LNG鋼結構模塊沉降分析及修正研究

劉榮坤， 李家軍， 田從永， 王 毅， 冷亞林， 楊建昌

(海洋石油工程股份有限公司， 山東 青島 266555)

LNG鋼結構模塊沉降分析及修正研究

劉榮坤， 李家軍， 田從永， 王 毅， 冷亞林， 楊建昌

(海洋石油工程股份有限公司， 山東 青島 266555)

液化天然氣(LNG)鋼結構模塊自重較大，建造期間會產生沉降，影響設備及管線安裝精度。通過對不同地基上LNG鋼結構模塊進行周期性沉降觀測，分析討論模塊累計沉降量及沉降過程特點。針對模塊不同沉降，提出應對模塊沉降的修正對策，保證后續標高測量精度。

LNG模塊;沉降觀測;數值分析;修正

0 引 言

液化天然氣(LNG)鋼結構模塊分布有大量設備和管線，標高公差嚴格[1—2]，在總裝建造過程中，因模塊底部支撐腿立柱承重高，地基夯實程度不同，會導致模塊發生不均勻沉降，嚴重影響設備、管線安裝標高精度。石繼程等[3]指出非滑道區的不均勻沉降會引起大型LNG管廊結構建造過程沉降；趙林峰等[4]研究表明地基的不均勻沉降會引起汽輪機組主結構的標高異常，可調整主結構標高解決；賴訓誠[5]研究指出軟地基大型設備安裝過程中需通過沉降觀測統一設備標高安裝精度。以上研究表明，LNG鋼結構及設備建造安裝過程中，不均勻沉降會引起標高安裝異常，影響建造精度。本文以滑道區和非滑道區LNG鋼結構模塊為研究對象，從沉降過程和累計沉降角度，分析LNG鋼結構模塊沉降特點，解釋沉降原因，并提出沉降修正方法。

1 研究對象及觀測分析

1.1 建造場地簡介及研究對象

建造場地非滑道區地層主要有素填土(碎石素填土和粉質黏土素填土)、淤泥、殘破積土和基巖[3]，滑道區采用沉箱內樁基的結構形式[6]。本文以滑道區模塊A和非滑道區模塊B為研究對象，具體信息如表1所示。

表1 模塊A和B主要信息

(續表)

1.2 沉降點布控及觀測方法

沉降觀測點位布控包括控制網站點和沉降觀測點布設。控制網站點布控在模塊周圍，滑道區、非滑道區及控制網站點的位置如圖1所示。沉降觀測點布設在模塊底部支撐腿立柱上，如圖2所示。

圖1 滑道區、非滑道區及控制網站點位置圖Fig.1 Slide area, non-slide area and control points’ location

圖2 模塊沉降觀測點Fig.2 Settlement survey points on the module

沉降觀測采用高精度徠卡TS30全站儀(見圖3)，利用多個控制網站點后方交會設站，降低設站系統誤差，采取“五定”原則，即高程基準點、控制網站點、沉降觀測點固定，儀器固定，人員固定，觀測程序、方法固定和觀測環境固定。觀測周期兼顧模塊總體建造方案和甲板片總裝，一般于每層甲板片吊裝后進行。

圖3 徠卡TS30全站儀Fig.3 Leica TS30 total station

1.3 數據分析

將模塊沉降觀測點各周期沉降點數和沉降點的平均沉降量作關于觀測周期的沉降曲線圖，從沉降過程分析控制網站點和模塊沉降特點，通過累計沉降量的統計柱狀圖，分析累計沉降特點。

1.3.1滑道區模塊A

模塊A位于場地滑道區域，共布置沉降觀測點15個，沉降曲線如圖4所示。從圖4看出，模塊A沉降主要發生在2～4周期，每周期沉降點數均在6個以上，平均沉降量在1～2mm之間，第4周期達到沉降峰值，共有12個觀測點產生沉降，平均沉降量1.8mm。第4周期之后，沉降點數和平均沉降量都大幅減小，曲線趨于穩定。

圖4 滑道區A模塊各周期沉降點數統計Fig.4 Statistics of settlement points on module A at slide area

圖5為模塊A各沉降觀測點的累計沉降量，從圖中可以看出，模塊A累計沉降量最大為5mm，產生沉降的沉降點比例為100%，平均累計沉降量3.0mm，模塊總裝期間相對較穩定。

圖5 滑道區A模塊各沉降點累計沉降量Fig.5 Accumulated settlement amounts on module A at slide area

1.3.2非滑道區模塊B

模塊B位于砂石區域，屬于非滑道區，共布置24個沉降觀測點，沉降曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，模塊B沉降主要發生在2～6周期，沉降點多，沉降量大，且平均沉降量大于1mm。第6周期后，沉降現象變緩，沉降點數明顯變少，模塊趨于穩定。

圖6 非滑道區B模塊各周期沉降點數統計Fig.6 Statistics of settlement points on module B at non-slide area

圖7為模塊B各沉降觀測點的累計沉降量。從圖中可以看出，模塊B累計沉降量主要集中在2～7mm，最大為8mm；產生沉降的沉降點比例為100%，平均沉降量5.0mm。相比于滑道區域，模塊總裝期間沉降程度較為嚴重。

圖7 非滑道區B模塊各沉降點累計沉降量Fig.7 Accumulated settlement amounts on module B at non-slide area

1.3.3小結

通過對處于不同地基狀態上的兩個模塊進行分析可以看出，滑道區模塊累計沉降量最大為5mm，沉降主要發生在2～4周期；非滑道區模塊累計沉降量集中在2～7mm，沉降主要發生在2～6周期，總體沉降相對滑道區周期長、沉降量大。因此，建議在模塊總裝前期及中期加大沉降監控頻率，尤其是對處于非滑道區域的總裝模塊加大沉降監控力度，及時對模塊沉降量進行修正處理，以免影響設備、管線的標高安裝精度(一般為±3mm)。

2 沉降原因及修正

2.1 沉降原因

引起模塊總裝沉降的主要因素有：

(1) 模塊總裝建造所在的地基不同，滑道區承重力強，沉降較輕；非滑道區域承重力較弱，沉降較重。

(2) 施工現場大型吊裝作業頻繁(見圖8)，外力引起模塊沉降。

圖8 模塊周圍大型吊裝作業Fig.8 Lifting work around the modules

(3) 模塊自身載荷重量大，質量分布不均勻，導致模塊沉降且各監控點沉降量存在差異。

(4) 模塊開始總裝時，其底部立柱底板與墊墩之間存在縫隙(見圖9)，由模塊壓實作用產生沉降。

圖9 模塊立柱底板與墊墩縫隙Fig. 9 Gap between the module base plate and the foundation

2.2 修正

應對模塊沉降的修正辦法有：

(1) 及時調整控制網站點高程。以模塊A為例，模塊A在第4周期，累計共有87%的觀測點發生沉降，平均沉降量為1.8mm，此時將控制網站點高程統一上調2.0mm，以上調后的控制網站點復測設備、管線標高。但需要注意，此方法應當在模塊發生大范圍沉降時采用，并且考慮測量誤差影響，一般當平均沉降量達2.0mm時進行調整。當發生極個別監控點沉降時，應針對該處立柱進行抬升。以模塊A某設備底座為例，調整前后的標高值如圖10和圖11所示，由圖可知若未及時發現沉降現象，設備底座標高值是超差的(±3mm)，已用云霧線圈出，而根據模塊沉降值調整站點坐標后，標高值滿足公差要求。

圖10 標高調整前Fig.10 Before elevation adjustment

圖11 標高調整后Fig.11 After elevation adjustment

(2) 多點多次匹配擬合。對于沉降嚴重的模塊，應將所有底部立柱與站點重新關聯測量，利用測量軟件，對測量數據和理論模型重新匹配擬合，防止模塊沉降引起平面位置的變動。

(3) 局部多點后方交會測量。在每層甲板總裝焊接完成后，根據模塊累計沉降量，適時修正控制網站點高程。然后將控制網站點返引至模塊上，如此控制網站點與模塊同步沉降，可保證后續標高的測量精度。

3 結 語

(1) LNG鋼結構模塊總裝期間因地基不同而沉降程度不同，滑道區域模塊沉降相對較小，非滑道區域模塊沉降相對較大。模塊沉降主要發生在總裝前期和中期，因此在總裝前期和中期應加大沉降觀測頻率。

(2) 分析LNG鋼結構模塊沉降的原因，主要包括地基穩定性、外力干擾、自身載荷及質量分布和模塊擺放因素；當模塊產生沉降超過2mm后，及時調整控制網站點高程，可保證后續標高的測量精度。

(3) 模塊沉降修正方法有調整控制網站點高程、多點多次匹配擬合和局部多點后方交會測量，均可修正因模塊沉降引起的標高異常變化。

[1] 何小超.LNG模塊化建造尺寸的誤差分析及控制[J].中國石油和化工標準與質量雜志,2016(12)： 98.

He Xiao-chao. Dimension error analysis and control for LNG modularization constructions [J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality, 2016(12)： 98.

[2] 鞠學國,王鐵瑤,趙洪濤,等.模塊化建造的設備安裝精度控制[J].中國海洋平臺，2012(S1)： 15.

Ju Xue-guo, Wang Tie-yao, Zhao Hong-tao, et al. Tolerance control for equipment installation on modularization fabrication [J]. China Offshore Platform, 2012(S1)： 15.

[3] 石繼程,孟珣,劉宇婕,等.非滑道區LNG組塊建造地基不均勻沉降分析[J].海岸工程，2015(3)： 24.

Shi Ji-cheng, Meng Xun, Liu Yu-jie, et al.Uneven settlement analysis of the foundation of LNG models constructed in non-slideway zone [J]. Coastal Engineering, 2015(3)： 24.

[4] 趙林峰,劉衛,賀莊.600 MW汽輪機軸系調整和基礎沉降分析[J].電力科學與工程,2015(4)： 58.

Zhao Lin-feng, Liu Wei, He Zhuang.Shaft system test and foundation settlement in the overhaul for a 600 MW stream turbine [J]. Electric Power Science and Engineering, 2015(4)： 58.

[5] 賴訓誠.軟土地基大型設備基礎沉降問題的分析及處理[J].科技資訊,2009(11)： 236.

Lai Xun-cheng. Analysis and treatment for settlement of large equipment foundation in soft soil foundation [J]. Science & Technology Information, 2009(11)： 236.

[6] 徐東暉,王星球,濮文菁.中國海洋石油工程青島海工建造基地工程設計及地基處理研究[J].水運工程,2009(s1)： 75.

Xu Dong-hui, Wang Xing-qiu, Pu Wen-jing. Maritime engineering design in the project of offshore oil engineering [J]. Port & Waterway Engineering, 2009(s1)： 75.

ResearchonModuleSettlementandAdjustmentofLNGSteelProject

LIU Rong-kun, LI Jia-jun, TIAN Cong-yong, WANG Yi, LENG Ya-lin, YANG Jian-chang

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Qingdao,Shandong266555,China)

Settlement will happen in the field-assembly period on liquefied natural gas (LNG) steel modules as they are very heavy. The settlement will influence the installation accuracy of equipment and pipelines. Based on the periodic monitoring on the settlement of the modules which are fabricated on different foundations, the final settlement amount and the feature are found from numerical analysis. In consideration of their different performance, proposals are provided to deal with the settlement to ensure the elevation accuracy of pipelines and instruments installed on them.

LNG module; settlement monitoring; numerical analysis; adjustment

TU391

A

2095-7297(2017)04-0240-05

2017-03-21

劉榮坤(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事鋼結構建筑與安裝方面的研究。