大型LNG儲罐氣升頂技術簡析

陳 暉 田連軍

中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100027

大型LNG儲罐氣升頂技術簡析

陳 暉 田連軍

中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100027

隨著LNG清潔能源的引入，我國大型LNG儲罐的建造技術國產化受到廣泛關注。對于10萬方以上的大型LNG儲罐拱頂制造安裝，氣升頂具有其他施工方法不可替代的優勢，具有廣闊的發展前景和推廣意義。為此，通過對世界上大型LNG儲罐升頂方案的解析，并結合國內成功實例，對大型LNG儲罐的氣升頂技術的基本原理和簡要過程進行了論述，研究分析了世界上不同形式的大型LNG儲罐升頂方式，并重點介紹了平衡系統、密封系統、風壓風量確定等氣升頂的關鍵技術。

大型LNG儲罐 氣升頂 關鍵技術

無論在LNG接收終端還是LNG液化工廠，LNG儲罐都是其關鍵核心設施，而儲罐的氣升頂又是LNG儲罐施工活動中的關鍵里程碑點，升頂的完成，標志著儲罐施工的關鍵路徑從外罐混凝土施工轉向內罐安裝。同時，對于10萬方以上的大型儲罐拱頂制造安裝，氣升頂具有其他施工方法不可替代的優勢，具有廣闊的發展前景和推廣意義。這里主要針對目前世界上主流大型LNG全容罐的氣升頂技術進行分析和研究。

1 大型LNG全容罐簡介

全容式LNG儲罐屬常壓、低溫儲罐，目前是LNG接收站主要采用的儲罐罐型，由于其外罐可以承受內罐泄漏的LNG及其氣體，不會向外界泄漏，安全防護距離相對較小。一旦事故發生，對裝置的控制和物料的輸送仍然可以繼續，這種狀況可持續幾周，直至裝置停車。同時，因設計壓力相對較高，在卸船時可利用罐內氣體自身壓力將蒸發氣返回LNG船艙，省去了蒸發氣（BOG）返回氣鼓風機的投資，并減少了操作費用。

目前LNG全容罐的主流形式為平底雙壁圓柱結構（見圖1），儲罐內罐與-162℃低溫的LNG產品直接接觸，一般采用含鎳9%的合金鋼，也可為全鋁、不銹鋼薄膜；外罐為碳鋼或預應力混凝土結構，上有碳鋼拱頂，拱頂下有上覆玻璃纖維毯保冷層的鋁質吊頂；內外罐之間填充膨脹珍珠巖保溫；罐底在承臺之上一般由保溫泡沫玻璃磚、砂墊層等組成。罐壁無管口，所有管線都由拱頂開孔與罐內連通。而日本、臺灣地區由于地震影響較大而導致的設計理念的不同，結構形式存在明顯差異，主要體現在拱頂/吊頂和保冷系統上（見圖2）。我國自引進LNG就選擇了歐美規范來設計建造LNG儲罐，因此，結構形式與歐美沿成一系。

2 拱頂結構形式

就拱頂形式而言，LNG全容罐主要有日本為代表的雙頂結構、歐美和我國帶吊頂的拱頂結構兩種形式（見圖3）。

吊頂型鋼拱頂自重一般700余t左右，日本儲罐升頂重量甚至可達1500t左右。拱頂安裝在罐底上部約40m處，邊緣需與混凝土墻體頂部預埋的抗壓圈焊聯。拱頂由鋼骨架（環梁、檁條）和頂板組成，拱頂板上需焊接栓釘。拱頂的下弦處還懸掛有鋁合金的吊頂和兩圈單軌環梁，結構較為復雜，如果采用正裝法施工，則需要在罐壁高處搭建一個臨時鋼平臺，在鋼平臺上實施組合、安裝與焊接，高空作業量較多且不易實施。為了節約投資、加快進度，采用拱頂在地面組焊完成后，用氣升法將其吹升到位。

3 氣升頂的基本原理

氣升頂是使用微壓空氣浮升技術，通過大功率鼓風機向罐內送入壓縮風，讓封閉拱頂下方的氣量增加至容許的浮力，將罐內地面預制好的超重拱形鋼質拱頂沿混凝土外罐內壁連續、安全、平穩的浮升至罐壁頂部與承壓環接合的施工技術。

4 氣升頂的簡要過程

4.1 升頂前的準備

升頂前要進行大量細致的工作準備，主要有：

（1）確認適合升頂的天氣條件：沒有降雨，平均風速小于10m/s，陣風不大于 15m/s；

（2）檢查確認儲罐的圓度、水平度；

（3）確認拱頂荷載和分布及風機能力；

（4）索具、鋼纜繩、滑輪、支撐架、配重等平衡系統組件安裝完成；

（5）密封系統安裝完成，所有儲罐開孔封閉；

（6）風機（含備用）、擋板、管道等安裝完成，多重保障電源就位；

（7）臨時安全通道安裝完成；

（8）相關安全措施落實到位；

（9）任何妨礙升頂的設施清除完成；

（10）升頂組織機構建立并各司其職；

（11）各級參與人員的通訊系統保持暢通；

（12）監控系統如壓力計、測量繩、拉力計等準備就位；

（13）足夠的焊接固定組件準備妥當；

（14）其他應準備的事項等。

4.2 升頂簡要過程

升頂簡要過程和步驟如下：

（1）啟動風機電源，逐步投入風機；

（2）確認密封簾在風壓下吸附貼緊在罐墻體上，時時觀測壓力計等監控設施；

（3）在剛起步的1～2m高度上，控制升頂速度100～150mm/m in，檢查水平偏差和平衡度，微調配重。升頂壓力根據不同升頂重量和速度而有所不同，吊頂型通常高于120mm水柱，雙頂甚至可達350mm水柱；測量和檢查確認平衡壓力，風機電壓和電流，控制最大風量和風壓，采取措施清除任何影響下部頂升的危害因素；

（4）控制升頂速度200～300mm/m in，平衡壓力保持在110mm水柱以上，保持拱頂持續、穩定上升；

（5）在接近拱頂的最后1m內高度，調整降低升頂速度至100mm/m in左右；

（6）在接觸承壓板前，準確定位拱頂，避免移位偏差；

（7）準確對接后，利用楔子臨時固定預先焊接在拱頂板和承壓板上的U形卡，固定拱頂，停止風機和電源。

4.3 拱頂永久固定

臨時固定后，拆除密封材料，完成拱頂與承壓板的焊接和無損檢測。升頂活動最終完整結束。

5 氣升頂的關鍵技術

LNG儲罐氣升頂包含諸多高技術含量施工技術元素，其中，平衡系統、密封系統以及風量風壓控制等更是成功升頂的關鍵。

5.1 平衡系統

平衡系統的技術原理是通過滑輪組和鋼纜繩為懸浮的鋼結構穹頂提供一種定位導向機構，從而避免穹頂在氣升過程中發生傾斜和旋轉。國際上，依不同工程公司設計有多種平衡系統形式。

5.1.1 地上大型LNG儲罐多采用的平衡系統

國際上地上大型LNG儲罐平衡系統設計，根據鋼纜繩布置、導向滑輪固定和錨固點與拱頂相對位置的不同，通常有三種形式。

形式1是水平鋼纜繩布置在拱頂下方（見圖4），國內福建LNG和浙江LNG項目采用此種形式。布置形式為：鋼纜繩一端固定在承壓圈上，通過T型架（A型架）直接垂直向下穿過拱頂板，接繞固定在拱頂環梁上的雙向滑輪，水平穿過拱頂下方180°方向的滑輪，再與罐壁上錨固點連接。

其特點是升頂過程中，當拱頂出現傾斜時，靠鋼纜繩張力變化，拱頂向下趨勢位移端產生對側鋼纜繩給穹頂上導向滑輪一個偏轉力矩，到達恢復平衡。

形式2是水平鋼纜繩沿拱頂表面布置（見圖5），國內廣東大鵬LNG、上海LNG、大連LNG等項目采用此種形式。布置形式為：鋼纜繩一端固定在承壓圈上，通過支撐T型架（或A型架）垂直繞過固定在邊緣環梁上的滑輪，依靠多個導向滾軸連接到靠近拱頂中心位置的滑輪，穿過拱頂中心板，向下垂直與底板上的錨固塊連接。

形式3是水平鋼纜繩布置在拱頂下方（見圖6），國內珠海LNG項目采用此種形式。布置形式為：鋼纜繩一端固定在拱頂外側，向上繞過以混凝土墻體和內罐承壓圈為支撐的滑輪，再垂直向下穿過拱頂板，繼續繞過錨固在底板上的兩組滑輪，與180°方向的內拱頂下部錨固點連接。

5.1.2 地下大型LNG儲罐和雙頂式地上LNG儲罐多采用的平衡系統

日韓等國家地下大型LNG儲罐和雙頂式地上LNG儲罐采用的平衡系統形式多與地上儲罐形式3類似（見圖7），差別僅在于相對于地面的固定高度和纜繩錨錨固點的位置。

5.1.3 應急備用平衡系統

國際上部分工程公司在平衡系統設計中，會額外考慮應急備用平衡系統作為主平衡系統的補充，如珠海LNG的EPC承包商設計了Tirfor系統以應對氣升頂過程可能出現的突發卡頂事故。當氣升頂過程中由意外導致拱頂卡住不動時，Tirfor系統即可啟用，通過手拉導鏈及備用的吊車可將拱頂拉起、微調恢復。

由于設計理念的不同，很多國際工程公司并不采用這一理念，而把如何完全規避出現卡頂作為關鍵考慮項。

不管采用哪種形式，其基本原理類同，即在升頂過程中，當拱頂出現傾斜時，偏差位移會通過鋼纜繩和導向滑輪直接傳遞到對稱側，依靠鋼纜繩的張力變化和導向滑輪的偏轉力矩，形成對稱拉力，實現自身恢復平衡，避免升頂過程中拱頂超限傾斜和轉動。

另外，在計算平衡時，需要精確描述已經固定在拱頂上的設備、材料的重量和位置，計算力矩，通過平衡計算，在合適的位置擺放、固定其他對應平衡的設備、材料。在實際升頂過程中，計算的平衡配重都不可能完全準確，這就需要在預升頂或正式升頂初期采用人為調控的方式微調，如采用通過調配拱頂或吊頂上的配重物來達到拱頂水平平衡的精確要求，以此達到順利平穩升頂的目的。

5.2 密封系統

密封系統是氣升頂技術中關鍵組成部分，密封系統能否穩定、有效地發揮作用，直接決定了成功升頂的質量。氣升頂過程中，如果密封系統失效將會導致災難性的后果；密封系統局部失效，也會導致穹頂受力不均，從而使穹頂產生巨大的水平高度差并發生旋轉。最關鍵的密封位置是拱頂與罐壁間隙，通常采用加強型聚乙烯密封簾或其他類似密封材料，其上部通過螺栓或強力膠帶固定在拱頂板的附加鋼板片上（見圖8），中部通過強力膠帶或鋼壓條壓穩，下部呈自由端，升頂時會在內罐風壓的作用下緊緊貼在罐壁上，保證良好的密封性。

對其他存在可能較大漏氣的各類開孔也采取密封措施，如承臺、罐壁上的排水孔/管，拱頂上管嘴和鋼纜繩的穿孔等。

為保證升頂初期的檢查，設在儲罐臨時洞口的人員出入門也要進行專門的設計，進出雙門密封，保證氣密。

5.3 風壓和風量的計算

氣升頂前，需要進行升頂壓力的核算，計算需要的風量和風壓，配備符合能力的風機。首先要計算升頂總重重和載荷分布，包括拱頂、吊頂、拉桿、內部鋼結構走道平臺、欄桿、管嘴、工具等的重量及分布，有的工程公司為了后續吊頂上的工作方便，習慣將后期吊頂上施工需要的材料、設備都同時升頂，這樣對氣升頂的風壓和風量計算就要求非常全面和精確。

5.3.1 風壓的計算

上浮風壓P，包含上浮靜壓力和浮力損失：

式中：P1——上浮靜壓力，P1=W/A；

P2——升頂過程的浮力損失；

W——升頂的總重量，包含拱頂、吊頂及各類附屬設施和材料的總和；

A——拱頂的投影面積。

由于升頂過程中摩擦力的影響，升頂運行中存在一定的風壓損失，主要包括密封材料與外罐壁的摩擦和送風設備及管道的風壓損失等。

在確定升頂風壓的計算中，我們通常會根據經驗采取按1.1～1.2的總安全調整系數來適當放大上浮壓力數值，或細分風壓損失分量，考慮不同材料的摩擦系數和接觸面積來詳細計算。

5.3.2 風量的計算

升頂所需風量Q，同樣需要考慮正常體積風量和損失風量：

式中：Q1——正常體積風量；Q2——升頂過程的損失風量。Q1=A*V*t

式中：V——常規的的升頂速度（V=0.15～0.2m/m in）；

A——拱頂的投影面積；

t——升頂的預計持續時間；

式中：n——經驗系數，決定于密封質量的狀況，通常取0.3～0.4左右。

6 結語

（1）對于大型LNG儲罐拱頂制造安裝，氣升頂具有其他施工方法不可替代的優勢，具有廣闊的發展前景和推廣意義；

（2）通過對大型LNG儲罐升頂技術的研究和實施，國內設計、施工單位完全可以掌握其核心技術并推廣；

（3）成功的氣升頂需要：符合設計的儲罐尺寸、良好的密封系統、正確的平衡控制和調節系統、完備的監控和科學指揮系統、合理配備的風機、電源及備用系統、成熟的銷接和固定方法、全面的HSE、應急措施以及良好的施工組織。

1 European Comm ittee for standardization.Design and m anu facture of site built,vertical,cy lindrical,flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated,liquefied gases w ith operating temperatures betw een 0°C and-165°C(all parts)[S].EN 14620,2006

2 日本燃氣協會.LNG地上儲罐指南[S].JGA指-108-02,2002

3 日本燃氣協會.LNG地下儲罐指南[S].JGA指-107-02,2002

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1672-9323（2012）05-0040-04

2012-08-13）