大型液化天然气储罐拱顶气升关键技术研究.pdf

第 4 2 卷第 5期 2 0 1 3年 9 月 石油化工设备 P ETR0一 CHEMI CAL EQUI P M ENT Vo 1 ．4 2 No ．5 Se p t ．2 01 3 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 5 0 0 8 9 0 5 大 型液化 天然气储 罐拱顶气 升关键 技术研 究 吴旭维 ，李 晋 ，陶宗宝 ，于 同川 海洋石油工程股份有 限公 司，天津3 0 0 4 5 2 摘要 以国内外最常见的 l 6万 m。液化天然气低温储罐施工为例， 介绍 了钢结构拱顶气升作业的 工 艺流程 和操作 要 点 ， 并对 其最 重要 的平衡 系统进行 理论 研 究和 量化分 析 ， 阐述 了平衡 系统 的 纠偏 原理和纠偏能力， 得 出了平衡 系统具有显著的抵抗水平倾覆的能力， 但几乎不具有水平偏移和轴向 偏转的纠偏能力， 分析结果与工程 实际情况相吻合， 对今后顶升工艺设计具有一定的参考价值。 关 键词 液化天然气 ； 储罐； 拱顶；气升；平衡系统 中图分 类号 TE 9 7 2 ；T Q 0 5 0 ． 6 文 献标 志码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 2 3 Re s e a r c h o n Ai r - r i s i n g Ke y Te c hn o l o g y o f La r g e Li qu e f i e d Na t u r a l Ga s Ta n k Ro o f W U Xu - we i ，LI Ji n，TAO Zo ng - b a o，YU To n g - c hu a n Of f s h o r e Oi l En g i n e e r i n g Co ．Lt d ．，Ti a n j i n 3 0 0 4 5 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ta k i n g i n s t a l l a t i o n o f t y p i c a l 1 6 0 0 0 0 m。l i q u e f i e d n a t u r a l g a s L NGt a n k s f o r e x a m p i e，t he pr o c e s s a nd o pe r a t i n g ke y p o i nt s o f r o o f a i r r i s i ng a r e i nt r od uc e d，a nd t he l e v e l i n g s ys t e m o f r o of a i r r i s i n g wa s f o c u s e d o n t he t he o r e t i c a l r e s e a r c h a n d q u a nt i t a t i v e a na l y s i s ． I t e l a b or a t e d t he pr i nc i pl e s a nd a b i l i t i e s t o a nt i d e v i a t i on of l e v e l i n g s y s t e m ， t hus c o nc l us i o nn wa s ma de t ha t t he l e v e l i ng s ys t e m ha s a n ou t s t a nd i ng a bi l i t y t o r e s i s t r o o f o ve r t ur ni n g，a nd l i t t l e a b i l i t y t o c on t r o l h or i z o nt a l a n d c i r c umf e r e nt i a l d i s pl a c e me nt ，wh i c h i s c o ns i s t e n t wi t h t h e a c t u a l s i t ua t i on，s o i t s v a l u a b l e t o a i r r i s i n g p r o c e s s d e s i g n i n f u t u r e ． Ke y wo r d s l i q u e f i e d n a t u r a l g a s ；t a n k；r o o f ；a i r r i s i n g；e v e l i n g s y s t e m E 6 - 1 E 7 ] [ 8 ] 蒋小华 ， 黄 太安 ， 徐 庚 ， 等． 利用 P D MS软件 提 升海 洋 平 台配 管 加 工 设 计 质 量 [ J ] ． 中 国造 船 ，2 0 1 2 ， 5 3 B2 5 4 5 9 ． J I ANG Xi a o h u a，HUANG Ta i - a n，XU Ge n g，e t a 1 ． Us i n g PDMS t o I mp r o v e Qu a l i t y o f Tu b i n g Ma c h i n i n g De s i g n o f O f f s h o r e P l a t f o r m [ J ] ．S h i p B u i l d i n g o f C h i n a，2 0 1 2， 5 3 B 2 5 4 5 9 ． 张明． P D S 0 F T三维 配管 技术在 海洋石 油工程 上 的应 用 r J ] ． 管道技术与设备 ， 2 0 1 2 6 1 3 1 4 ． ZHANG M i n g ．Th e Ap p l i c a t i o n o f P DS OFT 3 D Pi p i n g T e c h n o l o g y i n Of f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g [ J ] ． P i p e l i n e Te c h n i q u e a n d Eq u i p me n t ， 2 0 1 2 6 1 3 1 4 ． 肖修平． 三维配管软件在聚乙烯项 目中的应用f J ] ． 石 油化工设计 ， 2 0 0 4 ， 2 1 1 3 8 4 1 ． XI A0 Xi u p i n g． The Appl i c a t i on o f 3D Pi pi ng So f t wa r e i n P o l y e t h y l e n e P r o j e c t[ J ] ．P e t r o c h e mi c a l De s i g n，2 0 0 4，2 1 1 3 8 4 1 ． [ 9 ] 盛勇 ， 刘应尘 ． P D S OF T三维配管软件简介[ J ] ． 石油规 划设计 ， 2 0 0 2 6 4 7 4 9 ． S H ENG Yo n g，LI U Yi n g c h e n ．Br i e f I n t r o d u c t i o n o f 3 D P i p i n g S o f t w a r e P D S O F T[ J ] ．P e t r o l e u m P l a n n i n g En g i n e e r i n g，2 0 0 2 6 4 7 4 9 ． l 1 0 1刘璇 ， 韩延 峰． P DMS三维 软件 在 海洋 工程 中的应 用 F J ] ． 中国造船 ， 2 0 1 1 ， 5 2 B 1 2 2 4 2 2 8 ． LI U Xu a n， HAN Ya n - f e n g ． Th e Ap p l i c a t i o n o f 3 D S o f t wa r e P DMS i n O f f s h o r e E n g i n e e r i n g[ J ] ．S h i p B u i l d i n g o f Ch i n a ，2 0 1 1 ， 5 2B 1 2 2 4 2 2 8 ． 杜编 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 2 7 作者简介吴旭维 1 9 8 2 一 ， 男 ， 江苏大丰人， 工程师， 硕士， 从事压力容器及储罐的设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 3年第 4 2卷 2 0 0 3年至今 ， 国内已陆续建成 了近 1 0个液化 天然 气 L i q u e f i e d Na t u r a l G a s， L NG 接 收站 。对 于 L NG接收站中最 主要 的部分L NG储罐 ， 经 过 多 年攻 关 ， 其设 计 和施 工 技术 已经 实 现 国产 化 。近年来 ， 国内近 2 0台 1 6 万 m。 L NG储罐都 采用了拱顶气升的施工方法， 采用该方法 ， 这 2 0台 储罐都在不足 3 h的时间内顺利完成气升顶作业， 标志着 国内大型储罐拱顶气升技术 已经成熟。但气 升顶的平衡系统如布置不合理， 不仅增加气升顶难 度 ， 更会带来安全 隐患 。 1 拱顶气升方案[ 4 ． 5 ] 典型的 1 6万 m。 L N G储罐为全包容型结构 图 1 ， 主 要 由预应 力 混凝 土外 罐 、 9 Ni 钢 内罐 、 碳 钢 拱 顶 、 铝合金吊顶 以及保冷材料等组成。拱 顶和吊顶 之间通过拉杆连成一体 ， 待外墙浇筑完成后 ， 利用鼓 风机向拱顶下方输入带压空气 ， 使钢结构拱顶克服 重力和摩擦等阻力 ， 沿着钢丝绳导轨从罐底提升至 罐顶。气升顶过程 中主要依靠平衡系统来保持罐顶 平稳 ， 而不至于顶翻 ， 目前 国 内多采用边缘锚 固型 图 2 和中心锚固型 图 3 两种平衡 系统， 两者基本 支架 承压 图 1 L N G储罐结构示图 层 图 2 边 缘锚 固型平衡 系统示 图 图 3 中心锚 固型平衡系统示图 原理 和功能 一致 ， 只是钢 丝绳 走 向不 同 。 2供气 密封系统 从安全性 角度出发 ， 拱顶气升工艺的供气系统 至少应具备 2台鼓风机和 2个独立电源 。为方便对 气升速度进行调节 ， 提高施工的安全性 ， 可以选择数 量 多而 风量小 的风机 。气 升气 压 P按 下式计 算 。 S G Ff 1 式 中， S为拱顶 投 影 面积 ， m。 ； G为 拱 顶 重 力 ， F 为 摩 擦 阻力 ， N。 F f 通过理论计算会有较大 的出入 ， 一般根据经 验公式 F 一 1 ． 2 ～1 ． 5 G确定 广东 L NG储罐拱 顶施工时 G 的系数约为1 ． 4 8 ， 福建 L NG储罐拱顶 施工 时 G 的系数 约为 1 ． 2 8 。 在计算进风量 q 时， 泄漏量按 2 0 ～4 0 考 虑 。密封 质 量 直 接 关 系 到 风 机 选 型 和 升 顶 效 率 ， 拱顶边缘 密封是密封系统最重要部 分 图 4 ， 以耐磨的镀锌钢板 紧贴外墙 内壁 ， 其上覆 盖聚 乙 烯 密 封 层 ， 每 隔 一 段 距 离 以 弹 性 压 片 压 紧 以 防 被 吹翻， 其余部分一律用密封胶带密封 ， 以减 少空气 泄漏 量 _ 8 ] 。 密封胶带 图 4 拱顶边缘密封示 图 3平衡 系统 ] 由钢丝绳、 定滑轮和支架等组成的平衡系统 ， 主 要作用为避免拱顶气升过程中产生过大偏移， 根据 各地 施工 的实 际情 况 ， 拱顶 在 气 升 过 程 中 主要 会 产 生水平倾斜、 水平位移 以及周向旋转 3种偏移。现 以边缘锚 固型平衡系统为例 ， 分析平衡系统在拱顶 气升过程 中的纠偏原理和纠偏能力。 3 ． 1 钢丝绳布置与拉力 3 ． 1 ． 1 布 置 某项 目边缘锚 固型平衡 系统沿储罐一周均 布 2 8组钢丝绳 ， 每组 钢丝绳简化为 图 5所示几何模 型 ， 钢丝绳高低端固定，径向对称的定滑轮跨距 L z 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 吴旭维 ， 等 大型液化天然气储罐拱顶气升关键技术研究 图 5边 缘 锚 固 型平 衡 系 统 几 何 模 型 长度不变， 钢丝绳长度随升顶高度而变化 ， 则有 LL1 4 - L2 4 - L3 一 √ cH z √ 抖 2 式中， L为钢丝绳总长， L 为钢丝绳高端原长， L z 为 定滑轮跨距 ， L 。 为钢丝绳低端原长 ， H 为高低支点 垂直距离， h为升顶高度， Di 为外墙内直径 ， I n 。 现以 H一3 8 ． 5 i n 、 Di 一8 2 m、 L 2 8 0 i n代人式 2 ， 得到拱顶气升高度 与钢丝绳长度 的关系曲线 ， 见图 6 。从 图 6可 以看 出， 钢丝绳在 高低 端的伸长 量很大 ， 因此布置高低支点时 ， 尽量使高低支点和定 滑轮处于同一竖直线上 ， 否则高低支点在竖直方 向 上应远离定滑轮一定 的距离 ， 使拱顶气升 区间位于 曲线中间水平段 。 吕 1 器 顶 升高 度h／ m 图 6 拱顶气升高度与钢丝绳长度关 系 3 ． 1 ． 2拉 力 钢丝绳工作拉力 F由钢丝绳 的预紧力 F 和钢 丝绳伸长所产生 的拉力 F 。构成 ， 即 FF 4 - Fz 且 需满足 F ≤F ／ n F 为钢丝绳破 断力 ， 为安全 系数 。 平衡状态下 ， 钢丝绳只起导 向作用 ， 一旦平衡状 态破坏 ， 预紧力便立刻参与纠偏 。因此 ， 一旦钢丝绳 确定 ， 则可以通过提高 F 来提高 F， 也可 以通过选 择高强度的钢丝绳 以提高 F 值来提高 F值 ， 从而 提高整个平衡系统的纠偏能力 。 3 ． 2 水平倾斜纠偏 1 0 , 1 1 3 3 ． 2 ． 1 水 平 倾 斜 纠 偏 能 力 为便 于分析 ， 以图 5模 型 中 h H／ 2时分 析 拱 顶 水平 倾斜 对钢 丝绳 产生 的影 响 。钢 丝绳 伸长 量 为 倾角的函数 △ L 一L】 L3 一L】 一L3 一 Di L2 H 2 HL2 s i n 一2 Di L2 C O S 一 ／ Di L 2 。 H。 一2 Dj L 2 3 式 中， △ L 为钢丝绳伸长量 ， L 为倾斜状态下钢 丝绳高端长 ， L 。 为倾斜状态下钢丝绳低 端长， m； 为倾斜角度 ，o 。 仍以 H一3 8 ． 5 m、 Di 一8 2 r f l 、 L 2 8 0 m代入式 3 ， 得到水平倾角与钢丝绳伸长量的关 系曲线 ， 见 图 7 。从 图 7可 知 ， 拱 顶 在 产 生 一 个 微 小 的水 平 倾 角时 ， 钢丝绳 的伸长量与倾角几乎成线性关系。由 于钢丝 绳工 作 拉 力 F 几 乎垂 直 于 径 向 2个 定 滑 轮 连线 L 。因此 ， 一旦产生水平倾斜， F 立刻产生 纠 偏力矩参与纠偏 ， 体现 了平衡系统纠编反应很敏感 ， F 产生的纠偏力矩随倾角的增大而增大 ， 具有控制 较大倾角的作用 。 U U． 1 U． 2 U． 3 U． 4 U． U． 6 U． ， U． 8 U． 9 1 ． U 1． 1 ， 。 图 7 水平倾角 与钢丝绳伸长量关 系 3 ． 2 ． 2 水 平 倾 斜 原 因及 控 制 措 施 水平倾斜是实际工程 中最常见 的现象， 如控制 不当 ， 易造成拱顶倾覆 ， 工程中一般把水平倾角控制 在 0 ． 5 。 以内。产生水平倾斜 的原因主要有偏心 载 荷 、 不均匀摩擦阻力 、 墙体 内径公差、 钢丝绳长度 和 预紧力不一以及风载荷等 。引起拱顶水平倾斜的最 大 因素为风 载荷 ， 当拱 顶升 至顶 部 时 ， 风 载荷会 引起 较大的倾覆力矩 。一般情况下 ， 可 以通过配重减小 偏心载荷的影响， 通过提高外墙 内壁 的圆度减小不 均匀阻力的影响， 使每组钢丝绳长度和预紧力保持 一 致 ， 选择风速较小时的天气进行拱顶气升 ， 在拱顶 到达最高位置时， 通过杠杆、 导链、 各种限位块等进 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 6 4 0 8 6 4 2 置暑／ 【 ～ I 7 6 4 2 0 8 6 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 O 1 3 年第 4 2 卷 行最 终 纠偏 。 3 ． 3水平 位移 纠偏 3 ． 3 ． 1 水平位移纠偏能力 以图 5模型中 h H／ 2 分析拱顶产生水平位移 时钢丝绳伸长量与水平位移的关系 ， 有 △ z 一L1 L3 一 L1 一L3 4 x 一 4 Di L2 z D。 L2 H。 一 2 D。 L2 4 z 4 Di L2 z Di L2 H 一 2 Di L2 ／ Di L2 H 一2 Di L2 4 式中， △ L , l z 为钢丝绳伸长量 ， L 为水平位移状态 下钢丝绳高端长， L 。 为水平位移状态下钢丝绳低端 长 ， z为水平位移 ， m。 仍以 H一3 8 ． 5 m、 D 8 2 m、 L 2 8 0 r n代入式 4 ， 得到水平偏移量与钢丝绳伸长量之间的关系曲 线 ， 见图 8 。从 图 8可见 ， 即使 水平位移 达到 1 m 时 ， 钢丝绳伸长量也不足 1 0 0 mm， 而根据某项 目储 罐结构 ， 拱顶与外墙内壁之 间的间隙在 1 0 0 mm 以 内， 因此 ， 钢丝绳伸长量可 以忽 略不计， 即 F 几 乎 等于 0 ， 而钢丝绳拉力的水平分量为 F 一F s i n A a 仅 以图 5上端钢丝绳 为例 ， 因此即使 F足 够 大 ， 能起纠偏的水平分量 F 也很小， 这说 明平衡 系 统对水平位移的纠偏能力非常有限 ， 可以忽略不计 。 U 1 5 0 3 0 0 4 5 0 6 0 0 7 5 0 9 0 0 1 0 5 0 1 2 0 0 水平偏移量x ／ mm 图 8 水平偏移量与钢丝绳伸 长量之 间关系 3 ． 3 ． 2 水平位移原 因及控 制措施 拱顶在气升过程中， 水平倾斜 的同时也会产生 水平位移 ， 钢丝绳受力不等会导致水平方 向的合力 不为 0 ， 拱顶到达最高位置时 ， 风载荷会引起较大的 水平位移。当把拱顶外缘与外墙的间隙控制在很小 的范围内时， 可以减小水平位移上限， 但间隙过小必 然增大拱顶气升时摩擦阻力 ， 甚至出现卡死 ， 影响气 升效率 。 当拱顶 上升 到最 高处时 ， 可 以人 工通 过杠 杆 、 导 链 等 工具进 行调节 。 3 ． 4 周向旋转纠偏 3 ． 4 ． 1 周 向 旋 转 纠偏 能 力 根据拱顶周 向旋转几何模 型 图 9 ， 仍 以 h H／ 2时分析拱顶周向旋转时钢丝绳的伸长量， 得出 以下公 式 A L I8 一L1 L3 一JL 1 一L3 一 ／ Di L 2 H 一2 Di L 2 C O S 一 二 5 式中， △ L 为钢丝绳伸长量 ， L 为周向旋转状态 下钢丝绳高端长， L。 为周向旋转状态下钢丝绳低 端长 ， m； 为周 向旋 转角 度 ， 。 。 图 9 周 向旋转几何模型 仍 以 H 3 8 ． 5 m、 D 一8 2 m、 L 2 8 0 m 代 入式 5 ， 得到周 向转角与钢丝绳伸长量 的关系曲线 ， 见 图 1 O 。 0 0 ． 1 0． 2 0 ． 3 0． 4 0． 5 0 ． 6 0 ． 7 0． 8 0． 9 1 ． 0 1 ． 1 卢／ 。 图 1 O，l青 I 向转 角 与 钢 丝 绳 伸 长量 的关 系 从 图 1 0中可以看出， 拱顶在产生一个微小 的周 向转角时 ， 钢丝绳的伸长量与转角几乎成线性关系。 比较 图 7和 图 1 O ， 不难 发 现 在 同样 的偏 角 下 ， 钢丝 绳伸长量几乎相同， 但不 同的是， 此时钢丝绳能起到 纠偏作用的周 向分量仅仅是 F s i n ， ， 为钢丝绳在 圆周切 向上的正弦角 ， 当倾 角很小时 ， 几乎没有纠 偏能力 ， 由此可见在整个拱顶气升过程 中， 平衡系统 对周向纠偏的作用也很有限。只有在拱顶到达最高 伽瑚咖咖枷伽猢 旨基， 【 q J J 鲫 加 ∞∞∞ ∞加 m u v 一 I7q 肇鳃 器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 吴 旭维 ， 等 大型液化天然气储罐拱顶气升关键技术研究 9 3 位 置 ， 且 周 向偏 角较 大 时 ， 纠偏 能力 才 能慢 慢 凸显 出 来 ， 而实 际工 程 中 ， 周 向 没有 稳 定 的载 荷 作 用 ， 不 会 产 生过 大 的周 向转角 。 3 ． 4 ． 2 周 向 旋 转 原 因及 控 制 措 施 与拱顶水平倾斜和水平位移不同， 拱顶在气升 过程 中没 有 直接 可 以导 致 周 向旋 转 的 外 力作 用 ， 而 实际过程 中由于管壁与拱顶 的不均匀摩擦 ， 一些偏 心载荷和风载荷引起 的随机旋转 ， 时 常也会产生很 小的周向旋转 。在拱顶 到达最高位置时， 可通过人 工微 调 。 4 结语 1 布置平衡系统时， 钢丝绳高低固定点应远离 拱 顶 的定滑 轮 ， 以减 少钢 丝绳 升顶 时额 外 负载 。 2 为提高平衡系统纠偏能力 ， 可以采用增大钢 丝绳预紧力和提高钢丝绳强度的方法 ， 而增大预 紧 力的效果较为直接和明显 。 ’ 3 对 于一个 微 小 的位 置 偏移 ， 平衡 系统 具有 显 著的水平倾覆纠偏能力 ， 但对于水平位移 和周 向旋 转 的纠 偏能 力几 乎没 有 。 4 在拱 顶气 升 接近最 高 位置 时 ， 风 载荷 是造 成 罐顶倾斜 的主要因素， 平衡系统可 以控制较大的偏 移 ， 但较 小偏 移还 需人 工进 行 调整 ， 因此 应选 择风 速 较小 的天气进 行气 升 作业 。 参考文献 I- 1 ] 李建 军． L N G储罐 的建造技术 [ J ]． 焊接技术 ， 2 0 0 6 ， 3 5 4 5 4 5 6 ． LI J i a n - 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