大型LNG全容儲罐新型鋁吊頂方案研究

張博超 范嘉堃 翟博

摘 要：通過探究傳統低溫LNG儲罐鋁吊頂結構及正常操作工況下應用效果的不足之處，提出一種新型吊頂方法，新型鋁吊頂由框架、波紋板和吊桿組成新型吊頂系統，在保證原有結構穩定的前提下，使吊頂結構的安全系數顯著提升，吊頂施工工期顯著下降。

關鍵詞：LNG儲罐；新型鋁吊頂；拉桿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.081

1 引言

隨著天然氣應用的推廣，部分地區和行業對天然氣資源的依賴程度也相應增加，城市用戶和天然氣電廠用戶在不同季節，不同時段對天然氣需求波動較大，而目前管道氣儲氣調峰能力有限，一旦發生供應短缺，很多用戶短期內很難轉而使用其它替代能源，由此會產生巨大的社會壓力。

因此，建立LNG調峰儲運中心，依靠LNG儲罐進行調峰存儲，集約投資建設大型LNG儲罐，對于保障國內天然氣市場供氣的連續性和穩定性，保障民生、推進生態文明建設、創建和諧社會是非常必要的，而新型鋁吊頂在大型LNG儲罐的應用將助力國產化儲罐核心技術的提升。

2 傳統低溫LNG儲罐鋁吊頂結構

傳統的LNG全容儲罐，內罐為頂部敞開結構，材料為X7Ni9鋼，內罐直徑 80余米 ，常溫下高度 30余米。內罐頂部吊材質為鋁合金板，與拱梁通過不銹鋼拉桿連接。吊頂為儲罐承接內外氣相空間，隔絕上部空間熱量傳遞的重要結構。

吊頂的主要功能是為吊頂絕熱系統提供相應的支撐，故其應確保外罐頂溫度不低于其設計溫度，避免出現結冰現象，防止因結冰而出現過度罐頂荷載[1]，并控制BOG蒸發量。保冷和支撐結構應杜絕保冷材料進入罐內，吊頂兩側的壓差不超過一定壓差。

吊頂板材料為鋁合金，吊桿應為不銹鋼，最低設計溫度-168℃。吊頂板邊緣為密封封板結構，以防止珍珠巖粉末流入罐內。吊頂最外圈圈拉桿外側設置珍珠巖粉末擋板，擋板需保證儲存足量珍珠巖粉末，且防止粉末流動到吊頂上。

3 傳統吊頂存在問題

為了研究傳統鋁吊頂存在的問題，對儲罐吊頂進行了詳細計算。

3.1 模型建立

吊頂模型分析了鋁制吊頂在所有荷載作用下產生的變形位移和吊頂表面的應力值。模型的建模分為三部分進行建立：吊頂鋁板、加強環、拉桿。

吊頂模型采用殼單元進行建立。材料屬性為B209 5083-O，鋁板厚度為5mm，幾何模型如圖1所示：

吊頂加強環采用梁單元進行建立，材料屬性為B209 5083-O，1-11圈加強環梁單元截面為矩形，尺寸為200mm×18mm，第12圈加強環為T型截面，幾何模型如圖2所示：

吊頂拉桿采用梁單元進行建立，材料屬性為A276 Gr 304 L，梁單元截面為矩形，尺寸為50mm×8mm，幾何模型如圖3所示：

3.2 材料屬性

計算共設兩種材料屬性，其中吊頂鋁板及加強環采用B209 5083-O，吊桿采用A276Gr 304 L。兩種材料屬性如表1所示[2]：

3.3 施加荷載

（1）吊頂自重：吊頂自重主要包括吊桿、吊頂、加強環的自重，通過在重力方向添加重力加速度來施加，施加的加速度為9.8m/s2。（2）保冷荷載：在吊頂上布置1.5米厚保冷材料，保冷材料密度16kg/m3。在計算中鋁板上表面施加240N/m2均布面荷載。（3）施工荷載（均布）：根據EN 14620-1 7.3.2.2.2節規定，在鋁板上表面施加500N/m2均布面荷載[3]。（4）施工荷載（集中）：根據規定，鋁板需能承受1500N的集中荷載。在吊頂計算中，在每圈鋁板中心位置施加1500N的集中荷載。

3.4 應力與位移計算

吊頂應力云圖如圖4所示：

傳統吊頂材料為鋁板，采用單面搭焊連接。根據EN14620-2 5.2.1.3.1規范，單面搭焊鋁板許用應力系數為0.35[3]，因此吊頂鋁板許用應力較低，根據相關項目計算結果，吊頂鋁板處計算最大應力與許用應力相差較小，安全系數較小。

因此提高吊頂強度，可增加吊頂安全系數，減少吊頂材料用量。從提升吊頂強度和設計安全系數的角度出發，考慮采用波紋板代替平板結構能夠顯著提高吊頂承載能力。

4 新型吊頂

LNG儲罐吊頂采用鋁板安裝制作，安裝過程中鋁板采用焊接形式連接。波紋板吊頂采用鋁制型材，制作吊頂徑向梁和環向梁，代替傳統吊頂型形式中的吊頂加強筋，在吊頂徑梁和環梁上鋪設鋁制波紋板。波紋板與吊頂梁間采用緊固件進行連接，并在吊頂保冷材料下方增設一層鋁箔，保證吊頂的氣密性。目前波紋板吊頂結構形式，已在中石油江蘇LNG等項目進行應用[4]。

4.1 吊頂材料及安裝

波紋板吊頂徑向梁、環向梁、波紋板均為鋁、吊桿及連接件為不銹鋼?？v梁、環梁、波紋板及吊頂拉桿的預制均在預制廠完成，現場只進行安裝工作。通過預制，現場無焊接工作，吊頂質量便于控制，同時可減少現場焊接等受限施工工作，減少現場人員及機具使用量，減少施工周期。

波紋板吊頂安裝時，先進行材料預制及制作，根據吊頂具體參數，將吊頂分為多個單元（榀），每一單元（榀）的吊頂量、波紋板均在預制車間完成。將車間內制作完成的每一單元（榀）運送至現場，在現場進行安裝。安裝時先進行儲罐中心點測量，再進行吊頂梁框架安裝，然后進行吊頂拉桿安裝，最后進行吊頂波紋板安裝。

4.2 吊頂拉桿

由于吊頂在施工及運行中存在變形，因此每個吊頂拉桿實際受力情況與理論計算存在差別，部分拉桿連接較緊，部分拉桿連接較松。本吊頂方案拉桿材料采用不銹鋼圓鋼，在拉桿之間增設一個帶螺紋的

連接件，將此鏈接見連接至吊頂拉桿。在儲罐升頂或穹頂澆筑完成后，可調節此連接件，對部分較松的拉桿進行緊固，使吊頂拉桿受力更均勻。

4.3 波紋板吊頂優勢

波紋板吊頂結構形式優勢主要有以下幾點：

（1）減少工期：波紋板吊頂結構形式，有很多工作在預制車間即可完成，因此現場可減少大量的工程量，使得現場吊頂安裝工期縮短，減少儲罐的建設周期，減少儲罐施工時的交叉作業時間。

（2）便于質量控制，減少現場工作量：由于吊頂梁、波紋板在預制車間完成，因此可在預制車間對材料制作進行嚴格控制，現場只進行安裝工作。無焊接檢測等工序，可提升整個吊頂的施工質量，減少現場焊接檢測。

（3）降低吊頂重量：一般的LNG儲罐吊頂，通常采用5mm或6mm吊頂鋁板，波紋板吊頂采用1.2mm波紋板。波紋板的重量小于常規的吊頂鋁板重量。根據估算，采用波紋板吊頂結構形式，可降低儲罐吊頂重量約20%，便于穹頂設計及升頂施工控制。

（4）便于拉桿調節：本方案采用不銹鋼圓鋼作為吊頂拉桿，在拉桿中間增設連接件。連接件可調節吊頂拉桿的長度，在升頂結束或穹頂澆筑結束時，可對吊頂拉桿連接件進行調節，使得每個拉桿受力均勻。

5 結論

新型鋁吊頂由框架、波紋板和吊桿組裝而成?？蚣苁怯射X合金型材用緊固件裝配的整體結構，然后將框架通過吊桿與低溫儲罐的拱頂梁連接，再在框架上鋪設鋁合金波紋板。用冷成型加工的波紋板，形狀簡潔，波度大，強度高，精度好，施工安裝方便。裝配后的波紋板鋁吊頂，整體平整，總體重量更輕，能有效改善拱頂結構的受力狀況，所有構件都在工廠制造并預組裝，現場安裝方便快捷，縮短現場工期。經成本測算，采用裝配式波紋板鋁吊頂不會比現場焊接的平板吊頂增加成本，具有進一步推廣應用的價值。

參考文獻：

[1]揚帆，張超，李牧等.大型液化天然氣儲罐吊頂結構設計淺析[J].石油化工設備，2015（03）.

[2]美國標準ASTM B209M：Standard Specification for Aluminum and Aluminum-Alloy Sheet and Plate.

[3]歐洲標準EN14620：Design and manufacture of site built，vertical，

cylindrical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，

liquefied gases with operating temperatures between 0℃ and -165℃.

[4]綦國新，唐凱，張劍等.新型鋁吊頂在國產大型LNG儲罐的應用研究[J].天然氣技術與經濟，2017（01）.

作者簡介：張博超（1990-），男，北京人，本科，工程師，主要從事LNG儲罐設計和研發工作。