兩種儲罐氣頂升平衡系統的應用

左繼澤

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

全容儲罐作為目前存貯液化天然氣(LNG)的主力儲罐，其外罐為鋼結構預應力混凝土，內罐為X7Ni9鎳鋼[1]。在整個大型全容儲罐的建設中，儲罐罐頂(拱頂)的安裝是一項十分重要的環節。目前常常采用氣頂升的方式，即把在地面組裝完成的儲罐罐頂鋼結構和下部鋁吊頂一起頂升至外罐抗壓環處，然后在保持罐內氣壓的情況下完成固定和焊接工作[2-3]。

氣頂升是儲罐建設中重要的關鍵節點和風險控制點，其施工工藝涉及因素多、技術要求高、施工難度大。其裝置主要包括平衡系統、密封系統、風機系統、通訊系統和監測系統這五大類[4]。在頂升的過程中，罐頂鋼結構處于受力平衡的勻速上升狀態，罐頂無任何實體的支撐，完全依靠由鼓風機鼓入罐內的空氣所產生的壓力來支撐。因此，罐頂上任何部位的不均勻受力都將打破罐頂的平衡狀態，若不能及時矯正必將導致罐頂的傾覆翻轉，造成重大的安全事故[5]。

1 概況介紹

平衡系統就是用來控制罐頂穩定性的一套裝置。主要由安裝在抗壓環上的T型支架、頂部錨固件、底部錨固件、中間導向滑輪組和定長鋼絲繩組成。在某接收站20萬立方米大型LNG全容儲罐建設中，采用了兩種氣頂升平衡方式，一種為底部邊緣錨固平衡法(簡稱“邊緣法”，如圖1(a))，另一種為底部中心錨固平衡法(簡稱“中心法”，如圖1(b))[6]。此兩種平衡方式都是在抗壓環頂部與拱頂縱梁對應的位置焊接24個均勻分布的T型支架，其兩端均有定滑輪，每個T型支架上都配有一組鋼絲繩，鋼絲繩的一端通過定滑輪連接在外罐墻體錨固吊耳上，拉力計安裝在儲罐0°、90°、180°、270°四個對稱方位的鋼絲繩上。

圖1 兩種氣頂升平衡方式示意圖

對于邊緣法來說，T型支架焊接完畢后采用線墜或激光法將鋼絲繩安裝位置垂直投影在拱頂襯板上，用記號筆做好標記后進行開孔，使鋼絲繩能夠通過頂襯板到達罐內，然后在對應的拱頂邊緣下部配套安裝有24個并排雙向轉向滑輪(簡稱“雙向滑輪”)，對應位置處的外罐墻體第一圈環向預埋件焊接有24個臨時吊耳。從T型支架另一端下來的鋼絲繩穿過孔洞，通過雙向滑輪引向對稱方向的第二個雙向滑輪處，然后固定在底部的臨時吊耳上。對于中心法來說，同樣用線墜或激光法將鋼絲繩安裝位置垂直投影在拱頂縱梁上，不需開孔，但需要在其上部所對應的適當位置焊接24個臨時吊耳，每個臨時吊耳上都栓有轉向滑輪。在拱頂中心位置安裝著由24個轉向滑輪組成的中心滑輪組，在儲罐承臺混凝土中心位置提前布置好底部中心錨固支架。同時，在拱頂縱梁邊緣臨時吊耳和拱頂中心轉向滑輪的中間平均分布著2個導向滑輪，有24根主縱梁，因此共48個導向滑輪。從T型支架另一端下來的鋼絲繩經過轉向滑輪改變方向，然后通過拱頂縱梁上的兩個導向滑輪引向拱頂中心方向，在中心滑輪組處再次改變方向引至底部中心錨固支架上。兩種氣頂升平衡方法都是利用定長的鋼絲繩張力來控制氣頂升過程中拱頂傾斜角度和水平位置，來達到防止罐頂發生翻轉的目的。

2 對比分析

2.1 頂升重量分析

案例分析皆以此接收站20萬立方米大型LNG全容儲罐為參考。拱頂上的所有設施和臨時附件都是相同的，且規定兩種平衡方式上的配重均為15 t。在具體數據分析之前，結合圖1可以很容易看出，中心法與邊緣法相比，需要更多的導向滑輪，但所需的鋼絲繩長度卻短了許多(中心法105 m，邊緣法150 m)。同時發現，并不是所有的鋼絲繩重量都由拱頂承擔，T型支架和罐壁外墻混凝土上的錨固吊耳會承擔相當一部分，因此在計算時，會把兩種平衡方法中鋼絲繩一半的重量算進氣頂升的總重量里。分析完這些，把具體頂升所需的重量值數據匯總，編制成表1。從中不難發現，兩種平衡方法所需要的氣頂升總重量相差約1.5 t，幾乎可以忽略不計。

表1 兩種平衡方式的頂升重量

2.2 鋼絲繩張力分析

在頂升過程中，繩子的張力不是恒定的，這主要取決于拱頂的平衡狀態，以及拱頂在不同時刻的位置。這是因為在頂升過程中所需要的繩長會發生變化，但是鋼絲繩的長度為定值，因此就會造成鋼絲繩拉伸或松弛[7]。為研究方便，對實際情況進行簡化，即只研究一組鋼絲繩。如圖2所示，在未頂升(或剛開始頂升)時拱頂所處的位置記為位置1，在某一時刻拱頂所處的位置記為位置2。

圖2 兩種平衡方式張力分析示意圖

2.2.1 邊緣法鋼絲繩張力分析

如圖2左所示，在位置1時，鋼絲繩位于點ACDE處；在位置2時，鋼絲繩位于點ABFE處。在頂升過程中，AC段會逐漸變小至AB，DE段在逐漸增大至FE，CD段和BF段的長度是保持不變的。因此在頂升中，鋼絲繩的變化量主要取決于BC段和(FE-DE)變化的相對大小。

若拱頂以v的速度頂升了一段時間t，則BC段(相當于FD段)長度為vt，那么：

對式3求關于時間t的導數，簡化后得到式4：

式中：v為拱頂頂升速度(m/min)；t為頂升時間(min)；a為F點和E點的水平距離(m)；b為D點和E點的垂直距離(m)。

根據三角形三邊關系可知，在三角形FDE中，式(3)恒大于0。式(4)中的分式為真分式，即式(4)恒大于0，因此可知，BC段與(FE-DE)的差值會隨著頂升時間t的增大而變大，即拱頂在頂升過程中，所需的鋼絲繩長度會逐漸變短，這在定長的鋼絲繩上，則表現為逐漸變小的鋼絲繩張力。

2.2.2 中心錨固法鋼絲繩張力分析

如圖2右所示，在位置1時，鋼絲繩位于點ABCDEF處；在位置2時，鋼絲繩則位于AB'C'D'E'F處。可以看出，BCDE與B'C'D'E'長度是一致的，隨著頂升，AB段逐漸減小至AB'，而EF段逐漸增加至E'F，兩者變化的長度均為拱頂頂升的高度vt。因此在罐頂不發生傾斜的情況下，此種平衡方法不會對鋼絲繩的張力造成影響。

2.3 拱頂受力分析

以上的分析是把拱頂當作不可變形的剛性整體，但實際上鋼絲繩的應力會對拱頂形狀造成影響。以拱頂中心為力矩作用點，鋼絲繩在與拱頂的連接點上都會對拱頂產生力矩的作用，這往往會使拱頂鋼結構發生變形。在此之前，需先計算鋼絲繩上的應力。其應力由預應力和摩擦力組成，由式5可算出鋼絲繩上的應力，即N為14.21 kN。

式中：N為鋼絲繩上的應力(kN)；N預應力為預先施加在鋼絲繩上的預應力(kN)；N摩擦應力為頂升過程中對鋼絲繩產生的摩擦應力(kN)；為動摩擦系數，這里取0.15；為頂升需求應力(Pa)，該項目為1624 Pa；為頂升面積(m2)，5944 m2，r取43.5 m；n為鋼絲繩組數，24；為頂升重量(N)，為計算方便，兩種平衡方式的頂升質量均為900 t，頂升重量則為8820 kN。

2.3.1 邊緣法拱頂受力分析

鋼絲繩對單側拱頂的作用點只有雙向滑輪這1處，同時拱頂單側受到鋼絲繩的力并非來源于同一根鋼絲繩，而是兩根對稱方向的鋼絲繩共同作用的。為分析方便，忽略雙向滑輪直徑對鋼絲繩轉向后方向的影響，假定鋼絲繩從T型支架下來經過雙向滑輪后，鋼絲繩的方向變為水平，即轉變的角度為90°，鋼絲繩對拱頂上單個雙向滑輪受力分析如圖3所示。因此：

圖3 單個雙向滑輪受力分析

垂直方向：

水平方向：

以拱頂中心為作用點，那么垂直方向力產生的力矩：

水平方向力產生的力矩：

式中：FV為垂直方向受力(kN)；FH為水平方向受力(kN)；MV為垂直方向的力對拱頂中心產生的力矩（kN·m）；MH為水平方向的力對拱頂中心產生的力矩(kN·m)；θ為CD段與垂直方向的夾角(°)；L1為鋼絲繩作用點與拱頂中心的水平距離(m)；L2為鋼絲繩作用點與拱頂中心的垂直距離(m)。

實際上，L1的長度為43.5 m，L2的長度為11.7 m，即：

那么單個雙向滑輪上受到的力對拱頂中心產生的合力矩為：

式(11)關于θ進行求導，結果為：

因為CD段與垂直方向的夾角在0～90°之間，由式(12)可以看出，其值恒小于0，即隨著在頂升中夾角的減小，單個雙向滑輪上的力對拱頂中心產生的合力矩則會逐漸增加。

如圖3所示，在未進行頂升前，θ為最大值；在頂升即將結束時，θ為最小值。結合拱頂在頂升前的邊緣支撐高度(近似為b值)為2 m，雙向滑輪距離罐壁1.35 m(近似為a值)，頂升高度為43 m。那么可計算出CD段與垂直方向的夾角θ最大值和最小值，分別為34°和1.8°，進而計算出單個雙向滑輪上受到的力對拱頂中心產生的合力矩最小為125.90 kN·m，合力矩最大為326.97 kN·m(方向均向內)。則24組雙向滑輪對拱頂中心產生的最大總力矩則十分巨大，在一定程度上會使拱頂發生向內彎折的現象。

2.3.2 中心法拱頂受力分析

鋼絲繩對單側拱頂的力的作用點有4處，即在拱頂單側的4個滑輪處(分別為①號、②號、③號和④號)，如圖4所示。這里認為4個滑輪在水平方向上是均勻分布的。從圖中可知，拱頂單側受到的力來自同一根鋼絲繩，且鋼絲繩在各滑輪處的方向不會隨著頂升而發生變化。則可利用式(13)～式(20)計算出拱頂單側垂直方向和水平方向上的合力：

圖4 單根鋼絲繩對拱頂單側的受力分析

①號滑輪(先垂直，后水平，下同)：

②號滑輪：

③號滑輪：

④號滑輪：

式中：θ1為①號滑輪右側鋼絲繩與水平方向的夾角(°)；θ2為②號滑輪右側鋼絲繩與水平方向的夾角(°)；θ3為③號滑輪右側鋼絲繩與水平方向的夾角(°)。

經計算，無論在垂直方向還是水平方向上，單根鋼絲繩對拱頂單側的合力都相互抵消。接下來看力矩的影響。相鄰兩個滑輪的水平距離為14.05 m，那么4個滑輪與拱頂中心的水平距離和與拱頂中心的垂直距離是可知的，由此計算出θ1、θ2、θ3，進而計算出各處受力點所產生的力矩大小，把結果匯總為表2。

表2 受力點處對單側拱頂的力矩計算

表中可知，單根鋼絲繩對單側拱頂產生的合力矩為546.53 kN·m，其對單側拱頂造成的合力矩相比于邊緣法的最大值還要大，但是方向相反，對拱頂產生向外劈分的作用。

2.4 其他因素分析

兩種平衡方式對比中，邊緣法有以下兩個缺點。(1)鋼絲繩和襯板孔洞之間會產生摩擦，導致鋼絲繩磨損，嚴重時甚至會導致平衡系統失效。(2)需在罐壁縱向預埋件上焊接24個吊耳，而縱向預埋件的作用是為外罐壁板的安裝提供焊接位置，本身是承重的。若頂升過程中發生問題導致鋼絲繩應力驟增，將會對預埋件的質量造成不可逆的傷害。而對于中心法，就不用擔心上述兩類問題，但需提前規劃好中心錨固支架的位置，并在承臺澆筑之前把錨固支架的預埋件埋入承臺之中。

3 結語

(1)兩種氣頂升平衡方式在頂升重量上差別不大，均約為900 t。

(2)在鋼絲繩應力變化上，邊緣法的鋼絲繩的張力會隨著拱頂的頂升而逐漸變小，但鋼絲繩本身是有預應力的，張力的變小并不會對平衡裝置的作用發揮造成什么影響。同時，張力最小處也就是頂升即將結束的時候，對于整個氣頂升施工環節也不會有影響。而中心法的鋼絲繩張力在整個頂升期間不會發生任何變化。

(3)在拱頂受力上，邊緣錨固法的拱頂受到越來越小的向上拉力和越來越大的向心拉力。而中心法的拱頂整體受力幾乎抵消，但力的作用點處會對拱頂造成力矩的作用，且其合力矩幾乎是邊緣法的1.6～4.4倍。24組鋼絲繩產生的合力矩雖然在拱頂材料的抗彎曲能力范圍內，但是在拱頂頂升過程中，過分的內彎會使得拱頂邊緣與罐壁間隙過大，過分的外分會使得拱頂邊緣密封材料與罐壁過分擠壓，這兩種現象都可能會對拱頂的頂升造成嚴重的影響，甚至造成安全事故。同時，焊接工作是在保持罐內氣壓的情況下完成的，即拱頂的變形會隨著焊接結束而保留下來，這樣會與設計的原定標高造成一定的出入。為此，采用邊緣法時，應建議在拱頂中心位置增加配重，來抵消平衡系統造成的內彎變形；采用中心法時，應建議在拱頂邊緣處增加配重，來抵消平衡系統造成的外翻變形。

(4)在其他方面，采用邊緣法時應注意在拱頂襯板開孔處填充防磨材料，以防止頂升過程中對鋼絲繩造成的磨損。同時還要對罐壁豎向預埋件進行加固，以防頂升時對其造成不可逆的傷害。