大型LNG储罐气升顶技术简析

陈 晖 田连军

中海石油气电集团有限责任公司 北京 100027

大型LNG储罐气升顶技术简析

陈 晖 田连军

中海石油气电集团有限责任公司 北京 100027

随着LNG清洁能源的引入，我国大型LNG储罐的建造技术国产化受到广泛关注。对于10万方以上的大型LNG储罐拱顶制造安装，气升顶具有其他施工方法不可替代的优势，具有广阔的发展前景和推广意义。为此，通过对世界上大型LNG储罐升顶方案的解析，并结合国内成功实例，对大型LNG储罐的气升顶技术的基本原理和简要过程进行了论述，研究分析了世界上不同形式的大型LNG储罐升顶方式，并重点介绍了平衡系统、密封系统、风压风量确定等气升顶的关键技术。

大型LNG储罐 气升顶 关键技术

无论在LNG接收终端还是LNG液化工厂，LNG储罐都是其关键核心设施，而储罐的气升顶又是LNG储罐施工活动中的关键里程碑点，升顶的完成，标志着储罐施工的关键路径从外罐混凝土施工转向内罐安装。同时，对于10万方以上的大型储罐拱顶制造安装，气升顶具有其他施工方法不可替代的优势，具有广阔的发展前景和推广意义。这里主要针对目前世界上主流大型LNG全容罐的气升顶技术进行分析和研究。

1 大型LNG全容罐简介

全容式LNG储罐属常压、低温储罐，目前是LNG接收站主要采用的储罐罐型，由于其外罐可以承受内罐泄漏的LNG及其气体，不会向外界泄漏，安全防护距离相对较小。一旦事故发生，对装置的控制和物料的输送仍然可以继续，这种状况可持续几周，直至装置停车。同时，因设计压力相对较高，在卸船时可利用罐内气体自身压力将蒸发气返回LNG船舱，省去了蒸发气（BOG）返回气鼓风机的投资，并减少了操作费用。

目前LNG全容罐的主流形式为平底双壁圆柱结构（见图1），储罐内罐与-162℃低温的LNG产品直接接触，一般采用含镍9%的合金钢，也可为全铝、不锈钢薄膜；外罐为碳钢或预应力混凝土结构，上有碳钢拱顶，拱顶下有上覆玻璃纤维毯保冷层的铝质吊顶；内外罐之间填充膨胀珍珠岩保温；罐底在承台之上一般由保温泡沫玻璃砖、砂垫层等组成。罐壁无管口，所有管线都由拱顶开孔与罐内连通。而日本、台湾地区由于地震影响较大而导致的设计理念的不同，结构形式存在明显差异，主要体现在拱顶/吊顶和保冷系统上（见图2）。我国自引进LNG就选择了欧美规范来设计建造LNG储罐，因此，结构形式与欧美沿成一系。

2 拱顶结构形式

就拱顶形式而言，LNG全容罐主要有日本为代表的双顶结构、欧美和我国带吊顶的拱顶结构两种形式（见图3）。

吊顶型钢拱顶自重一般700余t左右，日本储罐升顶重量甚至可达1500t左右。拱顶安装在罐底上部约40m处，边缘需与混凝土墙体顶部预埋的抗压圈焊联。拱顶由钢骨架（环梁、檩条）和顶板组成，拱顶板上需焊接栓钉。拱顶的下弦处还悬挂有铝合金的吊顶和两圈单轨环梁，结构较为复杂，如果采用正装法施工，则需要在罐壁高处搭建一个临时钢平台，在钢平台上实施组合、安装与焊接，高空作业量较多且不易实施。为了节约投资、加快进度，采用拱顶在地面组焊完成后，用气升法将其吹升到位。

3 气升顶的基本原理

气升顶是使用微压空气浮升技术，通过大功率鼓风机向罐内送入压缩风，让封闭拱顶下方的气量增加至容许的浮力，将罐内地面预制好的超重拱形钢质拱顶沿混凝土外罐内壁连续、安全、平稳的浮升至罐壁顶部与承压环接合的施工技术。

4 气升顶的简要过程

4.1 升顶前的准备

升顶前要进行大量细致的工作准备，主要有：

（1）确认适合升顶的天气条件：没有降雨，平均风速小于10m/s，阵风不大于 15m/s；

（2）检查确认储罐的圆度、水平度；

（3）确认拱顶荷载和分布及风机能力；

（4）索具、钢缆绳、滑轮、支撑架、配重等平衡系统组件安装完成；

（5）密封系统安装完成，所有储罐开孔封闭；

（6）风机（含备用）、挡板、管道等安装完成，多重保障电源就位；

（7）临时安全通道安装完成；

（8）相关安全措施落实到位；

（9）任何妨碍升顶的设施清除完成；

（10）升顶组织机构建立并各司其职；

（11）各级参与人员的通讯系统保持畅通；

（12）监控系统如压力计、测量绳、拉力计等准备就位；

（13）足够的焊接固定组件准备妥当；

（14）其他应准备的事项等。

4.2 升顶简要过程

升顶简要过程和步骤如下：

（1）启动风机电源，逐步投入风机；

（2）确认密封帘在风压下吸附贴紧在罐墙体上，时时观测压力计等监控设施；

（3）在刚起步的1～2m高度上，控制升顶速度100～150mm/m in，检查水平偏差和平衡度，微调配重。升顶压力根据不同升顶重量和速度而有所不同，吊顶型通常高于120mm水柱，双顶甚至可达350mm水柱；测量和检查确认平衡压力，风机电压和电流，控制最大风量和风压，采取措施清除任何影响下部顶升的危害因素；

（4）控制升顶速度200～300mm/m in，平衡压力保持在110mm水柱以上，保持拱顶持续、稳定上升；

（5）在接近拱顶的最后1m内高度，调整降低升顶速度至100mm/m in左右；

（6）在接触承压板前，准确定位拱顶，避免移位偏差；

（7）准确对接后，利用楔子临时固定预先焊接在拱顶板和承压板上的U形卡，固定拱顶，停止风机和电源。

4.3 拱顶永久固定

临时固定后，拆除密封材料，完成拱顶与承压板的焊接和无损检测。升顶活动最终完整结束。

5 气升顶的关键技术

LNG储罐气升顶包含诸多高技术含量施工技术元素，其中，平衡系统、密封系统以及风量风压控制等更是成功升顶的关键。

5.1 平衡系统

平衡系统的技术原理是通过滑轮组和钢缆绳为悬浮的钢结构穹顶提供一种定位导向机构，从而避免穹顶在气升过程中发生倾斜和旋转。国际上，依不同工程公司设计有多种平衡系统形式。

5.1.1 地上大型LNG储罐多采用的平衡系统

国际上地上大型LNG储罐平衡系统设计，根据钢缆绳布置、导向滑轮固定和锚固点与拱顶相对位置的不同，通常有三种形式。

形式1是水平钢缆绳布置在拱顶下方（见图4），国内福建LNG和浙江LNG项目采用此种形式。布置形式为：钢缆绳一端固定在承压圈上，通过T型架（A型架）直接垂直向下穿过拱顶板，接绕固定在拱顶环梁上的双向滑轮，水平穿过拱顶下方180°方向的滑轮，再与罐壁上锚固点连接。

其特点是升顶过程中，当拱顶出现倾斜时，靠钢缆绳张力变化，拱顶向下趋势位移端产生对侧钢缆绳给穹顶上导向滑轮一个偏转力矩，到达恢复平衡。

形式2是水平钢缆绳沿拱顶表面布置（见图5），国内广东大鹏LNG、上海LNG、大连LNG等项目采用此种形式。布置形式为：钢缆绳一端固定在承压圈上，通过支撑T型架（或A型架）垂直绕过固定在边缘环梁上的滑轮，依靠多个导向滚轴连接到靠近拱顶中心位置的滑轮，穿过拱顶中心板，向下垂直与底板上的锚固块连接。

形式3是水平钢缆绳布置在拱顶下方（见图6），国内珠海LNG项目采用此种形式。布置形式为：钢缆绳一端固定在拱顶外侧，向上绕过以混凝土墙体和内罐承压圈为支撑的滑轮，再垂直向下穿过拱顶板，继续绕过锚固在底板上的两组滑轮，与180°方向的内拱顶下部锚固点连接。

5.1.2 地下大型LNG储罐和双顶式地上LNG储罐多采用的平衡系统

日韩等国家地下大型LNG储罐和双顶式地上LNG储罐采用的平衡系统形式多与地上储罐形式3类似（见图7），差别仅在于相对于地面的固定高度和缆绳锚锚固点的位置。

5.1.3 应急备用平衡系统

国际上部分工程公司在平衡系统设计中，会额外考虑应急备用平衡系统作为主平衡系统的补充，如珠海LNG的EPC承包商设计了Tirfor系统以应对气升顶过程可能出现的突发卡顶事故。当气升顶过程中由意外导致拱顶卡住不动时，Tirfor系统即可启用，通过手拉导链及备用的吊车可将拱顶拉起、微调恢复。

由于设计理念的不同，很多国际工程公司并不采用这一理念，而把如何完全规避出现卡顶作为关键考虑项。

不管采用哪种形式，其基本原理类同，即在升顶过程中，当拱顶出现倾斜时，偏差位移会通过钢缆绳和导向滑轮直接传递到对称侧，依靠钢缆绳的张力变化和导向滑轮的偏转力矩，形成对称拉力，实现自身恢复平衡，避免升顶过程中拱顶超限倾斜和转动。

另外，在计算平衡时，需要精确描述已经固定在拱顶上的设备、材料的重量和位置，计算力矩，通过平衡计算，在合适的位置摆放、固定其他对应平衡的设备、材料。在实际升顶过程中，计算的平衡配重都不可能完全准确，这就需要在预升顶或正式升顶初期采用人为调控的方式微调，如采用通过调配拱顶或吊顶上的配重物来达到拱顶水平平衡的精确要求，以此达到顺利平稳升顶的目的。

5.2 密封系统

密封系统是气升顶技术中关键组成部分，密封系统能否稳定、有效地发挥作用，直接决定了成功升顶的质量。气升顶过程中，如果密封系统失效将会导致灾难性的后果；密封系统局部失效，也会导致穹顶受力不均，从而使穹顶产生巨大的水平高度差并发生旋转。最关键的密封位置是拱顶与罐壁间隙，通常采用加强型聚乙烯密封帘或其他类似密封材料，其上部通过螺栓或强力胶带固定在拱顶板的附加钢板片上（见图8），中部通过强力胶带或钢压条压稳，下部呈自由端，升顶时会在内罐风压的作用下紧紧贴在罐壁上，保证良好的密封性。

对其他存在可能较大漏气的各类开孔也采取密封措施，如承台、罐壁上的排水孔/管，拱顶上管嘴和钢缆绳的穿孔等。

为保证升顶初期的检查，设在储罐临时洞口的人员出入门也要进行专门的设计，进出双门密封，保证气密。

5.3 风压和风量的计算

气升顶前，需要进行升顶压力的核算，计算需要的风量和风压，配备符合能力的风机。首先要计算升顶总重重和载荷分布，包括拱顶、吊顶、拉杆、内部钢结构走道平台、栏杆、管嘴、工具等的重量及分布，有的工程公司为了后续吊顶上的工作方便，习惯将后期吊顶上施工需要的材料、设备都同时升顶，这样对气升顶的风压和风量计算就要求非常全面和精确。

5.3.1 风压的计算

上浮风压P，包含上浮静压力和浮力损失：

式中：P1——上浮静压力，P1=W/A；

P2——升顶过程的浮力损失；

W——升顶的总重量，包含拱顶、吊顶及各类附属设施和材料的总和；

A——拱顶的投影面积。

由于升顶过程中摩擦力的影响，升顶运行中存在一定的风压损失，主要包括密封材料与外罐壁的摩擦和送风设备及管道的风压损失等。

在确定升顶风压的计算中，我们通常会根据经验采取按1.1～1.2的总安全调整系数来适当放大上浮压力数值，或细分风压损失分量，考虑不同材料的摩擦系数和接触面积来详细计算。

5.3.2 风量的计算

升顶所需风量Q，同样需要考虑正常体积风量和损失风量：

式中：Q1——正常体积风量；Q2——升顶过程的损失风量。Q1=A*V*t

式中：V——常规的的升顶速度（V=0.15～0.2m/m in）；

A——拱顶的投影面积；

t——升顶的预计持续时间；

式中：n——经验系数，决定于密封质量的状况，通常取0.3～0.4左右。

6 结语

（1）对于大型LNG储罐拱顶制造安装，气升顶具有其他施工方法不可替代的优势，具有广阔的发展前景和推广意义；

（2）通过对大型LNG储罐升顶技术的研究和实施，国内设计、施工单位完全可以掌握其核心技术并推广；

（3）成功的气升顶需要：符合设计的储罐尺寸、良好的密封系统、正确的平衡控制和调节系统、完备的监控和科学指挥系统、合理配备的风机、电源及备用系统、成熟的销接和固定方法、全面的HSE、应急措施以及良好的施工组织。

1 European Comm ittee for standardization.Design and m anu facture of site built,vertical,cy lindrical,flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated,liquefied gases w ith operating temperatures betw een 0°C and-165°C(all parts)[S].EN 14620,2006

2 日本燃气协会.LNG地上储罐指南[S].JGA指-108-02,2002

3 日本燃气协会.LNG地下储罐指南[S].JGA指-107-02,2002

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1672-9323（2012）05-0040-04

2012-08-13）