30000m3 LNG雙金屬壁全容儲罐倒裝施工技術探微

朱志華

（中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300308）

石油和天然氣在國民經濟發展中發揮著非常重要的作用。為響應國家“十三五規劃綱要”，推進油氣儲備設施建設，提高油氣儲備和調峰能力，由中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司承建的濟南南曹范LNG調峰儲配站（一期）工程，是山東省首個30000m3LNG雙金屬壁全容儲罐，以及重點民生工程，在用氣高峰季節為濟南的正常供氣提供了有效保障。

儲罐結構形式分為雙殼層、外拱頂、內懸浮吊頂儲罐三種。主要工程量有外罐、內罐、外拱頂、內吊頂、罐壁加強圈、熱角保護壁板、抗壓圈、儲罐保冷、接管及內部管線、其它附件（罐內直梯、罐上平臺）等。本項目配套的30000m3LNG全容儲罐采用架空式基礎，正常工況下，LNG 液體儲存于全容罐內罐（主容器）中，外罐及熱角保護系統構成的次容器用于盛裝BOG閃蒸氣及保冷材料。在內罐泄漏的情況下，次容器能有效儲存 LNG 液體并實現蒸發氣安全、可控的排放。內、外罐均為圓柱形儲罐（罐體材質采用S30408不銹鋼），內罐頂為內懸浮吊頂式，通過吊桿吊掛在外罐拱頂結構梁上，外罐頂板采用16MnDR，頂部支撐結構為肋環形網梁。儲罐內罐直徑41.5m，外罐直徑 43.5m，外罐拱頂高度36.275m，總重超過 2800 噸，工作壓力10～15kPa。儲罐主體結構如圖1所示。

1 液壓頂升的原理及特點

1.1 液壓頂升的作業原理

將滿足條件的頂升設備均勻布置在罐壁四周，外罐拱頂與抗壓圈承壓環組焊完成。先頂升抗壓圈，再逐層頂升倒裝儲罐壁板。采用自鎖式液壓千斤頂和頂升架、頂升桿集成的一體型液壓頂升裝置。當液壓千斤頂進油時，上部卡頭鎖死并頂起頂升桿和脹圈（脹圈設一道即可），從而帶動罐壁板向上頂升；當液壓千斤頂收油時，其上部卡頭隨活塞桿回落，這時下邊的卡頭自動鎖死頂升桿，防止下移。液壓頂升裝置重復上述過程，使儲罐壁板隨之提升，直至滿足下層壁板的焊接高度。下層壁板縱、環焊縫組焊完成后解開液壓頂升裝置自鎖系統，放開卡頭將頂升桿和脹圈下移到下層壁板底部，利用龍門卡焊接固定好，重復上述過程，將焊接完成罐壁板頂升，直至最底圈壁板組焊完成[1]。提升過程中，每提升一圈帶板，罐壁的焊點都會及時打磨清除并做酸洗鈍化處理。

1.2 液壓頂升的特點

大型LNG儲罐液壓頂升施工方法在國內日趨完善。與其他LNG儲罐施工方法相比，倒裝法施工具有以下優點：（1）液壓頂升平穩、安全、可靠。可通過控制箱對各液壓泵站進行集中控制，也能對每個液壓缸進行調整，所以罐體頂升過程中靈活性較好。自鎖型的液壓頂升裝置的結構特性保證了頂升過程的安全可靠。即使遇到特殊情況如斷電，罐體也能保持穩定可控，不會發生墜落造成事故[2]。（2）施工質量有保證。自鎖型的液壓頂升裝置具有微調功能，可對頂升高度進行較精準的控制，方便上下兩層壁板的對縫焊接。設備便于操作、施工環境好、工效高。（3）設備的適應性強。倒裝法可通過調整液壓頂升設備的數量，用于不同規模的儲罐施工。

圖1 儲罐主體結構（單位：mm）

另外，LNG儲罐是雙金屬壁結構，分內罐和外罐。先進行外罐的組焊頂升施工，外罐完成后，預留臨時門洞，再進行內罐的施工。內罐施工時正好有外罐的封閉保護，施工焊接質量受惡劣天氣影響很小，從而保證施工的質量和效率。

1.3 液壓頂升設備的調試程序及控制原理

液壓頂升設備的調試程序：確定頂升壓力—頂升機調試（100mm左右）— 自動頂升裝置 — 自動頂升 — 頂升到位 — 個體調整回落就位（或對縫）— 關閉節流閥。

液壓泵站采用三相AC電機對四個液壓千斤頂進行控制，液壓頂升成套設備的溢流平衡原理如圖2所示。在裝置油路中的電磁換向閥兩側添加2個泄壓閥，泄壓閥1負責調整回落時和靜止時的溢流平衡，泄壓閥2負責調節頂升時的溢流平衡。在頂升過程中，頂升速度不同會導致頂升高度不同，造成某處受壓過大。這時泄壓閥2開啟，受壓過大時，液壓缸中的液壓油經泄壓閥2流回油箱；在回落或靜止時，某處頂升偏高，受到壓力過大。這時泄壓閥1開啟，受壓過大時，液壓缸中的液壓油經泄壓閥1流回油箱。使用這種超過額定壓力，液壓油溢流的方式，可大大提高液壓頂升裝置的安全可靠性[3]。

圖2 超壓溢流保護原理

2 30000m3LNG雙金屬壁全容儲罐倒裝施工技術要點

2.1 頂升前施工準備

液壓頂升施工應在罐內抗壓圈及頂部鋼結構焊接完成后進行。施工前應拆掉儲罐預組裝階段所搭設的儲罐中心圈臨時桁架，并將儲罐組焊施工中的垃圾廢料處理干凈。安裝液壓頂升工具，安裝位置均布在罐內距罐壁250mm的圓周上，每個液壓頂沿徑向使用φ89鋼管或圓鋼打兩個斜撐以增強液壓頂升設備的穩定性。

液壓頂升裝置調試完成后應安裝脹圈和拉桿、插班。脹圈采用槽鋼滾弧后對扣焊接而成，把工字鋼300×100提前預制成罐體的弧度并將其對焊，保證脹圈焊完后弧度能與儲罐罐壁相適應。脹圈沿罐壁圓周多段布置，頂升裝置將脹圈頂緊在儲罐罐壁上，在每段脹圈的端頭部位用預焊卡件把脹圈焊死，保證脹圈頂升過程中的穩固性（液壓頂升裝置及脹圈沿圓周布置現場見圖3）。

在罐體每圈壁板組焊前預先在壁板畫出組焊位置區域。汽車吊把壁板吊至預定位置，吊運組裝壁板時通過點焊預固定。整體圍板完成后，先進行壁板立縫的焊接，使用分段倒退焊方法，焊接工人沿罐周平均布置[4]。然后安裝焊接罐壁圈板的臨時固定調節裝置并進行調整（焊接現場見圖4）。

圖3 液壓頂升裝置及脹圈沿圓周布置現場

圖4 圍板焊接現場

2.2 施工工序流程

30000m3LNG雙金屬壁全容儲罐倒裝施工工序較復雜（見圖5）。

圖5 倒裝法施工工序流程

2.3 施工機具及相關驗算

2.3.1 液壓頂升設備

30000m3LNG低溫儲罐提升參數如下：拱頂+抗壓圈+吊桿+吊頂板+拱頂板+第14～1圈壁板重量（考慮連接固定附件重量）。

P最大=206.874+82.018+25.5+18.16+26.028×9+30.36+34.704+34.704+39.036+43.38=748.988t

通過上述計算得知，罐體頂升需要計算的最大重量為748.988噸，考慮安全裕量，頂升裝置工作荷載以不超過額定荷載的80%為準。本工程采用HR4000-30TLT型頂升機成套裝置，頂升速度為0.2m/min，總行程為2050mm/4000mm（最高）。由于每套頂升裝置工作荷載不超過額定荷載的80%，所以每套頂升裝置提升荷載的能力應為30t*80%=24t。現場準備30T液壓提升機39臺負荷分析：單臺液壓頂升設備受力為748.988/39=19.204t＜24t，固液壓頂升能力滿足條件。

2.3.2 倒裝法考慮風荷載影響因素的計算

為保證罐體在頂升過程的安全，防止異常天氣下大風造成罐體傾覆，根據設計文件提供的工程氣象條件中平均最大風速為25m/s進行計算。地面橫風對罐體的作用：P壓力=0.5pcv2。式中，P壓力為壓力，單位Pa；p為空氣密度(氣壓取1002.4hPa，往年11～12月平均環境溫度為9℃)，空氣密度p=1.293×(實際壓力/標準物理大氣壓)×(273.15/實際絕對溫度)，絕對溫度=攝氏溫度 +273.15，空氣密度 p=1.293×（1002.4/1013.25）×（273.15/282.15）=1.238kg/m3； c為風力系數 (弧面工況下c為0.7);v即風速，m/s(以最大風速25m/s計 )。則：P壓力=0.5pcv2=0.5×1.238×0.7×252=27 0.81Pa。

外罐體最大迎風面積S=Dh=43.5×36.275=1577.96m2；迎風面最大風力F=P壓力，S=270.81×1577.96/1000=427.33kN。式中，D為罐體直徑，h為外罐拱頂高度。當儲罐受風力影響，受風面產生的彎矩超過儲罐自身質量相對于傾覆點所產生的彎矩時，就可能發生翻倒事故。

實際風力彎矩M1=F×h/2=427.33×36.275/2=7 750.70kN·m ；

自重彎矩 M2=P最大×D/2=（748988×9.8/1000）×43.5/2=159646.79kN·m ；

兩者比較，可看出M2遠超M1,所以在沒有額外加固措施的情況下，罐體的頂升幾乎不受風荷載影響，十分安全。

2.4 頂升注意事項

開始頂升后，各設備監管人員立即記錄油泵、電流、電壓、溫升、油壓及液壓裝置行程數據，發現異常立即向現場負責人匯報情況。

頂升提高儲罐壁板距底部邊緣板高出150mm左右時，各安檢員要查看有無異常。壁板上升期間，注意隨時調整頂升裝置上升的差異程度，控制在40mm以內。圍板外圈的巡察人員隨時敲打兩層板的交叉處，防止某些部位可能出現卡滯阻礙的情況。但油壓、電機電流、電壓超出說明書規定值時，指揮員應發出暫停頂升命令，待查出原因，排除故障后再繼續頂升。若頂升裝置不同步，則單獨調節個別液壓提升設備后繼續提升，直到達到下一層壁板預設焊接的位置[5]。

3 結語

大型儲罐倒裝施工適用范圍廣，操作控制簡單、可靠、危險性小。利用液壓頂升集中控制的優勢，能避免電動葫蘆提升速率不均造成罐體提升過程易傾斜、對板焊接難度大的問題。同時相比正裝法不必搭設滿堂腳手架，場地限制小、地面可作業、機械臺班數量少，其經濟性、效率高等顯而易見。可在今后儲罐安裝工程中進一步推廣應用。