LNG钢结构模块沉降分析及修正研究

刘荣坤， 李家军， 田从永， 王 毅， 冷亚林， 杨建昌

(海洋石油工程股份有限公司， 山东 青岛 266555)

LNG钢结构模块沉降分析及修正研究

刘荣坤， 李家军， 田从永， 王 毅， 冷亚林， 杨建昌

(海洋石油工程股份有限公司， 山东 青岛 266555)

液化天然气(LNG)钢结构模块自重较大，建造期间会产生沉降，影响设备及管线安装精度。通过对不同地基上LNG钢结构模块进行周期性沉降观测，分析讨论模块累计沉降量及沉降过程特点。针对模块不同沉降，提出应对模块沉降的修正对策，保证后续标高测量精度。

LNG模块;沉降观测;数值分析;修正

0 引 言

液化天然气(LNG)钢结构模块分布有大量设备和管线，标高公差严格[1—2]，在总装建造过程中，因模块底部支撑腿立柱承重高，地基夯实程度不同，会导致模块发生不均匀沉降，严重影响设备、管线安装标高精度。石继程等[3]指出非滑道区的不均匀沉降会引起大型LNG管廊结构建造过程沉降；赵林峰等[4]研究表明地基的不均匀沉降会引起汽轮机组主结构的标高异常，可调整主结构标高解决；赖训诚[5]研究指出软地基大型设备安装过程中需通过沉降观测统一设备标高安装精度。以上研究表明，LNG钢结构及设备建造安装过程中，不均匀沉降会引起标高安装异常，影响建造精度。本文以滑道区和非滑道区LNG钢结构模块为研究对象，从沉降过程和累计沉降角度，分析LNG钢结构模块沉降特点，解释沉降原因，并提出沉降修正方法。

1 研究对象及观测分析

1.1 建造场地简介及研究对象

建造场地非滑道区地层主要有素填土(碎石素填土和粉质黏土素填土)、淤泥、残破积土和基岩[3]，滑道区采用沉箱内桩基的结构形式[6]。本文以滑道区模块A和非滑道区模块B为研究对象，具体信息如表1所示。

表1 模块A和B主要信息

(续表)

1.2 沉降点布控及观测方法

沉降观测点位布控包括控制网站点和沉降观测点布设。控制网站点布控在模块周围，滑道区、非滑道区及控制网站点的位置如图1所示。沉降观测点布设在模块底部支撑腿立柱上，如图2所示。

图1 滑道区、非滑道区及控制网站点位置图Fig.1 Slide area, non-slide area and control points’ location

图2 模块沉降观测点Fig.2 Settlement survey points on the module

沉降观测采用高精度徕卡TS30全站仪(见图3)，利用多个控制网站点后方交会设站，降低设站系统误差，采取“五定”原则，即高程基准点、控制网站点、沉降观测点固定，仪器固定，人员固定，观测程序、方法固定和观测环境固定。观测周期兼顾模块总体建造方案和甲板片总装，一般于每层甲板片吊装后进行。

图3 徕卡TS30全站仪Fig.3 Leica TS30 total station

1.3 数据分析

将模块沉降观测点各周期沉降点数和沉降点的平均沉降量作关于观测周期的沉降曲线图，从沉降过程分析控制网站点和模块沉降特点，通过累计沉降量的统计柱状图，分析累计沉降特点。

1.3.1滑道区模块A

模块A位于场地滑道区域，共布置沉降观测点15个，沉降曲线如图4所示。从图4看出，模块A沉降主要发生在2～4周期，每周期沉降点数均在6个以上，平均沉降量在1～2mm之间，第4周期达到沉降峰值，共有12个观测点产生沉降，平均沉降量1.8mm。第4周期之后，沉降点数和平均沉降量都大幅减小，曲线趋于稳定。

图4 滑道区A模块各周期沉降点数统计Fig.4 Statistics of settlement points on module A at slide area

图5为模块A各沉降观测点的累计沉降量，从图中可以看出，模块A累计沉降量最大为5mm，产生沉降的沉降点比例为100%，平均累计沉降量3.0mm，模块总装期间相对较稳定。

图5 滑道区A模块各沉降点累计沉降量Fig.5 Accumulated settlement amounts on module A at slide area

1.3.2非滑道区模块B

模块B位于砂石区域，属于非滑道区，共布置24个沉降观测点，沉降曲线如图6所示。从图6中可以看出，模块B沉降主要发生在2～6周期，沉降点多，沉降量大，且平均沉降量大于1mm。第6周期后，沉降现象变缓，沉降点数明显变少，模块趋于稳定。

图6 非滑道区B模块各周期沉降点数统计Fig.6 Statistics of settlement points on module B at non-slide area

图7为模块B各沉降观测点的累计沉降量。从图中可以看出，模块B累计沉降量主要集中在2～7mm，最大为8mm；产生沉降的沉降点比例为100%，平均沉降量5.0mm。相比于滑道区域，模块总装期间沉降程度较为严重。

图7 非滑道区B模块各沉降点累计沉降量Fig.7 Accumulated settlement amounts on module B at non-slide area

1.3.3小结

通过对处于不同地基状态上的两个模块进行分析可以看出，滑道区模块累计沉降量最大为5mm，沉降主要发生在2～4周期；非滑道区模块累计沉降量集中在2～7mm，沉降主要发生在2～6周期，总体沉降相对滑道区周期长、沉降量大。因此，建议在模块总装前期及中期加大沉降监控频率，尤其是对处于非滑道区域的总装模块加大沉降监控力度，及时对模块沉降量进行修正处理，以免影响设备、管线的标高安装精度(一般为±3mm)。

2 沉降原因及修正

2.1 沉降原因

引起模块总装沉降的主要因素有：

(1) 模块总装建造所在的地基不同，滑道区承重力强，沉降较轻；非滑道区域承重力较弱，沉降较重。

(2) 施工现场大型吊装作业频繁(见图8)，外力引起模块沉降。

图8 模块周围大型吊装作业Fig.8 Lifting work around the modules

(3) 模块自身载荷重量大，质量分布不均匀，导致模块沉降且各监控点沉降量存在差异。

(4) 模块开始总装时，其底部立柱底板与垫墩之间存在缝隙(见图9)，由模块压实作用产生沉降。

图9 模块立柱底板与垫墩缝隙Fig. 9 Gap between the module base plate and the foundation

2.2 修正

应对模块沉降的修正办法有：

(1) 及时调整控制网站点高程。以模块A为例，模块A在第4周期，累计共有87%的观测点发生沉降，平均沉降量为1.8mm，此时将控制网站点高程统一上调2.0mm，以上调后的控制网站点复测设备、管线标高。但需要注意，此方法应当在模块发生大范围沉降时采用，并且考虑测量误差影响，一般当平均沉降量达2.0mm时进行调整。当发生极个别监控点沉降时，应针对该处立柱进行抬升。以模块A某设备底座为例，调整前后的标高值如图10和图11所示，由图可知若未及时发现沉降现象，设备底座标高值是超差的(±3mm)，已用云雾线圈出，而根据模块沉降值调整站点坐标后，标高值满足公差要求。

图10 标高调整前Fig.10 Before elevation adjustment

图11 标高调整后Fig.11 After elevation adjustment

(2) 多点多次匹配拟合。对于沉降严重的模块，应将所有底部立柱与站点重新关联测量，利用测量软件，对测量数据和理论模型重新匹配拟合，防止模块沉降引起平面位置的变动。

(3) 局部多点后方交会测量。在每层甲板总装焊接完成后，根据模块累计沉降量，适时修正控制网站点高程。然后将控制网站点返引至模块上，如此控制网站点与模块同步沉降，可保证后续标高的测量精度。

3 结 语

(1) LNG钢结构模块总装期间因地基不同而沉降程度不同，滑道区域模块沉降相对较小，非滑道区域模块沉降相对较大。模块沉降主要发生在总装前期和中期，因此在总装前期和中期应加大沉降观测频率。

(2) 分析LNG钢结构模块沉降的原因，主要包括地基稳定性、外力干扰、自身载荷及质量分布和模块摆放因素；当模块产生沉降超过2mm后，及时调整控制网站点高程，可保证后续标高的测量精度。

(3) 模块沉降修正方法有调整控制网站点高程、多点多次匹配拟合和局部多点后方交会测量，均可修正因模块沉降引起的标高异常变化。

[1] 何小超.LNG模块化建造尺寸的误差分析及控制[J].中国石油和化工标准与质量杂志,2016(12)： 98.

He Xiao-chao. Dimension error analysis and control for LNG modularization constructions [J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality, 2016(12)： 98.

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Ju Xue-guo, Wang Tie-yao, Zhao Hong-tao, et al. Tolerance control for equipment installation on modularization fabrication [J]. China Offshore Platform, 2012(S1)： 15.

[3] 石继程,孟珣,刘宇婕,等.非滑道区LNG组块建造地基不均匀沉降分析[J].海岸工程，2015(3)： 24.

Shi Ji-cheng, Meng Xun, Liu Yu-jie, et al.Uneven settlement analysis of the foundation of LNG models constructed in non-slideway zone [J]. Coastal Engineering, 2015(3)： 24.

[4] 赵林峰,刘卫,贺庄.600 MW汽轮机轴系调整和基础沉降分析[J].电力科学与工程,2015(4)： 58.

Zhao Lin-feng, Liu Wei, He Zhuang.Shaft system test and foundation settlement in the overhaul for a 600 MW stream turbine [J]. Electric Power Science and Engineering, 2015(4)： 58.

[5] 赖训诚.软土地基大型设备基础沉降问题的分析及处理[J].科技资讯,2009(11)： 236.

Lai Xun-cheng. Analysis and treatment for settlement of large equipment foundation in soft soil foundation [J]. Science & Technology Information, 2009(11)： 236.

[6] 徐东晖,王星球,濮文菁.中国海洋石油工程青岛海工建造基地工程设计及地基处理研究[J].水运工程,2009(s1)： 75.

Xu Dong-hui, Wang Xing-qiu, Pu Wen-jing. Maritime engineering design in the project of offshore oil engineering [J]. Port & Waterway Engineering, 2009(s1)： 75.

ResearchonModuleSettlementandAdjustmentofLNGSteelProject

LIU Rong-kun, LI Jia-jun, TIAN Cong-yong, WANG Yi, LENG Ya-lin, YANG Jian-chang

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Qingdao,Shandong266555,China)

Settlement will happen in the field-assembly period on liquefied natural gas (LNG) steel modules as they are very heavy. The settlement will influence the installation accuracy of equipment and pipelines. Based on the periodic monitoring on the settlement of the modules which are fabricated on different foundations, the final settlement amount and the feature are found from numerical analysis. In consideration of their different performance, proposals are provided to deal with the settlement to ensure the elevation accuracy of pipelines and instruments installed on them.

LNG module; settlement monitoring; numerical analysis; adjustment

TU391

A

2095-7297(2017)04-0240-05

2017-03-21

刘荣坤(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事钢结构建筑与安装方面的研究。