LNG 薄膜罐測量工藝技術(shù)研究

劉煜，向佐新，宋瑞娟，呂軍慶，李宏偉，宋桂鋒

(1.中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062552；2.華港燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，河北 任丘 062552)

0 引言

薄膜型儲罐是法國GTT公司開發(fā)設(shè)計(jì)的，該技術(shù)已在LNG船上得到大量應(yīng)用，且已有多個在國外的LNG接收站應(yīng)用的案例[1]。項(xiàng)目LNG薄膜罐采用法國GTT公司的GST?薄膜技術(shù)[2]。

LNG薄膜罐主要由預(yù)應(yīng)力混凝土外罐和薄膜內(nèi)罐組成，薄膜型儲罐外罐系由混凝土拱頂、混凝土罐壁和混凝土承臺組成。外罐的內(nèi)壁為 56 邊形[3]。

LNG薄膜內(nèi)罐采用GST?薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要部件包括主層薄膜、次層薄膜和預(yù)制泡沫板[1]。

圖1 GST?薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

LNG薄膜罐的絕緣層內(nèi)充滿氮?dú)猓^緣層內(nèi)的壓力自動控制，一旦有泄漏，可立即監(jiān)測到，保證系統(tǒng)的安全[4]。

LNG薄膜罐的測量就是在水壓試驗(yàn)后，開始進(jìn)行打點(diǎn)劃線工作。GTT公司安裝手冊要求用激光跟蹤儀定位基座點(diǎn)[5]。

測量劃線是整個內(nèi)罐安裝的定位基礎(chǔ)，必須保證罐底與罐壁、罐壁與罐壁之間的高精度對位，從而保證最終主層不銹鋼波紋板的拱形對應(yīng)。

1 測量劃線工藝原理

由于薄膜內(nèi)罐維護(hù)系統(tǒng)的所有絕緣模塊、波紋板、組成構(gòu)件都是提前在廠家定尺定量生產(chǎn)完成，精準(zhǔn)度要求較高，不容有任何偏差，因此在進(jìn)行施工之前需要將所有絕緣模塊、波紋板的位置在混凝土內(nèi)壁上標(biāo)識出來，以保證后續(xù)施工的精確度，減少施工工序的返工。薄膜內(nèi)罐測量的工藝原理就是先實(shí)際打點(diǎn)標(biāo)出112個罐體形狀測量點(diǎn)，得到罐體的實(shí)際形狀尺寸，再利用法國GTT公司開發(fā)的薄膜罐專用MOFA軟件對實(shí)際形狀尺寸進(jìn)行修正，確定罐體中心點(diǎn)，創(chuàng)建實(shí)際罐體坐標(biāo)系，然后將罐體理論模型嵌套入實(shí)際罐體坐標(biāo)系中，以此完成對理論模型的糾偏，利用糾偏之后的理論模型搭配激光跟蹤儀和標(biāo)靶指導(dǎo)基準(zhǔn)線的打點(diǎn)劃線工作。

2 測量劃線工藝流程概述

2.1 儲罐分區(qū)

進(jìn)行罐體測量之前先對儲罐進(jìn)行分區(qū)，如圖2所示。

圖2 儲罐分區(qū)

(1)罐底：儲罐中心區(qū)域(CA)；區(qū)域(28個，Sector)。

(2)罐壁(混凝土外罐內(nèi)壁為56邊形)：壁面(56個，Wall)；次膜端部(SE)；主膜端部(PE)；

(3)其他特殊區(qū)域：泵塔支撐(TS)；大小門洞(TO)。

2.2 罐體命名

罐底先分為A、B、C、D，四個90°的區(qū)域。再細(xì)分為28個扇區(qū)。每個扇區(qū)名字由3個字符組成，如圖3所示。

圖3 罐底扇區(qū)命名

2.3 墻體命名

LNG薄膜罐混凝土內(nèi)壁為56邊形，一共有56面墻，墻的名字由四個字符組成，如圖4所示。

圖4 墻體命名

2.4 墻面173.6°軸線處角點(diǎn)

墻面角點(diǎn)位于每條173.6°軸線的底部和頂部。在56邊形的陸罐中，便有112個角點(diǎn)。每個點(diǎn)都有一個基于4個字符的編碼。下圖描述了A區(qū)域底部墻面角點(diǎn)P的編碼，如圖5所示。

圖5 P點(diǎn)命名

2.5 墻面中點(diǎn)

劃線工序除了需要用到墻面角點(diǎn)，還需要墻面中點(diǎn)。墻面角點(diǎn)連線和墻面中點(diǎn)連線，構(gòu)成了定位線。每個點(diǎn)都有4個字符的編碼。下圖描述了A 區(qū)域底部墻面中點(diǎn)Q的編碼，如圖6所示。

圖6 Q 點(diǎn)命名

激光跟蹤儀打點(diǎn)工作是絕緣模塊安裝定位線(劃線)的基礎(chǔ)，打點(diǎn)的精準(zhǔn)與否直接影響后續(xù)劃線以及模塊安裝的精準(zhǔn)度。

對薄膜罐的測量劃線工藝操作流程進(jìn)行概述，主要分成四個步驟，具體如圖7所示。

圖7 打點(diǎn)劃線工藝流程

3 罐體形狀測量

在儲罐底部距離罐底平面高度為250 mm的各個轉(zhuǎn)角處進(jìn)行56個點(diǎn)位的測量；在距離儲罐頂部500 mm下方進(jìn)行56個點(diǎn)位的測量。

3.1 確定罐轉(zhuǎn)角樣沖點(diǎn)

以0°基準(zhǔn)線為起始，測量壁面寬度確定56個點(diǎn)(卷尺測量即可)。

利用水平激光儀打垂直線，并在5 m熱角保護(hù)區(qū)域與頂部區(qū)域位置處打樣沖點(diǎn)，用于后續(xù)劃定位線。

3.2 繪制底部56個點(diǎn)位的水平輔助線

利用專用模板尋距罐底承臺面250 mm高度處的三個點(diǎn)，其中兩點(diǎn)位于罐壁轉(zhuǎn)角線兩側(cè)150 mm，另一點(diǎn)位于上述兩點(diǎn)中間。連接此三點(diǎn)確定這條距罐底

250 mm的水平輔助線，如圖8所示。

圖8 底部水平輔助線繪制專用模板

3.3 繪制罐壁轉(zhuǎn)角棱線

將水平激光儀目視放置在罐壁轉(zhuǎn)角處；激光線準(zhǔn)確穿過樣沖點(diǎn)后，用墨斗連接，確定底部和頂部標(biāo)靶位置，如圖9所示。

圖9 標(biāo)記點(diǎn)及標(biāo)靶位置(十字交叉處)劃線

3.4 蛙跳點(diǎn)安裝

蛙跳點(diǎn)用于罐體形狀測量及劃線過程中的激光跟蹤儀機(jī)器定位。蛙跳點(diǎn)的作用就是用以統(tǒng)一多次測量的坐標(biāo)系，如圖10所示。

圖10 安裝完成后的蛙跳點(diǎn)

3.5 底部56個點(diǎn)位坐標(biāo)測量

激光跟蹤儀開機(jī)后利用局域網(wǎng)連接電腦，測量罐底蛙跳點(diǎn)對激光跟蹤儀進(jìn)行定位，定位完成后開始測量標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，如圖11所示。

圖11 激光跟蹤儀

利用桿狀靶球基座吸附小標(biāo)靶(0.5英寸)引導(dǎo)激光使其追蹤到標(biāo)靶，然后將標(biāo)靶手工放置在之前標(biāo)定的標(biāo)靶位置處。放置準(zhǔn)確并開始測量，等待電腦自動記錄被測點(diǎn)坐標(biāo)。

具體操作步驟如下：

(1)在罐底高度250 mm處向左大約偏移150 mm進(jìn)行點(diǎn)的標(biāo)記；

(2)重復(fù)上述步驟在向右大約偏移150 mm進(jìn)行另外一個點(diǎn)的標(biāo)記；

(3)利用墨斗彈線將兩點(diǎn)連接起來；

(4)利用激光水平儀投線，激光線需通過SE端的沖鉚點(diǎn)；

(5)標(biāo)記交點(diǎn)，該交點(diǎn)為儲罐底部三面體點(diǎn)；

(6)然后再重復(fù)55次。

3.6 頂部56個點(diǎn)位坐標(biāo)測量

具體操作步驟如下：

(1)分別在距離儲罐頂部防潮層下方250 mm、750 mm處向左偏移約150 mm標(biāo)準(zhǔn)兩個點(diǎn)；

(2)重復(fù)上述步驟在向右大約偏移150 mm進(jìn)行另外兩個點(diǎn)的標(biāo)記；

(3)利用墨斗彈線分別將兩點(diǎn)連接起來；

(4)利用激光水平儀所投射的過SE沖鉚點(diǎn)的那條直線，并分別在頂部250 mm、750 mm的水平線作出交點(diǎn)；

(6)利用激光跟蹤儀偏移距離A打出Top_Plane，平面與豎線的交點(diǎn)及為罐頂測量點(diǎn)位；

(7)再重復(fù)進(jìn)行55次。

4 數(shù)值計(jì)算

4.1 罐體尺寸測量結(jié)果整理

為保障劃線精確性，分別針對罐頂、罐底各點(diǎn)進(jìn)行兩次測量，允許偏差在0.5 mm內(nèi)，罐體尺寸測量結(jié)果如圖12所示。

圖12 尺寸測量結(jié)果圖示

(1)利用激光跟蹤儀完成罐底56個點(diǎn)位測量工作，并在Polyworks中生成平面Top_plane_preparation；

(2)Polyworks中以平面“Top_plane_preparation”為基準(zhǔn)，向上偏移數(shù)值A(chǔ)，創(chuàng)建平面“Top_plane”；

(3)完成平面Top_plane與罐頂豎線交點(diǎn)的測量。

4.2 坐標(biāo)系糾偏

在Polyworks軟件中創(chuàng)建112個點(diǎn)的理論坐標(biāo)(GTT公司提供項(xiàng)目理論數(shù)據(jù))，將測量的112個點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入Polyworks中，進(jìn)行坐標(biāo)對齊(best-f it)操作，對測量的112個點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行校正，如圖13所示。

圖13 坐標(biāo)系糾偏圖示

4.3 MOFA軟件數(shù)值計(jì)算

利用MOFA軟件對實(shí)際形狀尺寸進(jìn)行糾正，利用糾正后的數(shù)據(jù)創(chuàng)建實(shí)際罐體的坐標(biāo)系，然后將罐體理論模型嵌套入實(shí)際罐體坐標(biāo)系中，以此完成對理論模型的糾偏，利用糾偏之后的理論模型搭配激光跟蹤儀和標(biāo)靶指導(dǎo)基準(zhǔn)線和限位線的劃線工作。

輸出新的112個點(diǎn)的坐標(biāo)(測量值)，將其導(dǎo)入MOFA軟件(GTT公司開發(fā)的薄膜罐劃線數(shù)據(jù)處理軟件)中，在計(jì)算參數(shù)中輸入偏移量A，得到各點(diǎn)(P點(diǎn)、M點(diǎn)、Q點(diǎn))的偏移量，以及各直徑方向上的偏移半徑，如圖14所示。

圖14 MOFA軟件輸出數(shù)據(jù)模型

4.4 確定罐中心點(diǎn)

在Polyworks軟件中，通過直徑找圓心的方式確定罐中心點(diǎn)。然后選取三個參考點(diǎn)：圓心、理想底面、直徑；旋轉(zhuǎn)新坐標(biāo)系的方向與原坐標(biāo)系方向一致建立實(shí)際坐標(biāo)系。

前述112個點(diǎn)的定位測量及數(shù)據(jù)處理的最終目的就是確定最后這個實(shí)際坐標(biāo)系，最后將理論模型套入實(shí)際坐標(biāo)系指導(dǎo)劃線。

5 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證步驟如下：

(1)將理論模型嵌套入實(shí)際坐標(biāo)系后，創(chuàng)建28個中點(diǎn)面；

(2)選取其中4個面，利用激光跟蹤儀，每條直徑選擇兩個點(diǎn)，作4條直徑；

(3)對每一個面創(chuàng)建單獨(dú)的坐標(biāo)系，使z軸垂直于該平面。然后利用Polyworks中平面與靶球(搭配圓底座便于標(biāo)點(diǎn)，把球?yàn)?.5英寸小靶球)配合找點(diǎn)；

(4)連點(diǎn)成線，看四條直徑是否交于一點(diǎn)，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，如圖15所示。

圖15 模型驗(yàn)證

6 基準(zhǔn)線劃線

罐底28條直徑為薄膜罐罐底基準(zhǔn)線，這28條直徑將罐底分成了28個扇區(qū)，且每個扇區(qū)有一中心線，如圖16所示。

圖16 罐底基準(zhǔn)線分布

在Polyworks軟件中利用中點(diǎn)(Q點(diǎn)、N點(diǎn))構(gòu)建的28個平面搭配激光跟蹤儀及小靶球?qū)ざㄎ稽c(diǎn)，利用墨斗連點(diǎn)成線構(gòu)成罐底直徑，如圖17所示。

圖17 每個中點(diǎn)面單獨(dú)建立坐標(biāo)系

利用罐體中點(diǎn)(Q點(diǎn)、N點(diǎn))在Polyworks中創(chuàng)建28個理論中點(diǎn)面如下圖所示，用此28個中點(diǎn)面指導(dǎo)罐壁中軸線的尋點(diǎn)，如圖18所示。

圖18 28個理論中點(diǎn)面

利用罐體角點(diǎn)(P點(diǎn)、M點(diǎn))在Polyworks中創(chuàng)建28個理論角點(diǎn)面如下圖所示，用此28個角點(diǎn)面指導(dǎo)罐壁轉(zhuǎn)角棱線的尋點(diǎn)，如圖19所示。

圖19 28個理論角點(diǎn)面

劃線施工人員利用靶球?qū)c(diǎn)及打點(diǎn)，點(diǎn)定位完成后，在絕緣模塊安裝位置和螺栓中心敲上中心沖印[6]。彈線人員連點(diǎn)成線，完成基準(zhǔn)線的劃線工作。

劃線精度是否滿足要求直接影響后道工序的施工質(zhì)量，因此需要仔細(xì)復(fù)核打點(diǎn)結(jié)果，基準(zhǔn)點(diǎn)尋點(diǎn)嚴(yán)格按照上述程序進(jìn)行，同時(shí)彈性人員要嚴(yán)格控制劃線偏差。若出現(xiàn)較大偏差，可能導(dǎo)致絕緣板無法安裝，最終影響波紋板的安裝，對建造進(jìn)度和質(zhì)量都會造成極大的影響。根據(jù)法國GTT公司的要求，各類線劃線偏差應(yīng)控制在±1.0 mm之內(nèi)[7]。

7 結(jié)語

測量劃線作業(yè)是薄膜罐圍護(hù)系統(tǒng)建造的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，是絕緣板安裝的前道工序，也是確保主屏蔽波紋板在罐內(nèi)不同面之間連續(xù)性的前提，測量劃線作業(yè)的精度控制直接決定了薄膜罐建造成功與否。

利用激光跟蹤儀結(jié)合Polyworks軟件尋點(diǎn)、MOFA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方式進(jìn)行打點(diǎn)劃線工作，更能將理論的儲罐尺寸數(shù)據(jù)與實(shí)際建造完成的混凝土內(nèi)罐尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，提高了薄膜罐絕緣模塊安裝的精度，減少后續(xù)內(nèi)罐施工安裝的工序返工，提高了生產(chǎn)效率，降低了施工成本。作為后續(xù)LNG薄膜罐施工的參考依據(jù)，推動了LNG薄膜罐的進(jìn)步，可以為后續(xù)類似陸上LNG薄膜罐項(xiàng)目的施工參考。