大型LNG全容儲罐新型鋁吊頂方案研究

張博超 范嘉堃 翟博

摘 要：通過探究傳統(tǒng)低溫LNG儲罐鋁吊頂結(jié)構(gòu)及正常操作工況下應(yīng)用效果的不足之處，提出一種新型吊頂方法，新型鋁吊頂由框架、波紋板和吊桿組成新型吊頂系統(tǒng)，在保證原有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，使吊頂結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)顯著提升，吊頂施工工期顯著下降。

關(guān)鍵詞：LNG儲罐；新型鋁吊頂；拉桿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.081

1 引言

隨著天然氣應(yīng)用的推廣，部分地區(qū)和行業(yè)對天然氣資源的依賴程度也相應(yīng)增加，城市用戶和天然氣電廠用戶在不同季節(jié)，不同時段對天然氣需求波動較大，而目前管道氣儲氣調(diào)峰能力有限，一旦發(fā)生供應(yīng)短缺，很多用戶短期內(nèi)很難轉(zhuǎn)而使用其它替代能源，由此會產(chǎn)生巨大的社會壓力。

因此，建立LNG調(diào)峰儲運(yùn)中心，依靠LNG儲罐進(jìn)行調(diào)峰存儲，集約投資建設(shè)大型LNG儲罐，對于保障國內(nèi)天然氣市場供氣的連續(xù)性和穩(wěn)定性，保障民生、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、創(chuàng)建和諧社會是非常必要的，而新型鋁吊頂在大型LNG儲罐的應(yīng)用將助力國產(chǎn)化儲罐核心技術(shù)的提升。

2 傳統(tǒng)低溫LNG儲罐鋁吊頂結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的LNG全容儲罐，內(nèi)罐為頂部敞開結(jié)構(gòu)，材料為X7Ni9鋼，內(nèi)罐直徑 80余米 ，常溫下高度 30余米。內(nèi)罐頂部吊材質(zhì)為鋁合金板，與拱梁通過不銹鋼拉桿連接。吊頂為儲罐承接內(nèi)外氣相空間，隔絕上部空間熱量傳遞的重要結(jié)構(gòu)。

吊頂?shù)闹饕δ苁菫榈蹴斀^熱系統(tǒng)提供相應(yīng)的支撐，故其應(yīng)確保外罐頂溫度不低于其設(shè)計溫度，避免出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，防止因結(jié)冰而出現(xiàn)過度罐頂荷載[1]，并控制BOG蒸發(fā)量。保冷和支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)杜絕保冷材料進(jìn)入罐內(nèi)，吊頂兩側(cè)的壓差不超過一定壓差。

吊頂板材料為鋁合金，吊桿應(yīng)為不銹鋼，最低設(shè)計溫度-168℃。吊頂板邊緣為密封封板結(jié)構(gòu)，以防止珍珠巖粉末流入罐內(nèi)。吊頂最外圈圈拉桿外側(cè)設(shè)置珍珠巖粉末擋板，擋板需保證儲存足量珍珠巖粉末，且防止粉末流動到吊頂上。

3 傳統(tǒng)吊頂存在問題

為了研究傳統(tǒng)鋁吊頂存在的問題，對儲罐吊頂進(jìn)行了詳細(xì)計算。

3.1 模型建立

吊頂模型分析了鋁制吊頂在所有荷載作用下產(chǎn)生的變形位移和吊頂表面的應(yīng)力值。模型的建模分為三部分進(jìn)行建立：吊頂鋁板、加強(qiáng)環(huán)、拉桿。

吊頂模型采用殼單元進(jìn)行建立。材料屬性為B209 5083-O，鋁板厚度為5mm，幾何模型如圖1所示：

吊頂加強(qiáng)環(huán)采用梁單元進(jìn)行建立，材料屬性為B209 5083-O，1-11圈加強(qiáng)環(huán)梁單元截面為矩形，尺寸為200mm×18mm，第12圈加強(qiáng)環(huán)為T型截面，幾何模型如圖2所示：

吊頂拉桿采用梁單元進(jìn)行建立，材料屬性為A276 Gr 304 L，梁單元截面為矩形，尺寸為50mm×8mm，幾何模型如圖3所示：

3.2 材料屬性

計算共設(shè)兩種材料屬性，其中吊頂鋁板及加強(qiáng)環(huán)采用B209 5083-O，吊桿采用A276Gr 304 L。兩種材料屬性如表1所示[2]：

3.3 施加荷載

（1）吊頂自重：吊頂自重主要包括吊桿、吊頂、加強(qiáng)環(huán)的自重，通過在重力方向添加重力加速度來施加，施加的加速度為9.8m/s2。（2）保冷荷載：在吊頂上布置1.5米厚保冷材料，保冷材料密度16kg/m3。在計算中鋁板上表面施加240N/m2均布面荷載。（3）施工荷載（均布）：根據(jù)EN 14620-1 7.3.2.2.2節(jié)規(guī)定，在鋁板上表面施加500N/m2均布面荷載[3]。（4）施工荷載（集中）：根據(jù)規(guī)定，鋁板需能承受1500N的集中荷載。在吊頂計算中，在每圈鋁板中心位置施加1500N的集中荷載。

3.4 應(yīng)力與位移計算

吊頂應(yīng)力云圖如圖4所示：

傳統(tǒng)吊頂材料為鋁板，采用單面搭焊連接。根據(jù)EN14620-2 5.2.1.3.1規(guī)范，單面搭焊鋁板許用應(yīng)力系數(shù)為0.35[3]，因此吊頂鋁板許用應(yīng)力較低，根據(jù)相關(guān)項目計算結(jié)果，吊頂鋁板處計算最大應(yīng)力與許用應(yīng)力相差較小，安全系數(shù)較小。

因此提高吊頂強(qiáng)度，可增加吊頂安全系數(shù)，減少吊頂材料用量。從提升吊頂強(qiáng)度和設(shè)計安全系數(shù)的角度出發(fā)，考慮采用波紋板代替平板結(jié)構(gòu)能夠顯著提高吊頂承載能力。

4 新型吊頂

LNG儲罐吊頂采用鋁板安裝制作，安裝過程中鋁板采用焊接形式連接。波紋板吊頂采用鋁制型材，制作吊頂徑向梁和環(huán)向梁，代替?zhèn)鹘y(tǒng)吊頂型形式中的吊頂加強(qiáng)筋，在吊頂徑梁和環(huán)梁上鋪設(shè)鋁制波紋板。波紋板與吊頂梁間采用緊固件進(jìn)行連接，并在吊頂保冷材料下方增設(shè)一層鋁箔，保證吊頂?shù)臍饷苄?。目前波紋板吊頂結(jié)構(gòu)形式，已在中石油江蘇LNG等項目進(jìn)行應(yīng)用[4]。

4.1 吊頂材料及安裝

波紋板吊頂徑向梁、環(huán)向梁、波紋板均為鋁、吊桿及連接件為不銹鋼?？v梁、環(huán)梁、波紋板及吊頂拉桿的預(yù)制均在預(yù)制廠完成，現(xiàn)場只進(jìn)行安裝工作。通過預(yù)制，現(xiàn)場無焊接工作，吊頂質(zhì)量便于控制，同時可減少現(xiàn)場焊接等受限施工工作，減少現(xiàn)場人員及機(jī)具使用量，減少施工周期。

波紋板吊頂安裝時，先進(jìn)行材料預(yù)制及制作，根據(jù)吊頂具體參數(shù)，將吊頂分為多個單元（榀），每一單元（榀）的吊頂量、波紋板均在預(yù)制車間完成。將車間內(nèi)制作完成的每一單元（榀）運(yùn)送至現(xiàn)場，在現(xiàn)場進(jìn)行安裝。安裝時先進(jìn)行儲罐中心點(diǎn)測量，再進(jìn)行吊頂梁框架安裝，然后進(jìn)行吊頂拉桿安裝，最后進(jìn)行吊頂波紋板安裝。

4.2 吊頂拉桿

由于吊頂在施工及運(yùn)行中存在變形，因此每個吊頂拉桿實(shí)際受力情況與理論計算存在差別，部分拉桿連接較緊，部分拉桿連接較松。本吊頂方案拉桿材料采用不銹鋼圓鋼，在拉桿之間增設(shè)一個帶螺紋的

連接件，將此鏈接見連接至吊頂拉桿。在儲罐升頂或穹頂澆筑完成后，可調(diào)節(jié)此連接件，對部分較松的拉桿進(jìn)行緊固，使吊頂拉桿受力更均勻。

4.3 波紋板吊頂優(yōu)勢

波紋板吊頂結(jié)構(gòu)形式優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：

（1）減少工期：波紋板吊頂結(jié)構(gòu)形式，有很多工作在預(yù)制車間即可完成，因此現(xiàn)場可減少大量的工程量，使得現(xiàn)場吊頂安裝工期縮短，減少儲罐的建設(shè)周期，減少儲罐施工時的交叉作業(yè)時間。

（2）便于質(zhì)量控制，減少現(xiàn)場工作量：由于吊頂梁、波紋板在預(yù)制車間完成，因此可在預(yù)制車間對材料制作進(jìn)行嚴(yán)格控制，現(xiàn)場只進(jìn)行安裝工作。無焊接檢測等工序，可提升整個吊頂?shù)氖┕べ|(zhì)量，減少現(xiàn)場焊接檢測。

（3）降低吊頂重量：一般的LNG儲罐吊頂，通常采用5mm或6mm吊頂鋁板，波紋板吊頂采用1.2mm波紋板。波紋板的重量小于常規(guī)的吊頂鋁板重量。根據(jù)估算，采用波紋板吊頂結(jié)構(gòu)形式，可降低儲罐吊頂重量約20%，便于穹頂設(shè)計及升頂施工控制。

（4）便于拉桿調(diào)節(jié)：本方案采用不銹鋼圓鋼作為吊頂拉桿，在拉桿中間增設(shè)連接件。連接件可調(diào)節(jié)吊頂拉桿的長度，在升頂結(jié)束或穹頂澆筑結(jié)束時，可對吊頂拉桿連接件進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得每個拉桿受力均勻。

5 結(jié)論

新型鋁吊頂由框架、波紋板和吊桿組裝而成?？蚣苁怯射X合金型材用緊固件裝配的整體結(jié)構(gòu)，然后將框架通過吊桿與低溫儲罐的拱頂梁連接，再在框架上鋪設(shè)鋁合金波紋板。用冷成型加工的波紋板，形狀簡潔，波度大，強(qiáng)度高，精度好，施工安裝方便。裝配后的波紋板鋁吊頂，整體平整，總體重量更輕，能有效改善拱頂結(jié)構(gòu)的受力狀況，所有構(gòu)件都在工廠制造并預(yù)組裝，現(xiàn)場安裝方便快捷，縮短現(xiàn)場工期。經(jīng)成本測算，采用裝配式波紋板鋁吊頂不會比現(xiàn)場焊接的平板吊頂增加成本，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]揚(yáng)帆，張超，李牧等.大型液化天然氣儲罐吊頂結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析[J].石油化工設(shè)備，2015（03）.

[2]美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B209M：Standard Specification for Aluminum and Aluminum-Alloy Sheet and Plate.

[3]歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14620：Design and manufacture of site built，vertical，

cylindrical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，

liquefied gases with operating temperatures between 0℃ and -165℃.

[4]綦國新，唐凱，張劍等.新型鋁吊頂在國產(chǎn)大型LNG儲罐的應(yīng)用研究[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2017（01）.

作者簡介：張博超（1990-），男，北京人，本科，工程師，主要從事LNG儲罐設(shè)計和研發(fā)工作。