16萬立方LNG低溫儲(chǔ)罐拱頂塊制作技術(shù)研究

蔡永平 江 強(qiáng) 蔣小波

（1.廣西特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院，廣西 南寧 530219；2.中國(guó)石油天然氣第六建設(shè)公司，廣西 桂林 541004 ）

LNG液化天然氣與傳統(tǒng)能源相比，具有熱值高、清潔、高效、價(jià)格低廉、相對(duì)安全和儲(chǔ)運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)LNG需求量的與日俱增，LNG接收站也隨之興起，深圳大鵬、福建、上海洋山港、江蘇及大連等地相繼建成了LNG接收站，目前其他地區(qū)還有多個(gè)LNG接收站項(xiàng)目在建或正在籌建。而LNG儲(chǔ)罐作為整個(gè)接收站項(xiàng)目中最主要，也是現(xiàn)場(chǎng)施工難度最大的設(shè)備，其具有設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜，施工難度大，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高等特點(diǎn)，因而其設(shè)計(jì)和施工技術(shù)被廣泛研究。目前，國(guó)內(nèi)外大型LNG接收站已建或在建的普遍采用的是16萬立方低溫全容式儲(chǔ)罐，其拱頂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LNG儲(chǔ)罐拱頂結(jié)構(gòu)

1 LNG儲(chǔ)罐拱頂結(jié)構(gòu)

現(xiàn)以江蘇LNG接收站項(xiàng)目為例，LNG儲(chǔ)罐的拱頂結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：拱頂框架梁、拱頂板，其中拱頂框架梁由96根主梁、8圈環(huán)梁及中心環(huán)梁組成；拱頂板采用 6mm的16MnDR鋼板，其敷設(shè)安裝在拱頂框架上。

在 LNG儲(chǔ)罐拱頂結(jié)構(gòu)中，最頂端離承臺(tái)平面高度為 49米，拱頂邊緣處的圓周直徑為 80m，因此，根據(jù)施工安裝的需要，將整個(gè)拱頂分成24個(gè)拱頂塊和1個(gè)拱頂中心圈（編號(hào)為 BL-1），分別在地面制作完成，然后逐塊吊裝進(jìn)罐進(jìn)行組對(duì)安裝，完成整個(gè)拱頂?shù)氖┕ぃ瑥亩鴺O大降低了施工安裝的難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

24個(gè)拱頂塊按照結(jié)構(gòu)形式不同又可均布分成12個(gè)大拱頂塊（編號(hào)為BL-2），12個(gè)小拱頂塊（編號(hào)為BL-3），拱頂塊分布形式如圖2所示，單數(shù)序號(hào)①、③、⑤…為BL-2，雙數(shù)序號(hào)②、④、⑥…為BL-3。BL-2和BL-3的主要區(qū)別是，結(jié)構(gòu)上：拱頂塊BL-3邊緣兩側(cè)比拱頂塊BL-2少兩根主梁，此外BL-3拱頂塊在制作時(shí)兩側(cè)共有9塊拱頂板預(yù)留不安裝，待整個(gè)拱頂結(jié)構(gòu)組對(duì)安裝完成后，再敷設(shè)預(yù)留拱頂板；安裝方法上：整個(gè)拱頂組對(duì)安裝時(shí)，先進(jìn)行BL-2拱頂塊對(duì)稱吊裝組對(duì)，待BL-2拱頂塊全部安裝完成后，再進(jìn)行BL-3的吊裝安裝。拱頂塊結(jié)構(gòu)形式如圖2、圖3所示，圖中的空白處為BL-3拱頂塊預(yù)留拱頂板位置。

圖3 拱頂塊BL-2、BL-3分布形式

2 拱頂塊模具構(gòu)造原理

現(xiàn)場(chǎng)通常采用模具的方法來制作拱頂塊，實(shí)現(xiàn)拱頂塊模塊化生產(chǎn)，這將極大的提高拱頂塊制作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，并有利于拱頂塊的制作質(zhì)量尤其是尺寸。因而，在拱頂塊制作前，一般制作好幾個(gè)拱頂塊模具。

根據(jù)光的垂直投影原理，將球型曲面的拱頂塊鋼結(jié)構(gòu)框架投影到水平面上。如圖4所示，儲(chǔ)罐拱頂塊兩端連線與水平面成 16.04°角，為了便于拱頂塊垂直投影，現(xiàn)將拱頂塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后拱頂塊兩端連線與水平面的角度成0°角，即拱頂塊水平放置。然后拱頂塊在水平面上垂直投影，在平面上得到一個(gè)框架投影，以此投影得到的圖形即為模具的底座結(jié)構(gòu)。在底座上選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)作為拱頂塊支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)選擇的原則是盡量靠近主梁和環(huán)梁的交接處，但又不能妨礙施工時(shí)環(huán)梁的安裝焊接作業(yè)，模具支撐點(diǎn)數(shù)量一般為 34個(gè)。支撐點(diǎn)選定后，根據(jù)拱頂曲面高度，在 CAD或者三維Solidworks軟件中描繪和測(cè)量出各支撐點(diǎn)至拱頂梁底面的高度，這便是拱頂塊模具支撐立柱的高度。拱頂塊模具底座尺寸如圖5所示：

圖4 拱頂塊制作原理圖

圖5 拱頂塊模具底座尺寸圖

3 拱頂塊模具施工

在拱頂塊模具制作前，使用工程推土機(jī)、壓路機(jī)平整壓實(shí)施工區(qū)域地面，然后再鋪上200mm厚的碎石層，再壓實(shí)，保證底座基礎(chǔ)有足夠的強(qiáng)度。

基礎(chǔ)處理好后，開始進(jìn)行模具底座的施工，模具底座一般采用H型鋼以保證整個(gè)支架的剛度。根據(jù)模具圖紙尺寸粗?jǐn)[放好底座H型鋼，再使用水平儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量工具調(diào)整H型鋼水平度，以及對(duì)底座的基本尺寸進(jìn)行定位，定位后對(duì)模具的底座進(jìn)行檢查，對(duì)型鋼懸空或者不穩(wěn)定的地方用鋼板墊實(shí)，保證底座的穩(wěn)定性。

上述工作完成后，在底座上按照模具圖紙尺寸定出支撐點(diǎn)，在支撐點(diǎn)處安裝立柱，支撐立柱可采用H型鋼或者Φ168鋼管，待立柱安裝完成后，根據(jù)圖紙數(shù)據(jù)表所示的尺寸定出立柱的標(biāo)高，對(duì)立柱高度進(jìn)行修整，完成后，可用角鋼作為斜撐對(duì)立柱進(jìn)行加強(qiáng)。完成模具安裝工作后，使用儀器對(duì)模具尺寸進(jìn)行復(fù)查，保證測(cè)量尺寸與圖紙數(shù)據(jù)表相符。拱頂塊模具制作如圖6所示。

圖6 拱頂塊模具示意圖

4 拱頂塊制作

4.1 拱頂塊材料

拱頂塊材料包括有弧度的H型鋼和拱頂板，H型鋼由鋼板拼焊組成，一般在型鋼加工廠完成，拱頂板在現(xiàn)場(chǎng)下料預(yù)制。

H型鋼拼焊。拱頂鋼結(jié)構(gòu)H型鋼主要有H350×174、H350×250兩種形式，因而拼焊型鋼的鋼板很窄，鋼板下料時(shí)采用機(jī)械切割的方式進(jìn)行，不宜使用火焰切割，防止板材變形。H型鋼拼焊前用日字卡固定，復(fù)測(cè)好尺寸后再進(jìn)行焊接作業(yè)。焊接時(shí)，焊接人員宜在型鋼兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱施焊，并采用退步跳斷焊的焊接方法，減少焊接變形。

拱頂板下料。儲(chǔ)罐拱頂為球形曲面，并且拱頂板焊接時(shí)有尺寸收縮，因此，拱頂板下料前，必須按照設(shè)計(jì)圖紙重新排版，定出每塊拱頂板的尺寸。首先用CAD畫圖軟件測(cè)出拱頂板的徑向弧長(zhǎng)l1、l2、l3…（如圖7所示），即得到拱頂板展開后的長(zhǎng)度(圖7所示的 AD、 BC…)，然后根據(jù)拱頂板所在拱頂?shù)膹较虬霃絉1、R2、R3…，測(cè)出拱頂板的環(huán)向弧長(zhǎng)L1、L2、L3…，即得到拱頂板展開后的寬度（圖7所示的 AB、EF、 GH…）。拱頂板下料圖完成后，即可進(jìn)行拱頂板的切割工作，拱頂板可以采用機(jī)械切割也可以采用半自動(dòng)火焰切割。

圖7 拱頂板排版下料示意圖

4.2 拱頂塊結(jié)構(gòu)組裝

對(duì)拱頂塊結(jié)構(gòu)梁材料的弧度和尺寸進(jìn)行檢查、驗(yàn)收，根據(jù)下料圖進(jìn)行劃線、切割下料、開坡口，采用手工火焰切割時(shí)，切割完成后應(yīng)進(jìn)行打磨處理。下料完成后，對(duì)各型鋼按照?qǐng)D紙進(jìn)行編號(hào)，避免安裝時(shí)使用混亂。

下料完成后，在模具上進(jìn)行拱頂塊BL-2制作，拱頂塊制作如圖8所示。按照施工圖紙，把已經(jīng)預(yù)制的主梁放置在模具上，調(diào)整尺寸后用卡具進(jìn)行固定，然后吊裝、安裝環(huán)梁，主梁和環(huán)梁組對(duì)完成后，檢查整個(gè)拱頂框架的尺寸和對(duì)接口的間隙，合格后可進(jìn)行環(huán)梁與主梁對(duì)接口的焊接工作。

拱頂框架安裝、焊接、檢查及無損檢測(cè)完成后，安裝拱頂板。拱頂板的安裝順序?yàn)橄认潞笊?，即拱頂板逐塊逐層往拱頂中心安裝。安裝時(shí)只能對(duì)拱頂板進(jìn)行點(diǎn)焊，待整個(gè)拱頂塊的拱頂板安裝完成后方可施焊。

拱頂塊BL-3的施工方法和BL-2類似，差別只是在制作時(shí)預(yù)留兩側(cè)的拱頂板不進(jìn)行安裝，待整個(gè)拱頂?shù)跹b安裝完成后，再進(jìn)行施工。

拱頂中心圈BL-1不用在模具上制作，在施工平臺(tái)上按照?qǐng)D紙把結(jié)構(gòu)梁拼接完成。

5 拱頂塊吊裝移位方案設(shè)計(jì)

5.1 吊裝參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件以及吊裝機(jī)具裝備情況，對(duì)于已經(jīng)制作好的拱頂塊（BL-2、BL-3），采用100t履帶吊作單機(jī)吊裝方式，將其從制作模具上吊裝移位至臨時(shí)存放支架上。100t履帶吊起重性能表1所示：

表1 起重機(jī)起重性能表

拱頂塊吊裝配用50t吊鉤，吊索選用型號(hào)為6×37+1型、抗拉強(qiáng)度δb=1770Mpa、φ26mm的鋼絲繩，吊鉤、吊索總重約M1=2000Kg。

拱頂塊BL-2重量為：M2=20100 Kg，BL-3重量為：M3=10500 Kg。

考慮吊裝動(dòng)載荷的影響，載荷系數(shù)取 1.1，則吊車起重的最大重量：

M=(M1+ M2)×1.1=(2000+ 20100)×1.1=24310 Kg

100t履帶吊選用工況為：起重臂長(zhǎng)46m，作業(yè)半徑10m，在此工況下吊車的額定起重量為31800 Kg，吊車的起重負(fù)荷率為76%，吊車的吊裝能力能滿足吊裝的要求。

5.2 吊耳設(shè)置與核算

吊耳設(shè)置：在拱頂塊上共設(shè)置6個(gè)吊點(diǎn)，頂部、中部、底部各兩個(gè)，每個(gè)吊點(diǎn)配用1根吊裝鋼絲繩，鋼絲繩長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=24100mm，L2=18000mm，L3=21500mm，吊裝示意圖如圖9所示。

吊耳強(qiáng)度核算：吊耳受剪力截面如圖10所示 B-B面，對(duì)于矩形截面，Tmax=3Qmax/2A式中

Qmax——吊耳受到的最大拉力，位置為鋼絲繩最長(zhǎng)的吊點(diǎn)位置。Qmax=Mg/cosθ=（24310×9.8/6）×(24100/18000)=53162 N；

A——吊耳剪切面積，A=12×(75-20)×10-6=6.6×10-4m2。

所以，Tmax=3Q/2A =3×53162/(2×6.6×10-4)=120.8MPa＜[σ]Q345=189Mpa，吊耳強(qiáng)度滿足吊裝要求。

吊耳焊縫計(jì)算：

吊耳角焊縫高度hf=12mm，按直角角焊縫計(jì)算其強(qiáng)度。在通過焊縫形心的拉力、剪力作用下：

正面角焊縫（作用力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向）：

側(cè)面角焊縫（作用力平行于焊縫長(zhǎng)度方向）：

式中

he——為角焊縫計(jì)算厚度，he=0.7hf=8.4mm；

lw——為角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，等于焊縫長(zhǎng)度減去 2hf，lw=250-2×12=226mm；

βf——為正面角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)，對(duì)直接承受

荷載結(jié)構(gòu)，fβ=1.0。

單個(gè)吊耳最大正拉力（垂直方向）：

單個(gè)吊耳最大正拉力（平行方向）：Nmax2= Nmax1×tgθ=39706×0.886=35180 N

所以，吊耳焊縫強(qiáng)度能滿足吊裝需要。

圖8 拱頂塊制作作業(yè)圖

圖9 拱頂塊吊裝示意圖

圖10 吊耳示意圖

5.3 起重鋼絲繩吊索強(qiáng)度核算

吊索強(qiáng)度核算公式：T· C≥K·P式中

C—鋼絲繩吊索載荷不均換算系數(shù)，對(duì)于6×37鋼絲繩取C=0.82；

K—鋼絲繩使用安全系數(shù)，取K=5.5；

T—鋼絲繩破斷拉力，根據(jù)《重型設(shè)備吊裝手冊(cè)》查表T=381 KN；

P—鋼絲繩受到的最大拉力，P= Qmax=Mg/cosθ=(24310×9.8/6)×(24100/18000)= 53162 N。

所以，K·P=5.5×53162N=292.391 KN＜K·P=0.82×381=312KN，吊索強(qiáng)度滿足要求。

6 結(jié)束語

隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)LNG液化天然氣需求日益增加，LNG接收站正蓬勃發(fā)展。文章通過對(duì)LNG儲(chǔ)罐拱頂結(jié)構(gòu)、拱頂模具構(gòu)造原理、拱頂塊吊裝方案選定的論述，以及對(duì)拱頂模具制作、拱頂塊制作等重點(diǎn)工序和要點(diǎn)的介紹，為國(guó)內(nèi)類似 LNG儲(chǔ)罐工程施工提供技術(shù)參考。

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