LNG開架式氣化器支撐框架設(shè)計(jì)與施工

王 俊 嶺

(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源和化工原料，在世界能源結(jié)構(gòu)中的地位和作用不斷提升。根據(jù)國產(chǎn)氣產(chǎn)量現(xiàn)狀及規(guī)劃進(jìn)展，國產(chǎn)氣量難以達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)，同時(shí)考慮LNG接收站不能滿負(fù)荷運(yùn)行和進(jìn)口管道氣的負(fù)荷，預(yù)計(jì)在2025年之前我國天然氣市場供需形勢將處于偏緊的狀態(tài)。隨著全國天然氣用量的不斷增長，避免出現(xiàn)天然氣供應(yīng)緊張局面，加強(qiáng)儲(chǔ)氣和調(diào)峰能力，LNG接收站的建設(shè)勢在必行[1，2]。

LNG是-165 ℃的低溫液體，在LNG接收站進(jìn)行外輸時(shí)，需要將LNG氣化并恢復(fù)到常溫以后才能使用，LNG氣化器是一種專門用于將LNG氣化的熱交換器，是接收站的主要設(shè)備之一。目前，全球的LNG接收站主要采用四種類型的氣化器，環(huán)境空氣氣化器(AAV)、浸沒燃燒式氣化器(SCV)、中間介質(zhì)氣化器(IFV)及開架式氣化器(ORV)[3]。下面結(jié)合接收站實(shí)際工程，對(duì)LNG站場內(nèi)開架式氣化器支撐框架進(jìn)行研究分析，探討在開架式氣化器支撐框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的主要問題，為以后其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 開架式氣化器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 開架式氣化器結(jié)構(gòu)

LNG開架式氣化器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。氣化器的基本單元是傳熱管，有若干傳熱管組成板狀排列，兩端與集氣管或集液管焊接形成一個(gè)管束板，再由若干個(gè)管束板組成氣化器。氣化器的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，主要外部接口有海水進(jìn)出口、LNG 入口和氣化后的NG出口，換熱管安裝在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)[4]。

1.2 開架式氣化器工作原理

LNG從下部總管進(jìn)入，然后分配到每個(gè)小的換熱管內(nèi)，在換熱管束內(nèi)由下向上流動(dòng)。利用海水作為熱源，氣化器頂部有海水噴淋裝置，在板型管束外表面上形成連續(xù)液膜自上而下流動(dòng)與逆向流動(dòng)的LNG換熱，LNG被加熱氣化，氣化為常溫氣體后由NG支管匯至NG總管送出，海水則依重力流至混凝土支撐框架底部，由排水渠自流排出[5]。LNG開架式氣化器工作原理示意圖見圖2。

LNG開架式氣化器懸掛在支撐框架上，易于維護(hù)保養(yǎng)，改變氣化器的運(yùn)行負(fù)荷也很簡單；但對(duì)海水質(zhì)量要求較高，尤其是固體懸浮物顆粒及Cu離子及陰離子濃度。

2 開架式氣化器支撐框架設(shè)計(jì)

開架式氣化器支撐框架是一個(gè)正面敞開、另三面由鋼筋混凝土墻圍閉的結(jié)構(gòu)，背面的混凝土墻下部由通道與海水渠相通，供換熱后的海水排出。汽化組塊的懸吊框架即安裝于兩側(cè)墻的頂部。

2.1 工程設(shè)計(jì)條件

場地內(nèi)分布的地層自上而下有：雜填土、填石、含有機(jī)質(zhì)粉砂、粗砂、含有機(jī)質(zhì)粉砂、含卵石礫砂、砂質(zhì)粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化中粒花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化中粒花崗巖。其中含有機(jī)質(zhì)粉砂層的液化等級(jí)為輕微液化。

場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相應(yīng)的地震基本烈度值為7度，場地設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

場地地下水和場地土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性；對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

2.2 框架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

為滿足框架基礎(chǔ)承載力和沉降要求，根據(jù)現(xiàn)場土層情況，基礎(chǔ)型式選用樁基筏板基礎(chǔ)，采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC)，樁基穿過軟弱土層，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化中粒花崗巖。樁位布置圖見圖3。

根據(jù)場地土和水的腐蝕性，為滿足混凝土耐久性要求，筏板混凝土強(qiáng)度選用C40，墊層為C20，基礎(chǔ)底面混凝土保護(hù)層厚度為100 mm，其他各面為50 mm。基礎(chǔ)與土壤接觸混凝土表面涂瀝青冷底子油兩遍，瀝青膠泥涂層，厚度不小于300 μm。

因開架式氣化器與周圍海水管，外輸管等相連接，要保證框架基礎(chǔ)的沉降與周圍管線的沉降保持一致，避免不均勻沉降，對(duì)樁基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行沉降計(jì)算，基礎(chǔ)沉降要滿足設(shè)備運(yùn)行的要求。

樁頂與承臺(tái)的連接應(yīng)滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》[6]中的相關(guān)做法和要求。樁身質(zhì)量與承載力的檢測應(yīng)滿足《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[7]中的相關(guān)規(guī)定。

2.3 上部框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開架式氣化器上部結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，三面由鋼筋混凝土墻圍閉，總高度約7.6 m；框架計(jì)算應(yīng)考慮抗震設(shè)計(jì)，并按抗震等級(jí)提高一級(jí)采取抗震措施。

站場位于沿海地區(qū)，受海風(fēng)侵蝕嚴(yán)重，為保證構(gòu)件的耐久性，梁、墻、柱、板的混凝土等級(jí)均選用C40，梁、柱、墻的鋼筋混凝土保護(hù)層厚為50 mm，板的鋼筋混凝土保護(hù)層厚為40 mm。

上部NG管鋼支架和海水管架的材質(zhì)均為Q235B，在制作前鋼材表面應(yīng)進(jìn)行拋丸除銹，除銹等級(jí)為Sa2.5級(jí)，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涂刷防腐材料。

2.4 特殊設(shè)計(jì)要求

施工單位應(yīng)結(jié)合廠家圖紙進(jìn)行施工，特別是預(yù)埋件，應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙和廠家資料預(yù)埋或預(yù)留孔洞。

ORV設(shè)備預(yù)埋件除部分由廠家提供，其余預(yù)埋件、中間維修甲板、走道結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)圖紙未說明的構(gòu)件應(yīng)由施工單位提供，施工單位應(yīng)根據(jù)廠家資料圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)場施工要求，并注意防腐措施。

在ORV支撐框架底部斜對(duì)角位置應(yīng)設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，并在施工和運(yùn)行階段進(jìn)行沉降觀測和記錄。

框架頂部應(yīng)有避雷帶和引下線的做法，并選擇合適的防雷接地措施。

支撐框架內(nèi)部有海水流動(dòng)，保證混凝土內(nèi)表面均涂有聚合物水泥砂漿，厚度滿足防腐蝕設(shè)計(jì)要求。

3 開架式氣化器支撐框架施工

支撐框架的施工順序見圖4。

3.1 基坑開挖

開挖基坑按圖紙的尺寸合理確定開挖順序和分層開挖深度，連續(xù)地進(jìn)行施工，并盡快地完成。為防止基底土被擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)被破壞，不應(yīng)直接挖到坑底，應(yīng)根據(jù)機(jī)械種類，在基底標(biāo)高以上留出200 mm～300 mm，待基礎(chǔ)施工前用人工鏟平修整。挖土不得挖至基坑的設(shè)計(jì)標(biāo)高以下，如個(gè)別處超挖，應(yīng)用與基底土相同的土料填補(bǔ)，并夯實(shí)到要求的密實(shí)度。基礎(chǔ)施工前應(yīng)對(duì)基坑進(jìn)行驗(yàn)槽。

3.2 管樁定位及打樁

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中管樁的位置進(jìn)行放線測量，標(biāo)記好管樁的位置，架立好打樁機(jī)，起吊預(yù)制管樁，使樁尖對(duì)準(zhǔn)樁位中心。樁尖插入樁位后，先用低錘擊一二下，保證樁的垂直穩(wěn)定；打樁前應(yīng)在樁身上設(shè)置尺寸標(biāo)志，以便在施工中觀測和記錄，打樁開始時(shí)應(yīng)用較低落距，并在兩個(gè)方向觀察其垂直度，確認(rèn)無誤后再用高落距錘擊。管樁現(xiàn)場應(yīng)采用焊接接樁，接樁位置在距地面1 m左右，樁終止錘擊的控制應(yīng)按貫入度為主，標(biāo)高為輔[8]。

3.3 筏板鋼筋綁扎及混凝土澆筑

筏板基礎(chǔ)與排水渠搭接處應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙施工，提前做好鋼筋放樣加工和模板的制作。筏板上下層鋼筋之間應(yīng)設(shè)置架立馬登筋。混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑并注意對(duì)大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)，加強(qiáng)觀測，防止水化熱過大，產(chǎn)生溫度裂縫。

3.4 上部結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎及混凝土澆筑

為防止混凝土澆筑時(shí)高度過高，產(chǎn)生離析現(xiàn)象，影響混凝土的質(zhì)量，對(duì)整個(gè)框架結(jié)構(gòu)高度范圍分成兩次進(jìn)行澆筑。混凝土自料口下落必須采取有效的措施，如采用串筒，溜管下料。柱鋼筋連接采用對(duì)接焊接頭或機(jī)械連接，其他構(gòu)件可采用綁扎連接，并做好腳手架的搭建，做好圍護(hù)安全措施。鋼筋綁扎過程應(yīng)注意其中的預(yù)留錨件、預(yù)留洞口、預(yù)留管、沉降觀測點(diǎn)和預(yù)埋板等的埋設(shè)。現(xiàn)場施工圖如圖5所示。

3.5 管支架焊接、涂漆等

管支架整體可在工廠根據(jù)圖紙進(jìn)行深化加工，再把整個(gè)鋼支架吊裝到框架頂正確的位置，把鋼支架焊接到框架上的預(yù)埋板上，再涂刷防腐材料，并做好高空焊接作業(yè)時(shí)對(duì)施工人員的保護(hù)。走道欄桿、框架外墻的涂漆應(yīng)與整個(gè)站場的涂漆要求保持一致。

3.6 施工注意事項(xiàng)

開架式氣化器外側(cè)海水管架基礎(chǔ)應(yīng)與開架式氣化器筏板基礎(chǔ)同時(shí)施工，先施工深基礎(chǔ)后施工淺基礎(chǔ)，同時(shí)做好對(duì)開架式氣化器管樁的保護(hù)。

開架式氣化器支撐框架中的預(yù)埋錨栓的數(shù)量較多，錨栓的位置和對(duì)應(yīng)的型號(hào)應(yīng)與廠家資料圖紙上的位置和型號(hào)保持一致。核實(shí)位置無誤后再澆筑混凝土，保證氣化器安裝正確。

開架式氣化器與支撐框架接觸的部位，如懸吊裝置、支座、支撐架、支撐梁等的安裝位置，應(yīng)進(jìn)行平整處理；處理時(shí)一般使用砂輪機(jī)打磨平整，需灌漿的部位還應(yīng)用鑿子鑿毛。

4 結(jié)論

1)LNG開架式氣化器支撐框架設(shè)計(jì)和施工時(shí)要嚴(yán)格和設(shè)備廠家資料結(jié)合，不同廠家的設(shè)備對(duì)支撐框架的要求有所不同，要保證建造出的支撐框架和ORV廠家要求一致，滿足功能要求。

2)LNG接收站建設(shè)在沿海地區(qū)，LNG開架式氣化器支撐框架里面有海水流動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮海風(fēng)和海水對(duì)支撐框架的腐蝕，做好構(gòu)件的防腐處理，保證支撐框架滿足耐久性要求。

3)LNG開架式氣化器支撐框架根據(jù)不同的地層情況，應(yīng)采取適用的基礎(chǔ)型式或地基處理方式；施工和安裝時(shí)要提前做好人、材、機(jī)的組織計(jì)劃，提高施工效率。