16萬立方LNG低溫儲罐拱頂塊制作技術研究

蔡永平 江 強 蔣小波

（1.廣西特種設備監督檢驗院，廣西 南寧 530219；2.中國石油天然氣第六建設公司，廣西 桂林 541004 ）

LNG液化天然氣與傳統能源相比，具有熱值高、清潔、高效、價格低廉、相對安全和儲運方便等優點，越來越多的應用在各個領域。隨著國內市場對LNG需求量的與日俱增，LNG接收站也隨之興起，深圳大鵬、福建、上海洋山港、江蘇及大連等地相繼建成了LNG接收站，目前其他地區還有多個LNG接收站項目在建或正在籌建。而LNG儲罐作為整個接收站項目中最主要，也是現場施工難度最大的設備，其具有設計計算復雜，施工難度大，質量標準要求高等特點，因而其設計和施工技術被廣泛研究。目前，國內外大型LNG接收站已建或在建的普遍采用的是16萬立方低溫全容式儲罐，其拱頂結構如圖1所示。

圖1 LNG儲罐拱頂結構

1 LNG儲罐拱頂結構

現以江蘇LNG接收站項目為例，LNG儲罐的拱頂結構主要由兩部分組成：拱頂框架梁、拱頂板，其中拱頂框架梁由96根主梁、8圈環梁及中心環梁組成；拱頂板采用 6mm的16MnDR鋼板，其敷設安裝在拱頂框架上。

在 LNG儲罐拱頂結構中，最頂端離承臺平面高度為 49米，拱頂邊緣處的圓周直徑為 80m，因此，根據施工安裝的需要，將整個拱頂分成24個拱頂塊和1個拱頂中心圈（編號為 BL-1），分別在地面制作完成，然后逐塊吊裝進罐進行組對安裝，完成整個拱頂的施工，從而極大降低了施工安裝的難度和安全風險。

24個拱頂塊按照結構形式不同又可均布分成12個大拱頂塊（編號為BL-2），12個小拱頂塊（編號為BL-3），拱頂塊分布形式如圖2所示，單數序號①、③、⑤…為BL-2，雙數序號②、④、⑥…為BL-3。BL-2和BL-3的主要區別是，結構上：拱頂塊BL-3邊緣兩側比拱頂塊BL-2少兩根主梁，此外BL-3拱頂塊在制作時兩側共有9塊拱頂板預留不安裝，待整個拱頂結構組對安裝完成后，再敷設預留拱頂板；安裝方法上：整個拱頂組對安裝時，先進行BL-2拱頂塊對稱吊裝組對，待BL-2拱頂塊全部安裝完成后，再進行BL-3的吊裝安裝。拱頂塊結構形式如圖2、圖3所示，圖中的空白處為BL-3拱頂塊預留拱頂板位置。

圖3 拱頂塊BL-2、BL-3分布形式

2 拱頂塊模具構造原理

現場通常采用模具的方法來制作拱頂塊，實現拱頂塊模塊化生產，這將極大的提高拱頂塊制作效率，降低勞動強度和成本，并有利于拱頂塊的制作質量尤其是尺寸。因而，在拱頂塊制作前，一般制作好幾個拱頂塊模具。

根據光的垂直投影原理，將球型曲面的拱頂塊鋼結構框架投影到水平面上。如圖4所示，儲罐拱頂塊兩端連線與水平面成 16.04°角，為了便于拱頂塊垂直投影，現將拱頂塊進行旋轉，旋轉后拱頂塊兩端連線與水平面的角度成0°角，即拱頂塊水平放置。然后拱頂塊在水平面上垂直投影，在平面上得到一個框架投影，以此投影得到的圖形即為模具的底座結構。在底座上選擇適當的點作為拱頂塊支撐點，支撐點選擇的原則是盡量靠近主梁和環梁的交接處，但又不能妨礙施工時環梁的安裝焊接作業，模具支撐點數量一般為 34個。支撐點選定后，根據拱頂曲面高度，在 CAD或者三維Solidworks軟件中描繪和測量出各支撐點至拱頂梁底面的高度，這便是拱頂塊模具支撐立柱的高度。拱頂塊模具底座尺寸如圖5所示：

圖4 拱頂塊制作原理圖

圖5 拱頂塊模具底座尺寸圖

3 拱頂塊模具施工

在拱頂塊模具制作前，使用工程推土機、壓路機平整壓實施工區域地面，然后再鋪上200mm厚的碎石層，再壓實，保證底座基礎有足夠的強度。

基礎處理好后，開始進行模具底座的施工，模具底座一般采用H型鋼以保證整個支架的剛度。根據模具圖紙尺寸粗擺放好底座H型鋼，再使用水平儀、水準儀等測量工具調整H型鋼水平度，以及對底座的基本尺寸進行定位，定位后對模具的底座進行檢查，對型鋼懸空或者不穩定的地方用鋼板墊實，保證底座的穩定性。

上述工作完成后，在底座上按照模具圖紙尺寸定出支撐點，在支撐點處安裝立柱，支撐立柱可采用H型鋼或者Φ168鋼管，待立柱安裝完成后，根據圖紙數據表所示的尺寸定出立柱的標高，對立柱高度進行修整，完成后，可用角鋼作為斜撐對立柱進行加強。完成模具安裝工作后，使用儀器對模具尺寸進行復查，保證測量尺寸與圖紙數據表相符。拱頂塊模具制作如圖6所示。

圖6 拱頂塊模具示意圖

4 拱頂塊制作

4.1 拱頂塊材料

拱頂塊材料包括有弧度的H型鋼和拱頂板，H型鋼由鋼板拼焊組成，一般在型鋼加工廠完成，拱頂板在現場下料預制。

H型鋼拼焊。拱頂鋼結構H型鋼主要有H350×174、H350×250兩種形式，因而拼焊型鋼的鋼板很窄，鋼板下料時采用機械切割的方式進行，不宜使用火焰切割，防止板材變形。H型鋼拼焊前用日字卡固定，復測好尺寸后再進行焊接作業。焊接時，焊接人員宜在型鋼兩側同時對稱施焊，并采用退步跳斷焊的焊接方法，減少焊接變形。

拱頂板下料。儲罐拱頂為球形曲面，并且拱頂板焊接時有尺寸收縮，因此，拱頂板下料前，必須按照設計圖紙重新排版，定出每塊拱頂板的尺寸。首先用CAD畫圖軟件測出拱頂板的徑向弧長l1、l2、l3…（如圖7所示），即得到拱頂板展開后的長度(圖7所示的 AD、 BC…)，然后根據拱頂板所在拱頂的徑向半徑R1、R2、R3…，測出拱頂板的環向弧長L1、L2、L3…，即得到拱頂板展開后的寬度（圖7所示的 AB、EF、 GH…）。拱頂板下料圖完成后，即可進行拱頂板的切割工作，拱頂板可以采用機械切割也可以采用半自動火焰切割。

圖7 拱頂板排版下料示意圖

4.2 拱頂塊結構組裝

對拱頂塊結構梁材料的弧度和尺寸進行檢查、驗收，根據下料圖進行劃線、切割下料、開坡口，采用手工火焰切割時，切割完成后應進行打磨處理。下料完成后，對各型鋼按照圖紙進行編號，避免安裝時使用混亂。

下料完成后，在模具上進行拱頂塊BL-2制作，拱頂塊制作如圖8所示。按照施工圖紙，把已經預制的主梁放置在模具上，調整尺寸后用卡具進行固定，然后吊裝、安裝環梁，主梁和環梁組對完成后，檢查整個拱頂框架的尺寸和對接口的間隙，合格后可進行環梁與主梁對接口的焊接工作。

拱頂框架安裝、焊接、檢查及無損檢測完成后，安裝拱頂板。拱頂板的安裝順序為先下后上，即拱頂板逐塊逐層往拱頂中心安裝。安裝時只能對拱頂板進行點焊，待整個拱頂塊的拱頂板安裝完成后方可施焊。

拱頂塊BL-3的施工方法和BL-2類似，差別只是在制作時預留兩側的拱頂板不進行安裝，待整個拱頂吊裝安裝完成后，再進行施工。

拱頂中心圈BL-1不用在模具上制作，在施工平臺上按照圖紙把結構梁拼接完成。

5 拱頂塊吊裝移位方案設計

5.1 吊裝參數

根據現場的具體條件以及吊裝機具裝備情況，對于已經制作好的拱頂塊（BL-2、BL-3），采用100t履帶吊作單機吊裝方式，將其從制作模具上吊裝移位至臨時存放支架上。100t履帶吊起重性能表1所示：

表1 起重機起重性能表

拱頂塊吊裝配用50t吊鉤，吊索選用型號為6×37+1型、抗拉強度δb=1770Mpa、φ26mm的鋼絲繩，吊鉤、吊索總重約M1=2000Kg。

拱頂塊BL-2重量為：M2=20100 Kg，BL-3重量為：M3=10500 Kg。

考慮吊裝動載荷的影響，載荷系數取 1.1，則吊車起重的最大重量：

M=(M1+ M2)×1.1=(2000+ 20100)×1.1=24310 Kg

100t履帶吊選用工況為：起重臂長46m，作業半徑10m，在此工況下吊車的額定起重量為31800 Kg，吊車的起重負荷率為76%，吊車的吊裝能力能滿足吊裝的要求。

5.2 吊耳設置與核算

吊耳設置：在拱頂塊上共設置6個吊點，頂部、中部、底部各兩個，每個吊點配用1根吊裝鋼絲繩，鋼絲繩長度分別為L1=24100mm，L2=18000mm，L3=21500mm，吊裝示意圖如圖9所示。

吊耳強度核算：吊耳受剪力截面如圖10所示 B-B面，對于矩形截面，Tmax=3Qmax/2A式中

Qmax——吊耳受到的最大拉力，位置為鋼絲繩最長的吊點位置。Qmax=Mg/cosθ=（24310×9.8/6）×(24100/18000)=53162 N；

A——吊耳剪切面積，A=12×(75-20)×10-6=6.6×10-4m2。

所以，Tmax=3Q/2A =3×53162/(2×6.6×10-4)=120.8MPa＜[σ]Q345=189Mpa，吊耳強度滿足吊裝要求。

吊耳焊縫計算：

吊耳角焊縫高度hf=12mm，按直角角焊縫計算其強度。在通過焊縫形心的拉力、剪力作用下：

正面角焊縫（作用力垂直于焊縫長度方向）：

側面角焊縫（作用力平行于焊縫長度方向）：

式中

he——為角焊縫計算厚度，he=0.7hf=8.4mm；

lw——為角焊縫計算長度，等于焊縫長度減去 2hf，lw=250-2×12=226mm；

βf——為正面角焊縫強度設計值增大系數，對直接承受

荷載結構，fβ=1.0。

單個吊耳最大正拉力（垂直方向）：

單個吊耳最大正拉力（平行方向）：Nmax2= Nmax1×tgθ=39706×0.886=35180 N

所以，吊耳焊縫強度能滿足吊裝需要。

圖8 拱頂塊制作作業圖

圖9 拱頂塊吊裝示意圖

圖10 吊耳示意圖

5.3 起重鋼絲繩吊索強度核算

吊索強度核算公式：T· C≥K·P式中

C—鋼絲繩吊索載荷不均換算系數，對于6×37鋼絲繩取C=0.82；

K—鋼絲繩使用安全系數，取K=5.5；

T—鋼絲繩破斷拉力，根據《重型設備吊裝手冊》查表T=381 KN；

P—鋼絲繩受到的最大拉力，P= Qmax=Mg/cosθ=(24310×9.8/6)×(24100/18000)= 53162 N。

所以，K·P=5.5×53162N=292.391 KN＜K·P=0.82×381=312KN，吊索強度滿足要求。

6 結束語

隨著國內市場對LNG液化天然氣需求日益增加，LNG接收站正蓬勃發展。文章通過對LNG儲罐拱頂結構、拱頂模具構造原理、拱頂塊吊裝方案選定的論述，以及對拱頂模具制作、拱頂塊制作等重點工序和要點的介紹，為國內類似 LNG儲罐工程施工提供技術參考。

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