全容式LNG儲罐建造技術研究

張月，朱雷，史少宇，劉柏偉，張國強(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

2021年，中國進口液化天然氣(liquef ied natural Gas，LNG)達8 140萬噸，超過日本成為全球最大的LNG進口國。LNG是天然氣經壓縮、冷卻至其凝點(-161.5 ℃)溫度后變成液體，液化后的體積約為同量氣態天然氣體積的1/625。LNG作為一種先進的清潔能源，通常儲存在-162 ℃、0.1 MPa左右的LNG儲罐內，由LNG船或罐車運輸，也可經過氣化后由長輸管道外輸，被廣泛應用于發電廠、工廠以及家庭用戶[1]。

LNG儲罐具有容量大、安全性高、經濟性好等特點，在推動我國當前天然氣產供儲銷體系基礎設施建設中發揮著關鍵作用。全容式LNG儲罐作為大型LNG儲罐的常用形式，其結構主要由內外兩層罐體組成，外罐一般由預應力混凝土建造，而內罐主要采用9%Ni鋼制造。文章結合國內某LNG項目16萬立方米全容式LNG儲罐，對全容式LNG儲罐的結構組成、建造材料、建造關鍵路徑、關鍵路徑作業以及施工難點和控制作簡要分析及總結。

1 結構組成及建造材料

1.1 結構組成

全容式LNG儲罐的結構組成，一般劃分為內罐和外罐兩部分，內罐和外罐都能夠單獨容納低溫LNG液體。正常儲存液體時，全容罐允許內罐里的LNG向外罐蒸發泄漏，但不允許LNG由外罐泄漏至環境中。因內罐直接與LNG接觸，這就要求內罐的建造材料在超低溫條件下服役時，具備低溫塑性的機械性能，并能夠克服常溫降至超低溫時的脹縮問題[2]。而9%Ni鋼具備超低溫復雜苛刻條件下工作的材料性能，故國內外普遍采用9%Ni鋼作為LNG儲罐內罐的建造材料[3]。外罐主要由預應力混凝土建造，內外罐之間的環空采用珍珠巖填充作為隔熱層。因全容式儲罐具備雙層罐體及罐頂，對LNG及其蒸發氣具有雙層包容能力，不僅能存儲由內罐泄漏的LNG，也能控制蒸發氣的泄漏，其安全性能要高于單容積式儲罐和雙容積式儲罐。

全容式LNG儲罐的主體結構由樁基、承臺、外墻、拱頂、內罐、保冷系統、管線系統及鋼結構附件共計八大部分組成。全容式LNG儲罐的結構示意圖如圖1所示。

圖1 全容式LNG儲罐結構示意圖

1.2 建造材料

根據典型16萬立方米混凝土全容式LNG儲罐的結構設計，將儲罐主要結構及其建造材料歸納總結如表1所示。

表1 主要結構及建造材料

2 關鍵路徑及分析

2.1 儲罐建造關鍵路徑

16萬方全容式LNG儲罐從開工建造到機械完工，建造工期約為27個月。根據儲罐的建造流程[4]，從整個儲罐工程的建造工期考慮，篩選出關鍵路徑為：工程樁施工及樁基檢測→承臺澆筑→墻體澆筑→抗壓環安裝→環梁下段施工→氣壓升頂→環梁上段施工→穹頂澆筑→外罐襯里板安裝→罐底環形區保冷→內罐壁板安裝→內罐臨時洞口封堵→水壓試驗→罐內設備及儀表安裝→環形空間保冷→吊頂玻璃棉保冷→氮氣置換→機械完工檢查/尾項清理→機械完工。

2.2 關鍵路徑作業分析

根據儲罐工程建造的關鍵路徑，可將關鍵路徑上的作業分為樁基施工、外罐土建施工、穹頂結構施工、罐內結構和保冷施工以及完工檢查和試車/開車幾個施工階段，并對各施工階段的主要施工工序簡要概括。

2.2.1 樁基施工

以國內某LNG項目為例，根據地層勘察報告，工程樁采用一體化成型的高承臺鉆孔灌注樁。高承臺樁一次成樁施工工序主要包括：測量放線→旋挖成孔→泥漿制備與處理→鋼筋籠制作→商品砼采購→地面以下砼灌注→提拔護筒→樁頂浮漿及周圍地面清理→模板墊層施工→支設模板→地面以上砼澆筑→拆除模板并養護→后注漿等工序。工程樁施工完成后，應根據設計要求，選取樁位進行樁基檢測。

2.2.2 外罐土建施工

外罐土建施工階段，主要對地面樁基以上的各部分進行土建施工，包括承臺施工、外罐墻體施工、穹頂施工，各部分的土建施工工序主要概括如下：

(1)承臺部分。承臺施工的工序主要包括：墊層澆筑→滿堂支撐架搭設→底模板安裝→測量放線→鋼筋及預埋件安裝→側模板安裝→混凝土澆筑→混凝土養護及模板拆除。16萬立方米儲罐承臺屬于大體積混凝土范疇，在施工中通常將承臺劃分為6倉，采用跳倉法間隔澆筑混凝土，在工期緊張時，可對兩不相鄰倉同時進行澆筑[5]。

(2)外罐墻體部分。外罐墻體一般劃分為變截面層、標準層進行分層建造，各層的施工工序大體上相同，主要包括：前一層的施工縫處理→鋼筋網片及預埋件安裝→波紋管安裝→扶壁柱鋼筋安裝→內模板提升及安裝→預埋件和波紋管校正及安裝→外模板提升及安裝→檢查驗收→施工縫潤濕→混凝土澆筑及養護→下層鋼筋網片、預埋件及波紋管安裝→模板提升及刷養護劑→墻體測量及表面處理→下一層墻體施工。前一層墻體澆筑完成后，待同樣試塊的抗壓強度達到15 MPa后，方可將由上、中、下平臺及大模板組成的模板系統提升和安裝至下一層墻體。

(3)穹頂部分。為滿足穹頂澆筑時所需的壓力，在對穹頂進行混凝土澆筑前，應完成環梁的水平預應力張拉，并對臨時洞口完成封堵進行保壓。為保證穹頂施工質量，一般對穹頂分圈澆筑，穹頂施工的工序主要包括：環梁施工縫處理→鋼筋安裝→預埋件安裝→模板安裝→罐內保壓后開始第一圈澆筑→混凝土養護→下一圈混凝土澆筑，當完成最后一圈混凝土澆筑后，還應對穹頂上的基座進行土建施工。

2.2.3 穹頂結構施工

穹頂結構施工階段，涉及到土建和安裝工程的交叉施工，穹頂結構施工的工序主要包括：拱頂模塊罐外預制→外罐墻體施工至第三層→拱頂模塊及吊頂結構罐內組裝→外罐墻體施工至頂層→抗壓環安裝焊接→氣壓升頂。關于氣壓升頂的具體工序在文獻[3]中有詳細介紹。氣壓升頂這一關鍵里程碑節點的實現，意味著儲罐工程的建造進度完成了近50%，也標志著儲罐建造的關鍵路徑由外罐土建施工轉為內罐安裝施工。

2.2.4 罐內結構和保冷施工

外罐土建施工及穹頂結構施工完成后，就要對罐內進行結構及保冷施工，施工的工序主要包括：外罐墻襯板安裝→罐底環形區保冷→TCP(熱角保護系統)施工→內罐壁板安裝→罐底中心區保冷→內罐底板安裝→罐內管線及附件安裝→內罐臨時洞口封堵→水壓試驗→罐內設備及儀表安裝→環形空間保冷→吊頂玻璃棉保冷。

2.2.5 氮氣置換及機械完工

當完成環形空間及吊頂保冷后，對罐內及罐外的機管電儀進行安裝和調試。此時，儲罐的建造進程就到了最后一個關鍵作業階段—氮氣置換及機械完工。該階段的工序主要包括：氮氣置換→機械完工檢查→機械完工。機械完工后便可以對儲罐進行預冷工作，預冷完成后就具備正式進液的條件，最后進行試車和開車。

3 施工難點及控制

3.1 外罐墻襯板的安裝

16萬立方米混凝土全容式LNG儲罐的外罐墻襯板，主要由上部襯里板、下部襯里板及轉角板三部分組成，其整體的高度達37 m。外罐墻襯板中，上部襯里板由3塊相同規格的襯里板搭接焊接組成，經預制后的“三合一”上部襯里板，寬度為1 783 mm，長度達32.5 m，板材厚度僅為5 mm，重達2 270 kg。因上部襯里板板材較薄、跨距較大、重量較大，在吊裝過程中容易因方案選擇不當而導致板材出現受力變形，因此，對于安裝難度最大的上部襯里板，選擇一種安全、可靠、便捷的吊裝方案尤為必要。

在上部襯里板吊裝工作實施前，需要在上部襯里板的頭部焊接6個吊耳，其中4個吊耳用于吊裝提升階段與軌道梁上設置的電動葫蘆相連，剩余2個吊耳用于吊裝就位階段與抗壓環上設置的手拉葫蘆相連。在提升階段，采用軌道梁上的電動葫蘆和承臺上的汽車吊相互配合的方式吊裝上部襯里板：由電動葫蘆連接上部襯里板頭部對稱設置的4個吊耳進行提升，由汽車吊托起上部襯里板的尾部輔助提升，直至襯板全部脫離罐底，避免襯板在罐底因受到較大的滑動摩阻而損傷板材及罐底；在就位階段，因電動葫蘆無法將上部襯里板提升至固定位置，需采用抗壓圈上設置的手拉葫蘆與上部襯里板頭部剩余的2個吊耳相連進行手動調節，使得上部襯里板能夠精準就位。

3.2 內罐壁板的組對

內罐是全容式LNG儲罐的關鍵構件，由機械性能好且耐受超低溫的9%Ni鋼板安裝焊接而成。對于16萬立方米的全容式LNG儲罐的內罐壁板，共計200余塊，分為10圈由下而上進行組對安裝。設計板厚由下而上逐步遞減，第1圈單張板厚達25 mm，重達8 895 kg。由此可見，內罐壁板的數量之多、板材之厚、重量之大，給壁板的安裝精度控制帶來了極大的挑戰。因而，在將內罐壁板吊裝就位后，就要對壁板的組對質量進行嚴格控制，確保不會因組對偏差給后續安裝焊接帶來困難。

因內罐壁板板材較厚，可塑性較低，在組對實施過程中，利用通孔方鐵、電話卡進行精準定位和調平，環縫組對錯邊誤差要求不應超過上部板材厚度的20%，最大不能超過3 mm，立縫組對錯邊誤差不應大于1.5 mm，以此作為組對控制的標準，以減小組對過程中的誤差積累，提高內罐壁板的組對質量。內罐壁板上通孔方鐵的位置示意圖如圖2所示。

圖2 通孔方鐵的位置示意圖

第一圈內罐壁板的組對是關鍵所在，需要控制安裝半徑、垂直度、焊接收縮尺寸變化及焊接變形，施工流程為：(1)測量定位，包括半徑和角度起始點；(2)罐內壁板分區域就位；(3)前期準備工作，打磨、吊耳焊接，吊車就位；(4)壁板吊裝就位及組對固定；(5)調整位置及尺寸；(6)依次吊裝、組對壁板。

內罐壁板的變形控制是組對工作的重中之重。壁板組對前需要對坡口外側20 mm的范圍內進行打磨處理，清除油漆、浮銹、泥土等。采用汽車吊和電動葫蘆配合將壁板吊裝就位，再利用背杠和電話卡進行固定。通過電話卡調整錯邊及其上下高差，將組對間隙控制在2～4 mm范圍內，并將壁板固定牢固，做好相應反變形。組對過程中，要求使用弧度樣板檢查變形量，及時使用電話卡調整變形量，加強壁板變形的過程控制。組對完成后，必須進行組對質量驗收，達到焊接要求后方可允許定位焊接。

3.3 內罐壁板的焊接

9%Ni鋼焊接不同于普通碳鋼的焊接，由于焊接熔池金屬液的粘性較大，合金含量高，焊工需要掌握特殊的焊接技巧及施焊要點，才能高質量的完成9%Ni鋼焊接。在對9%Ni鋼焊接時，應注意以下要點：

(1)打底焊時，不要在焊縫上收弧，容易在弧坑處產生縮孔和熱裂紋，引到坡口面上收弧比較好；

(2)焊縫接頭處需打磨成U型，并仔細觀察是否有裂紋存在，確認徹底清理干凈后方可繼續焊接；

(3)在接頭下方引弧時，不可在坡口外面隨意打火劃傷母材；

(4)為保證9%Ni鋼板熱影響區的低溫韌性，必須降低線能量進行焊接，采用小擺動、快速、多層、多道焊的焊接方式；

(5)由于焊接電流小，電弧燃燒不穩定，熔池不清晰，施焊時要保持手把穩定、運條均勻，兩側多停留，使焊縫成形更加平整；

(6)如果在焊縫成形上出現中間凸起、兩側有溝槽的情況，在下道焊縫施焊之前，必須把焊道打磨平整，避免出現未熔合或夾渣等缺陷；

(7)9%Ni鋼在低溫環境下對缺陷和應力集中的敏感性大，若焊縫表面出現咬邊、未熔合、焊縫成形不良等缺陷，應及時進行修復，避免材料產生低溫脆性破壞；

(8)因9%Ni鋼存在易磁化、難消磁的特點，焊接過程中對缺陷修復時，盡量采用風砂輪或鋼絲刷，避免采用氣刨造成母材二次磁化；

(9)在正常焊接過程中，因焊條是低氫鈉型藥皮，應采用短弧施焊，防止產生焊接氣孔，但電弧不能壓得太低，否則會出現粘條現象；

(10)收弧時，弧坑要填滿。

4 結語

LNG產業鏈的發展和擴大，推動了LNG儲罐朝著大型化方向發展，全容式LNG儲罐的罐容已逐漸增大至27萬立方米。隨著LNG儲罐罐容的增大，單位容積儲罐建設所需的費用呈現下降趨勢，同時大罐容可以更高效地提高土地利用率，并能夠更大程度地降低儲罐BOG蒸發率。因此，大罐容的LNG儲罐在經濟效益上更顯優勢，LNG儲罐的超大型化將成為未來LNG儲罐發展的主要趨勢。

文章以國內某LNG項目16萬立方米全容式LNG儲罐為例，淺析了全容式LNG儲罐的結構組成、建造材料、建造關鍵路徑、關鍵路徑作業以及施工難點和控制，可供同類LNG項目儲罐建造參考，同時也為推動我國LNG儲罐超大型化的設計及建造提供理論指導。