超大型LNG薄膜型陸地儲罐內罐劃線關鍵因素分析與方案優化

孫 劍 鮑星龍

江蘇科技大學船舶與海洋工程學院

0 引言

隨著國家能源戰略的推進，對于能源結構的優化已經成為國內能源行業的常態化工作，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）具有燃燒熱值高、無污染且便于運輸的優點，在越來越多的國家中開始大面積使用[1]。隨著相關技術的不斷進步，國內逐步形成氣源、儲運、市場協同發展的天然氣工業[2-6]，LNG在陸上的儲存技術成為LNG能源應用的關鍵技術之一。MARK III薄膜型陸地儲罐作為一種安全、經濟的新型儲罐形式，其建造過程在國內的研究基本處于空白階段。

隨著天然氣液化技術的不斷成熟，全球天然氣消費量持續提升。大型偏遠氣田的天然氣液化后可輸送至管線無法到達的市場，已發展形成全套產業鏈[7-8]。作為LNG產業鏈中不可或缺的存儲設施，也是 LNG 接收站建設投資最高、工期最長、技術最先進、難點最多的關鍵環節。隨著LNG儲罐應用日益廣泛[9]，相關技術發展備受業界關注。

在LNG 產業鏈中，LNG 儲罐是最重要的組成部分之一，相對于歐美及日韓等發達國家，中國在LNG 儲罐的建設技術水平上還不夠成熟[10]。整個產業鏈中，LNG儲罐的設計和建造十分關鍵，技術要求高，投資大、建設時間長[11]。常規儲罐以全容儲罐為主，由主容器和次容器兩部分組成，其優點是安全性高、占地少、完整性高[12]。薄膜儲罐是金屬薄膜內罐、絕熱層及混凝土外罐共同形成的復合結構[13]，優勢是更低的材料成本、更好的結構獨立性、氣密性和高度的模塊化。

近年來，LNG 儲罐呈現大型化的發展趨勢，薄膜型儲罐的優勢逐漸凸顯[14]，相較于全容罐，薄膜罐的內罐容積沒有理論極限，可以設計容量更大的儲罐[15]。得益于結構的優化和薄膜內罐體系的厚度，在混凝土外罐尺寸相同情況下，薄膜型儲罐比9%Ni鋼全包容儲罐有效容積大10%[16]。

薄膜罐的外罐包括混凝土外罐、承臺和拱頂，內罐包括主層屏蔽和次層屏蔽兩部分，次層部分主要為絕緣填充層，主層為不銹鋼波紋板[17-18]，在主層和次層安裝開始前都需要進行劃線工作。首先進行的就是罐內的打點劃線工作，此項工作保證了整個內罐的安裝精度，并影響后續安裝工作的安裝質量[19]。對于薄膜型圍護系統，劃線精度對于絕緣模塊的安裝精度，次屏蔽黏連質量以及波紋板安裝精度都有很大影響，是整套體系最基礎、最重要的工作之一。

筆者研究載體是天津南港在建的LNG應急儲備項目薄膜儲罐，該項目采用薄膜型LNG儲罐建造的前沿技術，是國內最大的LNG薄膜儲罐項目群，同時是正在實施的國內甚至世界上單罐容量最大的LNG陸上薄膜儲罐，也是近十幾年來國內建造容量最大的薄膜型LNG儲罐。

筆者主要對薄膜罐內罐安裝前打點劃線工序的技術關鍵點進行研究，通過對薄膜罐內罐劃線理論方案進行實際驗證，解決實際施工時遇到的各種問題，優化相關劃線方案和策略，降低成本、提高生產效率，為內罐安裝精度控制和質量控制提供重要支撐，對后續國內外超大型薄膜型陸地儲罐的建造具有指導意義，也為相關技術國產化進程作出貢獻。

1 罐內區域劃分

圍護系統作業中，許多相似工序會在不同的基準面上進行，出現問題時難以定位。為了便于作業區域的標記、定位和模塊化作業，通常按照以下原則對內罐的底面和壁面各個區域進行劃分命名。

通常將整個底面區域劃分為4個區域，筆者以A、B、C、D進行標識，其中包含一個中心區域和多個均分的扇形區域，以引導系統所在位置為參考，將此區域作為劃分起始點，即底部A區域的中間扇形區域。以此區域為基準，每個區域根據罐體尺寸等分為各個小區域，并依次標記。圖1所示為225 000 m3薄膜罐的劃分方案，以底面A區為例，將其命名為BA區域（Bottom A,BA）將其劃分為7個小扇區，分別以BA1～BA7命名，B、C、D區域同理。

圖1 底部扇形區域劃分圖

壁面區域的劃分以底面為基準，底面的每個扇區，對應壁面區域的一個或多個平面區域。本文研究對象劃分的底部28個扇區對應著56個壁面區域（圖2）。

圖2 壁面區域劃分圖

內罐建造過程中，次屏蔽黏連端部區域（Second Barrier End Area，SE）和主屏蔽焊接端部區域（Primary Barrier End Area，PE）兩個特殊區域界線以及 PE 區域氮氣管高度是劃線工作定位及精度控制的重要參考。需提前標明。

在壁面需確定3個高度環面Δ1、Δ2、Δ3。其中Δ1表示PE區域預埋件中心線距離底面高度；Δ2表示SE區域預埋件中心線距離底面高度；Δ3表示次層區域氮氣管進氣管高度。

這3個高度環面用以確定氮氣管、溫度傳感器、次層端部蓋板和主層連接件的相對位置，圖中以壁面A區域01和11區域為例（圖3）。

圖3 3個高度環面圖

2 內罐劃線關鍵問題分析

2.1 劃線設備及精度控制要求

不同于LNG船艙內劃線，LNG陸上儲罐罐體內徑和高度尺寸都比較大，這對于劃線裝備的作業距離及作業精度都有較高要求。本文參考的罐體內罐底面為半徑43 m左右的圓形，罐體高度44 m左右，因此設備至少需滿足45 m作業距離，設備選用API激光跟蹤儀，使用前保證設備最大作業距離下調試誤差不大于0.03 mm[20]，并且在作業環境較差時仍能保持良好的作業精度。

由于混凝土外罐存在建造誤差，測量開始前需確定罐底基準平面，通過該平面建立理論罐體，在內罐表面布置靶球，便于設備移位后定位第一次建立的理論罐體（圖4）。

圖4 罐內靶球分布圖

2.2 底面及壁面交界處誤差分析及解決方案

混凝土外罐建造完成后進行防潮層施工，施工后會在底面及壁面交界處產生防潮層淤積，該區域測量時會產生測量誤差，影響該區域絕緣模塊的安裝精度。防潮層淤積如圖5所示。

圖5 角區的防潮層圖

為避免破壞防潮層，采用移位標記法，在劃線定位時將需要定位的點沿壁面偏移一定的距離M，避開防潮層淤積區域，確定角點時按照標記點向下偏移M，該點即為角區基準楔塊調平時的參考角點。使用移位標記需保證與原始角點始終在同一豎直軸線上。偏移距離M的確定需要綜合底部防潮層淤積情況，在底面保護施工后仍便于測量，在此前提下選擇最短的偏移距離，同時也降低因角點偏移產生誤差的風險。

一般流程如下：

1）在距離需要標記的角區左右兩側一定距離處，使用模板在距離底面3個不同高度處各做一個高度標記，兩側相同高度處的兩個標記連接為一條水平線。

2）在最高和最低的高度標記水平連線上，使用量規確定最深的角點，連接這兩點，與中間高度處水平線角點就是底部移位標記點。

以225 000 m3薄膜型陸地儲罐為例，壁面寬度為4 870.6 mm，基于此壁面寬度在距角點位置左右兩側150 mm處確定距底面高度值分別為150 mm、250 mm 和 350 mm 的標記點。

2.3 SE區域測繪基點

SE區域是內罐區域劃分的關鍵位置，本身是整個內罐次層屏蔽黏連的端部區域，由于SE區域上方與下方具有不同形式的絕緣板材，安裝方式以及相關零件區別較大，并且SE區域零件較多，工序復雜，在劃線階段就需要保證良好的施工精度。

防潮層施工時未凝固的防潮層會流掛污染SE區域，使得SE區域界限變得不明顯，妨礙后續的測量工作（圖6）。為解決此問題，采取在SE區域標記測繪基點的方案，預先標記測繪基點，防潮層流掛后無法完全遮蓋所有基點，通過SE區域部分基點即可測量找出所有基點位置，根據基點位置測繪所需網格線，為了便于定位，測繪基點一般選在角區位置。

圖6 被污染的SE區域圖

SE測繪基點的標記在防潮層施工前進行，在SE區域不銹鋼焊接環線角區位置標記一個樣沖點，同樣在SE區域角區模塊安裝位置進行標記，連接兩點，在連線中點上標記一個樣沖點，這3個點即為SE區域的角區測繪基點。

測繪基點可以在防潮層施工完成后，標記SE區域劃線、模塊安裝以及預制件焊接位置，降低黏連和焊接誤差。

2.4 角區位置線誤差控制

對于內罐絕緣模塊安裝，角區位置是安裝位置控制和精度管理的關鍵部分，角區位置線是控制絕緣板安裝位置的限制線，也是確保波紋板準確安裝的定位線。

由于混凝土外罐建造誤差的影響，角區位置線的確定是劃線作業精度控制工作的難點，在SE區域和PE區域需要繪制各自對應的角區位置線，將激光分別打至SE和PE區域，每個角標記兩點并連線，此線段即為角區位置線。

為保證波紋板焊接位置不產生偏移，同一角區SE區域和PE區域角區位置線必須控制在同一軸線上，且各軸線必須保證嚴格的平行關系。一旦SE區域和PE區域的角區位置線產生偏移，會影響絕緣模塊安裝精度，一旦誤差過大，波紋板將無法對齊。

通常在角區位置線完成后，所得的壁面平面區域不是一個標準的矩形，是由于混凝土存在建造誤差，對誤差進行修正后角區為直線會產生微小偏移，此時需要測量偏移量，依據專利商標準，上下偏移誤差需控制在±5 mm以內。

2.5 內罐劃線方案及精度控制

靶點設置及內罐數據計算完成后開始進行具體劃線工作，在劃線過程中需注意網格線的精度管理策略，防止誤差累積。

2.5.1 底面扇區及壁面中軸線

底面扇區和壁面中軸線是90°絕緣模塊安裝的關鍵，通常需要保證壁面中軸線與對應底部扇區中軸線的連續性。這一步通過人為測量通常不能很好地考慮多個面的相互影響，因此通過軟件在理論平面上繪制軸線，消除由于外罐建造誤差產生的影響，激光打點后進行人工復核。

在軟件中繪制一個垂直于底面的理論平面，保證需要繪制的底面扇區中軸線位于平面內，坐標系法線方向垂直于底面扇區中軸線，打點時z值為0的點即為中軸線上的點，儀器打點誤差控制在0.03 mm以內。

打點工作開始后，每3 m標記一個點，進行彈線，每9 m進行精度檢查，需要保證每9 m的劃線精度在±1.5 mm內，以控制彈線精度。

2.5.2 壁面高度環線

壁面高度環線是網格線繪制的定位線和檢驗線，也是保證SE和PE區域定位的標記線，壁面高度環線的確定需根據現場情況確認，需要根據建造時氮氣管位置、底部涂層厚度和底部整體平整度情況確定。

2.5.3 網格線及平面螺柱劃線

網格線與底面扇區及壁面中軸線相同，為減少人工測量產生的精度問題，采用設備打點，建立理論平面后找點劃線的方案。平面螺柱劃線需要使用特殊工裝，防止出現人工測量誤差。

根據國際專利商要求，在壁面接近底部位置、半高位置和接近穹頂位置分別對網格線寬度進行測量，每個壁面與理論寬度的誤差需控制在±10 mm之內。同時各網格線需使用量具測量對角線距離，大網格誤差±5 mm以內視為合格，小網格誤差±3 mm以內視為合格。

2.5.4 角區螺柱劃線

角區劃線在平整度測量及角區基準楔塊數據計算完成后進行，并且角區螺柱的位置與角區基準楔塊的厚度有關。角區絕緣板一般銜接2個或3個平面，對連接處的層差和平整度有較高要求，角區螺柱線劃線誤差控制在±1.5 mm內，但由于基準楔塊的影響，難以進行定位。

針對上述情況，角區的螺柱劃線將根據以下兩種方式的其中一種進行（圖7）。

圖7 角區螺柱劃線示意圖

1）方案一：在平整度測量計算完成之后進行，由于角區螺柱的位置與角區基準楔塊的厚度有關，因此螺柱的定位需使用模板。

2）方案二：將螺柱安裝分為兩個部分進行，先平面區域，然后是角區部分，則可在平面區域基準楔塊計算完成后進行螺柱定位。

2.6 數據處理及平整度計算

在底部的各點測量完成后，由于測量工作需要人工介入，測得各點可能會出現位置偏差，因此需要將數據與理論數據進行對齊，保證實測數據與理論數據的嚴格對應關系。

為提高效率，使用PolyWorks軟件進行對齊操作（圖8）。

圖8 對齊操作示意圖

由于外罐建造時的公差，理論壁面中軸線一般會與實際壁面中軸線位置產生偏移，根據陸罐建造公差和劃線計算參數，計算后可得到壁面中軸線的偏移量和陸罐的中心位置。

在網格線劃線結束后對平面平整度進行測量，平整度測量時存在角區劃線裕量，需要通過計算將底面和壁面區域的平整度情況進行修正，出具基準楔塊安裝方案。

圖9以壁面WA34為例，通過儀器初步測量平整度后整體情況。

圖9 計算前壁面WA34平整度狀況圖

計算前的平整度數據包含未進行合并計算的角區裕量，在進行多個壁面的同時計算時，根據該區域理論尺寸及計算出的偏移量，擬合計算后消除角區裕量，并得到一個相對平整的平面（圖10）。

圖10 計算后的平整度數據圖

計算后的平整度數據可作為實際生產的基準楔塊數據參考。

3 劃線方案優化

在實際生產過程中，存在著許多與理論劃線方案不同的情況，需要邊施工邊驗證，不斷根據實際情況對劃線方案修改優化，提高生產效率。

3.1 劃線流程優化

由于混凝土外罐的建造誤差，會對某些角區進行打磨，這會導致這些角區變得不明顯，導致后續的打點劃線時難以準確定位角區，產生誤差。

為解決這個問題，在劃線開始前人工測量并標記出一條角線，測量墻面寬度，對照理論數據對壁面寬度進行相應調整，以調整后的寬度為準，在不明顯的角上做標記，后續以此標記為基準進行打點劃線。

3.2 移位標記點定位流程優化

對于SE區域及PE區域角區測繪基點以及移位標記點流程，先前的方案需要分別在SE和PE 區域分別進行定位，在實際測繪工作進行后對其流程進行了優化。

將SE區域及PE區域角區測繪基點標記工作提前至移位標記定位之前進行，SE區域角區標記完成后可以通過測繪基點輔助移位標記點的定位，不需要使用量規確定角點，只需通過儀器將角區標記線垂直延伸出一條線，即可確定移位標記定位點，提高整體效率。

SE區域移位標記點完成后，可通過儀器以及SE區域移位標記點向上延伸直接在PE處確定PE區域移位標記點。

4 關鍵區域精度控制策略

4.1 底部中心點檢驗

內罐底部中心點是全罐安裝工作的中心點，也是劃線工作的起始點，因此中心點的定位精度直接關系到內罐安裝精度和安裝質量，中心點的檢驗工作成為精度管理的重點工作。

正式打點工作開始前，需要驗證底部中心點，以保證內罐扇區中心點的準確性。

選擇3個以上的底面扇區，在底面繪制其軸線及邊界線，檢查所有線的交點是否在中心點范圍內，在范圍內中心點檢驗通過；若中心點檢驗沒有通過，檢查施工流程及工作文件，找出相關問題（圖11）。

圖11 底部中心點檢驗圖

4.2 底部劃線檢驗

由于劃線以內罐底部為基準開始，底部區域的劃線影響整個罐體的劃線質量，因此底部劃線工作結束后需確定劃線誤差、復核劃線質量，制訂相應的檢查檢驗方案。

尤其重要的是底部扇區軸線的精度控制，關系到底面和壁面絕緣模塊的銜接過渡，由于罐體內徑較大，采取三段式檢驗的方法。將底部中心區域到罐壁的距離定為L，選擇底部扇區軸線上1/3L、2/3L、L位置的點，通過激光跟蹤儀在底部進行標記，標記完成后進行測量，每處允許誤差±1 mm以內，超出允許誤差的軸線視為不合格。

檢驗過程中，如果出現檢驗點與彈線不重合的現象，需立即檢查是否打點有偏差或出現彈線誤差，以免后續工作產生更大的精度問題。

4.3 壁面劃線及壁面水平線檢驗

位于壁面的3條環線Δ1、Δ2、Δ3是確定絕緣模塊安裝位置、保證氮氣管、次屏蔽和波紋板安裝精度的重要基準，因此壁面環線的確定及誤差控制是壁面劃線工作的重要環節。

環線Δ3必須在氮氣管上方，測量環線Δ3高度值、壁面中心軸線上距Δ2環線250 mm位置高度值和Δ2至Δ1高度值。隨機選擇幾個壁面，測量每個面上述3個位置點，測量完成后計算得出距離報告，多個壁面之間高度差誤差不得超過規定值，該誤差范圍根據絕緣模塊安裝層差允許范圍確定。

5 結束語

1）劃線工作是整個MARK III型LNG薄膜罐安裝工作的前提，后續的螺柱及絕緣模塊安裝都需要按照劃線提供的基準進行，也保證了波紋板安裝連續性及安裝精度。筆者以22.5×104m3的大型薄膜型LNG陸地儲存罐為研究載體，在實際施工過程中發現總結了內罐劃線過程中的關鍵點和問題，并通過實際檢驗，優化了內罐劃線方案，制訂了關鍵區域精度控制策略和標準。

2）在整個劃線工作的前期準備、實際施工過程中都遇到了許多計劃外的問題，對劃線方案和精度控制策略進行了多次修改、優化，最終形成了適合實際施工，效率更高、成本更低的施工方案和精度問題解決辦法，對國內后續薄膜罐的施工建造具有一定指導意義。

3）作為國內最大的LNG薄膜型陸地儲罐項目，該項目的成功投產不僅代表著國內大型LNG儲罐發展取得進一步成就，也代表著LNG薄膜型圍護系統在新的領域得以實際應用，為后續相關技術的國產化、自主化提供了理論依據和技術支撐。