大型雙金屬低溫儲罐穹頂氣頂升工藝研究

常 永

中石化第四建設有限公司 天津 300270

當前，國內低溫儲罐的建設進入了一個大發展時期，各大石化公司紛紛進入了該領域。隨著科學技術的發展，雙金屬低溫儲罐作為低溫罐的重要組成部分，罐容設計越來越大，目前國內最大罐容已達10 萬m3。作為儲罐建造關鍵技術之一的穹頂安裝，也正在發生變革，從小罐容的倒裝液壓頂升工藝、大型起重機械吊裝工藝發展到了氣頂升工藝。

因具有安全、高效、經濟等優勢，穹頂氣頂升工藝成為低溫儲罐建造的首選工藝。經過十余年的改進、優化，目前該工藝在國內預應力混凝土低溫儲罐建造中已非常成熟。但在雙金屬低溫儲罐建造中，目前應用還很少。

隨著雙金屬低溫儲罐的大型化、規模化，傳統的液壓頂升倒裝工藝和大型起重機械吊裝就位工藝在安全性、時效性、經濟性等方面已不能滿足需求，穹頂氣頂升工藝正成為該類型儲罐穹頂的安裝方向。本文以某10 萬m3低溫儲罐穹頂安裝為例，簡要介紹雙金屬低溫儲罐穹頂氣頂升的施工工藝。

1 工程簡介

10 萬m3低溫儲罐規格φ70m×49.53m。其穹頂由24 片預制拱頂片在罐內臨時支撐上安裝成整體后，再安裝施工單軌、拱頂接管/ 套管、拱頂下平臺及通道等附件，以及鋁吊頂和吊桿；最后將上述設備作為一個整體，在臨時大門處使用鼓風機向罐內鼓風，利用壓力差將上述拱頂整體氣吹升頂到設計位置，提升高度34.08m，然后焊接固定。拱頂氣升頂示意圖如圖1 所示。穹頂氣頂升重量為850.79 t（表1）。

2 施工工藝

2.1 工作流程

雙金屬低溫儲罐氣頂升施工工藝與預應力混凝土低溫儲罐施工工藝相近，主要分為平衡系統、密封系統、鼓風系統和測量系統四大系統。待四大系統均安裝、檢查完成后，即具備頂升條件。其工作流程見圖2。

表1 穹頂氣頂升重量

2.2 平衡系統

平衡系統分為平衡校正系統和平衡配重系統。平衡校正系統是利用鋼絲繩的張力來控制氣升過程中拱頂傾斜角度和水平角度的裝置，由鋼絲繩、T 型支架、雙導向滑輪、錨固吊耳、花籃螺栓和鋼絲繩夾等組成，共24 套。鋼絲繩由承壓環T 型支架垂直向下，穿過拱頂臨時密封板到施工單軌固定的雙導向滑輪，再到180°對稱施工單軌固定雙導向滑輪。鋼絲繩一端固定在承壓環臨時焊接的吊耳上，另一端固定在罐壁上靠近大角縫位置焊接的臨時錨固吊耳上。

平衡配重系統主要是保證氣頂升時罐頂的平穩升起，維持罐頂所有構件在平面投影上的重量分布對于罐頂中心的對稱平衡。雙金屬低溫儲罐由于設計荷載分布不均，拱頂環向、徑向梁規格大小不一，配重計算時需考慮拱頂梁、拱頂/ 吊頂的接管/ 套管等全部構件。配重計算完成后，利用罐頂預留環形鋼板進行均布配重，以達到罐頂構件的重量平衡。圖3 為平衡系統的示意圖。

圖2 雙金屬低溫儲罐氣頂升施工工藝流程

圖3 平衡系統示意圖

2.2.1 平衡校正系統安裝

（1）以承壓環上的0°、90°、180°、270°方位角為基準線，在拱頂中心使用全站儀在承壓環環板上定位T 型支架角度位置，按照0°、90°、180°、270°順時針方向，每隔15°定位一個T 型支架。

（2）T 型支架共24 個，每個高1.5m，安裝在承壓環環板上，起始角度0°，安裝半徑R=34773mm。支架必須與拱頂的鋼絲繩孔保持垂直（圖4）。

（3）在承壓環定位點上安裝焊接T 型支架，焊角高度不小于8mm，T 型架由HW150 型鋼及管徑為168mm 的管段制作而成。T 型支架兩側增加I14 橫向斜支撐進行加固，以增加其橫向抗扭轉能力。頂部T 型支架及吊耳示意圖見圖5。

（4）為實時觀測鋼絲繩的張拉力，在承壓環頂部長期固定2 個拉力計，拉力計一端固定在承壓環吊耳上，另一端固定在鋼絲繩開始端，2 個拉力計分別安裝在互成90°的兩根鋼絲繩上。

（5）焊接在承壓環和罐壁底部的錨固吊耳采用5t板式吊耳，吊耳、滑輪組、T 型支架等臨措工裝均需由質檢員進行外觀檢查，以保證焊接質量。

2.2.2 平衡配重安裝

（1）根據配重計算書，繪制配重布置圖；

（2）利用罐頂預留環形鋼板及準備的小型配重塊按布置圖進行放置、固定；

（3）頂升過程中若穹頂對角高度差超過200mm，采用汽車吊進行配重調整，直至達到平衡狀態。

圖4 底部鋼絲繩安裝示意圖

圖5 頂部T 型支架及吊耳示意圖

2.3 密封系統

密封系統分3 個部分：

（1）罐頂開孔，使用鋼制盲板進行密封。

（2）外罐預留大門和混凝土承臺預留排水孔。預留大門用臨時鋼架和鋼板進行封閉，排水孔用混凝土澆注封閉。

（3）罐頂板四周外罐壁間的間隙。

受圖紙設計形式制約，與承壓環連接的環形拱頂板（圖6，件號10- 2）需要在氣升頂后才能安裝，導致拱頂板和罐壁之間垂直距離約1110mm 的距離未密封，需要安裝臨時密封板對拱頂進行密封，密封板規格6mm×2264mm×1363mm，密封板與拱頂梁、拱頂板間使用龍門板和方銷子進行固定（圖7），密封板與拱頂梁、拱頂板間使用3mm 橡膠條進行密封。

圖6 承壓環與罐頂連接示意圖

圖7 臨時密封板

為了保證拱頂氣吹期間的罐體嚴密性，采用密封裝置進行拱頂與外罐內襯板間的密封。密封系統包括通孔方鐵、圓柱銷、主密封（鍍鋅鐵皮）、次密封（鋁箔纖維布）和壓條等，在拱頂臨時密封板下表面邊緣距罐壁216mm，每隔760mm 安裝一個通孔方鐵（規格24mm×60mm），通孔方鐵上安裝一圈主密封和次密封。主密封采用鍍鋅鐵皮，規格1mm×1000mm；次密封采用鋁箔纖維布，規格0.5mm×1200mm。詳見圖8。

圖8 拱頂氣升密封系統示意圖

2.4 鼓風系統

2.4.1 臨時門洞封閉

（1）罐內密封系統和平衡系統配件全部制作完成并運輸到罐內，罐內影響氣升頂工作的物件清理干凈后，開始臨時門洞的封閉工作；

（2）將厚度為14mm 的鋼板焊接到罐壁和罐底，焊接采用斷續焊100mm（200mm），焊接高度8mm；然后用玻璃膠進行四周密封，避免氣升頂過程中氣體過量流失；之后在鋼板外側安裝HW150 型鋼進行加固，型鋼與密封板連接形式為斷續焊，100mm（200mm）焊接高度8mm；

（3） 臨時門洞位置設置緊急泄風通道，使用δ=6mm 鋼板制作而成，中間使用閘板進行隔斷，排放風口遠離機具設備；

（4）臨時門洞密封板預制時，自身所有焊縫必須進行密封焊，焊縫外觀要經質檢員檢查合格。

2.4.2 安全通道設置

在臨時門洞處安裝進入罐內的檢查通道，出入門采用內開的方式。安全通道設2 道門，B 門安裝一個閥門用于平衡內開門壓力，門縫處安裝橡膠皮，盡量減少風量損失。

2.4.3 風壓計算

理論上只要拱頂受到的空氣浮力與它的自重形成一對平衡力，拱頂便可平穩上升，所以理想狀態下拱頂氣吹的風壓與大氣壓的差值為拱頂自重與罐內空間水平橫截面積之比。但實際操作中由于受到風量損失、拱頂密封系統與外罐壁之間摩擦力等因素的影響，頂升壓力的計算必須考慮附加系數，其計算公式見式（1）。

式中：P升——頂升風壓，Pa；

P0——標準大氣壓，Pa；

P平——靜平風壓，Pa；

P附——附加風壓，Pa。

根據現場經驗確定P附=0. 1P平， 則：

P＝P平＋P附

＝1.1×P平＝1.1×850790kg/ [π×(35m)2]＝1.1×221.07（kg/ m2）

＝1.1 ×221.07 ×9.8 （Pa）＝2383.14Pa ＝238mm（水柱）

2.4.4 風量計算

風量是指在拱頂氣升到最后一圈時間內，罐體內腔充滿使罐體頂升、具有一定壓力氣體的風量。考慮到漏風損失，需對風機風量進行修正。根據氣體方程，溫度一定的情況下壓力與體積的乘積等于恒量，則有式（2）和式（3）。

式中：Q——進風量，m3；

V——頂升后儲罐內總容積，m3；

V0——頂升前拱頂內的初始容積，m3。

考慮到頂升過程中的風量損失，計算進風量（Q）時需要加上一個調整系數（K），風量的計算式見式（4）。

＝πD2H1/ 4+V拱

＝πD2H1/ 4+1/ 3×π(3D/ 2- h) ×h2

＝π ×702 ×37.16/ 4+1/ 3 ×π ×（3 ×70/ 2- 12.271）×12.2712

＝143008+14621

＝157629m3

V0＝πD2（H1- H2）/ 4+V拱

＝πD2（H1- H2）/ 4×π(3D/ 2- h) ×h2

＝π ×702 ×3.06/ 4+1/ 3 ×π ×（3 ×70/ 2- 12.271）×12.2712

＝11776+14621

＝26397m3

Q＝K（P升V- P0V0）/ P0

＝1.35×[（P+P0）×157629- 101325×26397]/ 101325

＝182167m3依據計算結果，以靜壓為2383Pa、風量為91083m3/ h 作為選擇風機的參數，取2 臺風機同時工作。每個鼓風機均配有上游和下游閥門，另外再準備1臺型風機作為備用風機。

2.5 測量系統

2.5.1 壓力監測

（1）罐內空氣壓力采用U 型管壓力計進行測量。U 型管壓力計至少可以讀出500mm 水壓，設置2 套，一套在風機附近，另一套在拱頂承壓環指揮臺附近。壓力計一端與罐內相通，另一端與罐外大氣相通。用透明塑料管制作U 型管，并固定在有刻度標記的木板上，如圖9 所示。

圖9 U型管壓力計

（2）風機處的U 型壓力計便于風機工程師負責協調指揮風機操作和監控罐內壓力。U 型壓力計的取壓部位設在臨時大門處，取壓口要用氣源膠管引到距風機口3m 以外的地方，且管口不得對著風口，以免干擾測量數據。

2.5.2 頂升監測

（1）在拱頂0°、90°、180°、270°處4 個位置安排4 個測量人員，使用50m 卷尺測量拱頂氣升過程中的偏差，一端固定在承壓環斜板外檐在拱頂的投影處，另一端系掛重物搭在承壓環斜板上。要保證鋼卷尺垂直和拉緊，卷尺繃緊后讀出初始數據并記錄。

（2）標記參照線：提前在承壓環環板上表面及拱頂邊緣板上劃出0°、90°、180°270°基準線，并在拱頂梁上以到罐中心半徑34145mm 劃出承壓環斜板邊緣在拱頂梁上的投影，作為氣升頂后期檢查拱頂板與承壓環環板的重疊尺寸。

2.5.3 其他測量

（1）1 臺鉗形電流表用于測量鼓風機系統電源；（2）1 臺風速儀用于測量氣升頂當天風速；

（3）2 臺拉力計，在拉緊平衡鋼絲繩時使用，確保每根平衡繩受力一致；

（4）1 臺紅外線測溫儀，用于測量鼓風機軸承溫度。

2.6 拱頂與承壓環固定方式

（1）根據罐頂設計結構，拱頂梁為主要受力結構。拱頂頂升就位后，需使用工裝吊掛架（吊掛架由HW200 型鋼改裝而成，焊角高度不小于10mm）將拱頂梁與承壓環連為一體。

（2）拱頂梁與承壓環環板接觸后，通過提前焊接在拱頂梁上的龍門板，穿楔子固定并壓緊拱頂梁，利用L 板與千斤頂組裝拱頂梁邊緣與承壓環縫隙較大位置。

（3）焊接承壓環與拱頂梁的角焊縫，焊角高度不小于10mm。

（4）安裝拱頂吊掛架（圖10），先焊接吊掛架與承壓環連接部分，再焊接吊掛架與拱頂梁連接的部位，焊角高度不小于10mm。

2.7 氣頂升

2.7.1 前期準備

圖10 吊掛架結構

正式氣吹頂升前，必須完成以下工作：

（1）3 臺鼓風機要單獨進行試運轉，確認運轉良好；

（2）檢查平衡系統的鋼絲繩緊固情況，確認無遺漏；

(3）檢查監視測量系統工作正常；

（4）所有組裝、焊接人員到各自指定崗位，施工機具具備工作條件；

（5）現場通訊暢通，最好分頻段使用對講機；

（6）收集天氣預報資料，選擇天氣晴朗且風力較小的時間進行氣吹頂升；

（7）以上檢查應有專人負責，并做好記錄和簽字確認。所有條件具備后，由氣吹頂升總指揮發令，開始氣吹頂升。

2.7.2 氣頂升過程控制

（1）總指揮下令后啟動3 臺發電機給3 臺鼓風機送電，逐一啟動3 臺風機；

（2）風機節氣閥要慢慢打開——1# 風機用于正常供氣，2# 風機用于調節進氣量，3# 風機用于緊急狀態；

（3）啟動1# 、2# 鼓風機，慢慢增加風量直到壓力能夠頂起拱頂；

（4）壓力上升之后，要對照預氣升頂所做的記錄來檢查空氣消耗量和罐內壓力；

（5）在拱頂離開邊緣支柱的時候檢查節氣閥打開度、風機的電流和電壓；

（6） 拱頂開始以100mm/ min 的速度提升到1000mm 高度，拱頂穩定在1000mm 高度，檢查平衡壓力、鼓風機的電流和節氣閥的打開度；

（7）通過監控人員讀取4 個位置尺的數據判斷拱頂上升時的平衡情況，每隔2min 進行1 次讀數匯報；

（8）繼續緩慢打開節氣閥增加壓力，使拱頂以平均200mm/ min（最大250mm/ min）的速度持續上升；

（9）監控拱頂的上升情況，同時檢查確認24 個導向鋼絲繩工作正常，確認拱頂一直保持在平衡狀態；

（10）如果檢測到拱頂有不平衡狀態，通過控制入口風的流量，減小進罐風量，直到拱頂恢復平衡狀態為止；

（11） 當拱頂繼續提升到離拱頂承壓環最后的1000mm 處時，慢慢關閉節氣閥或打開大門洞處泄壓風道，使拱頂以100mm/ min 的速度提升，直到離拱頂承壓環500mm 處；

（12）在即將接觸承壓環之前，要穩定拱頂高度，檢查拱頂或調整拱頂方位；

（13）拱頂梁與承壓環環板接觸后，作業人員開始通過提前焊接在拱頂梁上的龍門板，穿楔子固定并壓緊拱頂梁；

（14）當拱頂到位后，要進行拱頂梁與承壓環的固定焊接，此時需要使用鼓風機繼續對儲罐進行鼓風加壓，儲罐內壓力控制不超過氣升頂壓力的1.5 倍，壓力控制范圍為2211～3316Pa，此范圍值根據現場實際情況進行調整；

（15）拱頂梁上表面與承壓環焊接完成后，拆除龍門架并安裝焊接吊掛架；

(16）將拱頂梁上表面與承壓環焊接，吊掛架與承壓環和拱頂梁焊接，經質檢員檢查合格后，通知總指揮，停止3 臺風機送風，最后停止3 臺發電機運行，降低罐內壓力至0Pa；

(17）氣升頂完成；

(18）氣升頂完成后，對密封裝置進行拆除，拆除后立即焊接拱頂梁與承壓環連接的焊縫，安裝焊接拱頂徑向梁與承壓環豎向板連接的筋板。

3 對比分析

預應力混凝土低溫罐穹頂氣頂升工藝經過多年的改進、優化已非常成熟，但雙金屬低溫儲罐氣頂升工藝才剛剛起步，對比兩種工藝，主要有以下幾點不同之處：

3.1 頂升作業面存在較大差別

預應力混凝土罐頂設計有1200mm 寬的環形混凝土平臺，作業面良好，且承重能力強；雙金屬低溫罐頂部無作業平臺，需安裝臨時外掛平臺進行作業，在頂升時罐頂部作業人員較多，且工裝、工具較多、較重，在頂升前需細致核算外掛平臺的安全承載重量，嚴格控制罐頂人員，且嚴禁工裝、人員聚集。

3.2 穹頂結構總體設計不同，重量差別較大

10 萬m3雙金屬低溫罐穹頂總重850t 左右，同罐容預應力混凝土罐穹頂總重490t 左右，重量差別較大，頂升風壓、風量存在差別，因此在鼓風機選型上需嚴謹計算。

3.3 拱頂梁設計不同，穹頂平衡配重計算、布置存在差別

雙金屬低溫罐穹頂受力主要依靠拱頂梁，由于穹頂受力不均勻，拱頂梁大小選型不一。預應力混凝土罐穹頂受力主要依靠頂部350mm 的混凝土結構，故穹頂拱頂梁設計要統一、對稱。在穹頂平衡配重計算時，雙金屬低溫罐計算量較大，且需嚴謹、細致。

3.4 罐頂蒙皮板與承壓環連接形式不同，密封系統存在較大差別，就位方式也有本質區別

（1）預應力混凝土罐穹頂與承壓環連接方式為搭接，罐頂板與混凝土內壁間隙僅125mm，密封系統極易實施；且罐頂板在承壓環下方，頂升就位后，直接進行角焊縫焊接，焊接完成后穹頂就位完成。

（2）雙金屬低溫罐穹頂與承壓環為對接連接，故設計預留350mm 寬的一帶環形頂板，在穹頂就位后方可安裝，導致頂升前穹頂邊距罐壁垂直距離達1110mm，密封時需要安裝臨時密封板（6×2264×1363mm）對拱頂進行密封，然后采用與混凝土罐同類密封方式進行二次密封。由于需臨時密封的面積較大，漏風量也較大，頂升所需氣壓、氣量均較大；穹頂到位后，由于罐頂板局部預留，穹頂就位需使用專業工裝——吊掛架進行臨時固定；待固定完成，泄壓后，進入罐內將拱頂梁連接板與承壓環安裝焊接完成后，拆除吊掛架，安裝預留罐頂板，穹頂才就位完成。

4 結語

10 萬m3雙金屬低溫儲罐儲罐穹頂氣吹頂升用時115min，取得圓滿成功，為該項技術的推廣應用打下了堅實基礎，積累了寶貴的經驗。雙金屬低溫罐氣頂升工藝施工進度快、高空作業較少、大型設備投入少、費用低，使該類型儲罐穹頂安裝不再依賴液壓頂升設備和大型起重機具，有效地節約了項目建設成本。