大型LNG低溫儲(chǔ)罐內(nèi)罐安裝精度控制技術(shù)

吳旭維，吳志星，王東鋒，胡云峰，白如霜

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

大型LNG低溫儲(chǔ)罐內(nèi)罐安裝精度控制技術(shù)

吳旭維，吳志星，王東鋒，胡云峰，白如霜

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

以16萬(wàn)m3LNG低溫儲(chǔ)罐內(nèi)罐施工為例，從內(nèi)罐結(jié)構(gòu)、安裝工藝、壁板垂直度和底板平整度控制、檢驗(yàn)與返修等方面，介紹了9Ni鋼內(nèi)罐安裝精度的控制方法。實(shí)踐表明，精確定位安裝壁板、反變形、多層多道雙面同時(shí)埋弧自動(dòng)橫焊等方法，均可提高內(nèi)罐安裝的壁板垂直度和底板平整度。

LNG儲(chǔ)罐；內(nèi)罐；安裝；精度；垂直度；平整度

0 引言

在當(dāng)今能源日趨緊張的情況下，液化天然氣（LNG）因其體積僅為氣態(tài)時(shí)的1/600，大大節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間和成本，運(yùn)輸方式更為靈活，而且提高了燃燒性能，從而備受世人關(guān)注[1-2]。1999年底，廣東LNG接收站試點(diǎn)工程項(xiàng)目立項(xiàng)，從此拉開了中國(guó)引進(jìn)LNG的序幕。

現(xiàn)以南方某LNG接收站16萬(wàn)m3雙壁全容罐施工為例，從焊接質(zhì)量、工裝方法、檢驗(yàn)等角度闡述大型LNG低溫儲(chǔ)罐9Ni鋼內(nèi)罐安裝精度的控制方法，為今后LNG儲(chǔ)罐的施工提供參考。

1 LNG儲(chǔ)罐9Ni鋼內(nèi)罐結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)、正在建設(shè)和規(guī)劃的LNG接收站項(xiàng)目中，大多數(shù)LNG儲(chǔ)罐罐容為16萬(wàn)m3，其外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐為9Ni鋼結(jié)構(gòu)，屬于雙壁全容式儲(chǔ)罐[3]。內(nèi)罐結(jié)構(gòu)如圖1所示，高約35 m，直徑80 m，共有9~11圈不同厚度鋼板，最底層壁板厚度約28mm，最上3~4圈壁板厚12mm，板幅約3.5 m，單張壁板長(zhǎng)度不超過12 m，材質(zhì)為EN10028-4GrX7Ni9或ASTM A553[4]。

圖1 壁板示意

內(nèi)罐底板由環(huán)形板、邊緣板和中幅板組成，如圖2所示。內(nèi)底環(huán)板厚度16 mm，邊緣板和中幅板厚度為6 mm，板幅約2 m，板長(zhǎng)不超過12 m。材質(zhì)為EN10028-4GrX7Ni9或ASTM A553。

圖2 底板示意

2 內(nèi)罐安裝工藝

參考EN 14620-2006《Design and manufacture of site built,vertical,cylindrical,flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated,liquefied gases with operating temperatures between 0°C and-165°C》以及SH/T 3530-2001《石油化工立式圓筒型鋼制儲(chǔ)罐施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》，確定對(duì)內(nèi)罐采取架設(shè)正裝法施工。施工順序?yàn)楣薜走吘壉＠洹h(huán)板→壁板→罐底中部保冷→底板中幅板→門板。

2.1 環(huán)板組裝

精確放線是內(nèi)罐安裝精度得以保證的前提。首先以罐底中心為基準(zhǔn)，用全站儀給每張環(huán)板至少定位兩個(gè)點(diǎn)，放線半徑比理論半徑稍大，半徑放大量參考公式（1）。

式中ΔR——安裝半徑放大量/mm；

n——環(huán)板（或壁板）數(shù)量；

a——環(huán)板（或壁板）對(duì)接焊縫收縮量/mm。

環(huán)板現(xiàn)場(chǎng)放線定位后，采取手工電弧焊焊接，先焊上側(cè)焊縫，然后抬起焊縫附近的環(huán)板至一定高度進(jìn)行背面清根后仰焊。門洞處環(huán)板無(wú)法進(jìn)行仰焊，則修改為適合單面焊的坡口。對(duì)于9Ni鋼內(nèi)罐，手工電弧焊焊材宜選用ENiCrMo-6，焊接采用多層多道分段焊方式，環(huán)板較厚，焊接時(shí)可采取反變形方法減少變形，焊后對(duì)其位置進(jìn)行微調(diào)，以保證后續(xù)壁板安裝精度。此外，為避免磁偏吹現(xiàn)象，推薦采用適合于交流焊接的鎳基合金焊條，同時(shí)配以交流焊接電源[5]。

2.2 壁板組裝

在環(huán)板焊接完成之后進(jìn)行壁板組裝，組裝一般以圖3所示的焊工均布整體安裝方法較為普遍。通過公式（1）算得半徑放大量，組對(duì)時(shí)，半徑放大一個(gè)墊板厚度，縱縫焊接前移走墊板，均布的一圈焊工同時(shí)焊接，焊后收縮至理論位置附近。因?yàn)榇朔N方法需很多焊工同時(shí)焊接，且焊后精度不易保證，對(duì)于大型和精度要求較高的儲(chǔ)罐施工不很適宜。

圖3 焊工均布整體安裝

精確定位安裝壁板的方法如圖4所示，以中心為基準(zhǔn)定位每一張壁板的起始位置，然后吊裝壁板到指定位置后，以環(huán)縫點(diǎn)焊固定。

圖4 精確定位安裝

由于下壁板凈料已考慮縱縫間隙和收縮量，因此點(diǎn)焊定位后的縱縫間隙比圖紙間隙略小（小一個(gè)縱縫收縮量）。通過專用卡具調(diào)節(jié)縱縫錯(cuò)邊和間隙，此時(shí)壁板受擠壓，兩端受壓應(yīng)力，局部曲率細(xì)微變小，如圖5所示。焊接完成后，焊縫收縮，壓應(yīng)力大幅減小，焊縫附近受力復(fù)雜，主要承受拉應(yīng)力，離焊縫較遠(yuǎn)的位置幾乎沒有應(yīng)力。此種方法在定位3張壁板之后就可以進(jìn)行縱縫焊接，不影響其他焊縫的焊接，施工獨(dú)立性強(qiáng)，焊后精度很高，所需焊工少，因此推薦使用。

圖5 壁板組對(duì)時(shí)與焊接后受力情況

當(dāng)3~4圈壁板焊接完成之后，再以手工電弧焊焊接壁板與環(huán)板之間的大角焊縫，這樣壁板提供足夠的自重，從而減小底部環(huán)板的焊接變形，而且可以保證罐壁板的垂直度和橢圓度[6]。

3 壁板垂直度和底板平整度控制

從某LNG接收站儲(chǔ)罐項(xiàng)目?jī)?nèi)罐實(shí)際施工檢驗(yàn)情況看，內(nèi)罐安裝精度最不易控制的項(xiàng)目為壁板垂直度。同時(shí)，EN 14620-2006標(biāo)準(zhǔn)取代BS 7777-1993后，內(nèi)罐底板平整度也做了相關(guān)要求。

3.1 壁板垂直度控制

壁板垂直度主要存在兩種形式的超標(biāo)，即總體垂直度超標(biāo)和局部垂直度超標(biāo)。

3.1.1 總體垂直度控制

總體垂直度超標(biāo)是由于上下壁板周向安裝誤差，縱縫焊后收縮不一致等情況導(dǎo)致內(nèi)罐橫斷面周長(zhǎng)發(fā)生變化，因而形成“喇叭口”。該情況可采用反變形法控制，如底圈壁板焊后內(nèi)傾，則在其上圈壁板組對(duì)時(shí)，預(yù)先外傾一個(gè)角度，待焊后收縮到規(guī)定位置，預(yù)先傾角按公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中θ——預(yù)傾斜角度/（°）；

n——一圈壁板數(shù)量；

Δa——縱縫上下收縮差/mm；

h——單張壁板高度/mm。

由于壁板曲率較大，弧度較小，只需用卡具調(diào)整縱縫上下間隙一個(gè)差值即可實(shí)現(xiàn)壁板組對(duì)時(shí)的內(nèi)傾或外傾。采取反變形措施后效果如圖6所示。

圖6 反變形法效果

3.1.2 局部垂直度控制

局部垂直度超標(biāo)是指罐體橫斷面周長(zhǎng)幾乎不變，壁板在某一區(qū)域由于焊接變形導(dǎo)致該區(qū)域局部?jī)?nèi)傾或外傾的現(xiàn)象，采取如圖4所示的精確定位安裝方法可以有效減少總體垂直度超標(biāo)，而對(duì)局部垂直度超標(biāo)不起作用。局部垂直度超標(biāo)的原因在于環(huán)縫的埋弧自動(dòng)橫焊。因此采取必要的措施減少埋弧自動(dòng)橫焊產(chǎn)生的變形尤為重要，主要措施有[7]：

（1）控制埋弧橫焊單位熱輸入（一般控制在1 ~3 kJ/mm）。

（2）嚴(yán)格控制層間溫度（100℃以下）。

（3）采用多層多道雙面焊（注意兩面焊絲隔開一段距離）。

（4）綜合考慮焊接順序，擬定合適坡口，比如，考慮施工方便先焊內(nèi)側(cè)，然后進(jìn)行外側(cè)清根再焊接的方式，盡量使外側(cè)坡口開大些。

（5）用背杠等卡具夾緊以控制變形。

3.2 底板平整度控制

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)底板安裝要求相對(duì)寬松，底板變形控制較壁板容易，主要在底板上放置重物以控制變形，如圖7所示。底板焊接時(shí)，先焊短焊縫，后焊中長(zhǎng)焊縫，最后焊接長(zhǎng)焊縫，長(zhǎng)焊縫采取分段退焊方式控制變形。待罐底大角焊縫焊接完畢后再進(jìn)行邊緣板與環(huán)板之間的收縮縫焊接[8]。

由于底板焊縫較多，實(shí)際施工過程情況復(fù)雜，如果出現(xiàn)十字焊縫或兩個(gè)相鄰三板T形焊縫距離小于300 mm的情況，需在十字焊縫部位補(bǔ)上一塊板，補(bǔ)板原則為不切割環(huán)板，保證補(bǔ)板圓角過渡，以免應(yīng)力集中嚴(yán)重[9]。修補(bǔ)過程中以重物壓緊周圍區(qū)域，用卡具和楔子夾緊以防局部變形過大，從而保證平整度。

圖7 底板壓重防變形

4 檢驗(yàn)與返修

施工過程中按照EN 14920-2005標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢驗(yàn)，主要包括內(nèi)罐直徑、垂直度、橢圓度、輪廓度、棱角度、底板平整度等，以及焊縫的VI、PT、RT、VBT和PMI等。從某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，盡管在施工過程中采取種種措施限制變形，但最后仍有可能局部位置垂直度不達(dá)標(biāo)，此時(shí)對(duì)不達(dá)標(biāo)位置進(jìn)行僅限一次的返修。比如，局部外傾，碳弧氣刨其下方環(huán)縫，然后通過再次補(bǔ)焊的焊縫收縮來(lái)最終調(diào)整局部垂直度，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]袁中立，閆倫江.LNG低溫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)及建造技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2007，33（5）:19-22.

[2]呂娜娜，謝劍，楊建江.大型LNG低溫儲(chǔ)罐建造技術(shù)綜述[J].特種結(jié)構(gòu)，2010，27（1）:105-108.

[3]李建軍.LNG儲(chǔ)罐的建造技術(shù)[J].焊接技術(shù)，2006，35（4）:54-56.

[4]楊建國(guó)，張小滸，陸戴丁，等.LNG儲(chǔ)罐用國(guó)產(chǎn)9%Ni鋼焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)[J].材料與焊接，2009，30（2）:54-60.

[5]嚴(yán)春妍.LNG儲(chǔ)罐用9%Ni鋼及其焊接性[J].焊接學(xué)報(bào)，2008，29（3）：49-52.

[6]彭京旗.大型LNG低溫儲(chǔ)罐施工技術(shù)[J].石油化工建設(shè)，2005，27（4）：12-14.

[7]吳志祥.LNG儲(chǔ)罐中9%Ni鋼埋弧自動(dòng)橫焊的探討[J].安裝，2006，（1）：42-44.

[8]葉海明.5萬(wàn)m3LNG儲(chǔ)罐9%Ni鋼的焊接和質(zhì)量控制[J].壓力容器，2010，27（2）:33-37.

[9]程久歡.LNG低溫儲(chǔ)罐內(nèi)罐底板與環(huán)板排版的探討[J].石油工程建設(shè)，2009，35（2）:77-79.

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.020

吳旭維（1982-），男，江蘇鹽城人，助理工程師，2008年獲哈爾濱工程大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)碩士學(xué)位，主要從事容器橇裝設(shè)備設(shè)計(jì)和建造工作。

2011-05-09