复核划线质量，制订相应的检查检验方案。

尤其重要的是底部扇区轴线的精度控制，关系到底面和壁面绝缘模块的衔接过渡，由于罐体内径较大，采取三段式检验的方法。将底部中心区域到罐壁的距离定为L，选择底部扇区轴线上1/3L、2/3L、L位置的点，通过激光跟踪仪在底部进行标记，标记完成后进行测量，每处允许误差±1 mm以内，超出允许误差的轴线视为不合格。

检验过程中，如果出现检验点与弹线不重合的现象，需立即检查是否打点有偏差或出现弹线误差，以免后续工作产生更大的精度问题。

4.3 壁面划线及壁面水平线检验

位于壁面的3条环线Δ1、Δ2、Δ3是确定绝缘模块安装位置、保证氮气管、次屏蔽和波纹板安装精度的重要基准，因此壁面环线的确定及误差控制是壁面划线工作的重要环节。

环线Δ3必须在氮气管上方，测量环线Δ3高度值、壁面中心轴线上距Δ2环线250 mm位置高度值和Δ2至Δ1高度值。随机选择几个壁面，测量每个面上述3个位置点，测量完成后计算得出距离报告，多个壁面之间高度差误差不得超过规定值，该误差范围根据绝缘模块安装层差允许范围确定。

5 结束语

1）划线工作是整个MARK III型LNG薄膜罐安装工作的前提，后续的螺柱及绝缘模块安装都需要按照划线提供的基准进行，也保证了波纹板安装连续性及安装精度。笔者以22.5×104m3的大型薄膜型LNG陆地储存罐为研究载体，在实际施工过程中发现总结了内罐划线过程中的关键点和问题，并通过实际检验，优化了内罐划线方案，制订了关键区域精度控制策略和标准。

2）在整个划线工作的前期准备、实际施工过程中都遇到了许多计划外的问题，对划线方案和精度控制策略进行了多次修改、优化，最终形成了适合实际施工，效率更高、成本更低的施工方案和精度问题解决办法，对国内后续薄膜罐的施工建造具有一定指导意义。

3）作为国内最大的LNG薄膜型陆地储罐项目，该项目的成功投产不仅代表着国内大型LNG储罐发展取得进一步成就，也代表着LNG薄膜型围护系统在新的领域得以实际应用，为后续相关技术的国产化、自主化提供了理论依据和技术支撑。