LNG工程超低温预应力锚固体系设计及其施工技术要点探讨

2021-07-01温朝臣卢双桂蒋业东刘进

企业科技与发展 2021年5期

温朝臣卢双桂蒋业东刘进

【关键词】LNG储罐;超低温预应力锚固体系設计;施工技术要点

【中图分类号】TU757 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）05-0092-03

0 引言

随着我国经济的快速发展，人们对于清洁、经济、安全能源的需求量越来越大，天然气是大家所公认的清洁能源之一，因此需求量也是逐年大幅递增。为了确保经济高速增长及满足人们日常生活的需求，需要运输且储存大量的天然气，但常规的天然气体积大，运输及储存不方便且成本高，为了解决这一难题，常规的做法是将大量的天然气按照其临界温度值-165 ℃左右液化后放置在统一天然气接收站的LNG（LNG即液化天然气的英文缩写）储罐中存储，而液化后的天然气的体积仅为常规气体的1/620，使用非常便利。但是，LNG混凝土外罐建设的安全性及工程质量标准非常高，常规的预应力锚固体系不能满足其超低温状态下的各项工作性能指标，因此其结构设计常需要用到满足相应标准要求的超低温预应力锚固体系才能满足此需求。同时，超低温预应力锚固体系的施工质量是LNG外罐的工程质量是否可达到设计标准要求的保障，因而需足够重视及严格执行各项施工要求。本文着重对该体系的设计、施工过程及关键控制点进行介绍，为后续同类型的结构体系施工提供参考。

1 超低温预应力锚固体系设计及施工技术要点

1.1 超低温预应力锚固体系设计

超低温预应力锚固体系主要由灌浆帽、工作锚板、工作夹片、锚垫板、螺旋筋、连接筋、预应力钢绞线、波纹管等零件组成，具体构成如图1所示。该体系需要符合国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370—2015）[1]和欧洲标准ETAG 013：2002[2]要求。

该体系中的主要构件预应力锚具及预应力钢绞线、预应力管道的技术性能需满足如下要求。

1.1.1 锚具的主要技术性能

（1）静载锚固性能：锚具的常温及低温（-196 ℃）情况下静载锚固性能同时满足ηa≥0.95;εapu≥2.0%要求[1]。

（2）疲劳荷载性能：预应力筋-锚具组装件满足循环次数为200万次的疲劳荷载性能试验要求[2]。

（3）辅助性能及其他要求：？譹？訛锚具锚固的回缩量≤6 mm[1];？譺？訛锚具能满足分级张拉、补张拉和放松钢绞线的要求;？譻？訛锚具的锚口摩阻损失≤2%，锚口摩阻和喇叭口摩阻损失合计≤6%[1]。

1.1.2 预应力钢绞线的主要技术性能要求

预应力钢绞线常用直径规格为φ15.7 mm，常用的强度级别为1 860 MPa，要求适用于-196 ℃超低温环境，执行标准为prEN10138的Y1860S7-15.7-R1-F1-C1L。

1.1.3 预应力管道的主要技术性能要求

预应力管道采用金属波纹管，垂直和水平预埋管均采用0.6 mm厚的镀锌钢板卷制而成的金属波纹管，结构示意如图2所示。

金属波纹管常在工地现场制作，也可由厂家提供，厂家提供的金属波纹管每段长6 m，可用内径大一号的波纹管连接。金属波纹管要求无孔洞和不规则的折皱，咬口无开裂、无脱扣。经规定的集中荷载和均布荷载作用后或在弯曲情况下，波纹管不得渗出水泥浆，但允许渗水且需满足标准《预应力混凝土用金属波纹管》（JG 225—2007）中的相关要求[3]。

1.2 超低温预应力锚固体系的施工技术要点

1.2.1 常用的施工工艺流程

该体系的施工比较复杂，为保证LNG混凝土外罐结构具备足够的稳定性及安全性，保证该体系处于正常使用状态，需要严格控制该体系的施工工艺流程，建议使用的工艺流程如下。

安装罐体底板底模→安装竖向预应力锚垫板及螺旋筋→绑扎罐体底板、墙体及扶壁柱钢筋→波纹管控制点弹线、焊接控制点定位钢筋→布设罐体底板、墙体竖向、环向和扶壁柱内的波纹管→安装张拉端锚垫板及螺旋筋→隐蔽工程验收→安装其他部位的模板→浇筑混凝土→养护、拆模→预应力钢绞线穿束→工作锚板、工作夹片安装→预应力张拉设备及工具安装→预应力张拉→预应力孔道灌浆→封锚。

该工艺流程施工过程中需要注意事项如下。

（1）在浇筑混凝土时，同步按照标准要求制作混凝土试块，并且只有在混凝土试块经法定的检测单位检验达到设计强度标准后才可进行张拉施工。

（2）钢绞线、锚具等必须有检验合格的报告方可进行预应力穿束，不合格不得在LNG混凝土罐的施工中使用。

（3）张拉工序中，张拉设备必须进行校准，并且摩阻试验完成并达到设计要求后方可进行张拉施工。

（4）灌浆工序中需同步制作灌浆试块，并且灌浆用的材料试验强度必须满足设计要求且灌浆试验全部完成后方可进行该工序。

1.2.2 波纹管布置工艺要点

对于波纹管布置，需重点注意水平及竖向布置的不同点。

（1）对于水平环向管道，每一施工段钢筋绑扎就位后，用φ14 mm以上的钢筋制作定位支架并焊接牢固，支架间距≤1 500 mm，防止在混凝土浇筑过程中管道下垂，使用铁丝把管道和支撑筋绑扎牢固，防止管道上浮走位，管道4个方向的偏差均不得大于±5 mm，严格保证设计要求的波纹管位置。

（2）对于竖向预应力管道，安装方法跟水平管道相似，但要特别注意，竖向管道顶部的开口必须用纱布堵住或盖帽盖上，防止管道在进行预应力束穿束前被杂物堵住影响后续预应力束穿束及张拉。

（3）波纹管连接方式。波纹管之间的连接采用大一号的波纹管作为连接套管，其长度≥300 mm，波纹管插入套管内的长度≥150 mm，接口处用热缩套密封（如图3所示）。

（4）波纹管与锚垫板下口连接方式。波纹管与锚垫板连接方式是将波纹管的一端插入锚垫板下口内，其接口缝处采用热可收缩的套管或其他等效替代品进行密封（如图4所示）。

1.2.3 钢绞线布置工艺要点

对于钢绞线，需要注意以下3点。

（1）钢绞线在装入放线盘前，外包装、水溶性防锈油、匝均不能破坏，保证钢绞线不锈蚀或不受到机械、化学、电化学、热等损伤。

（2）穿束完成后立即将锚具和外露钢绞线用塑料布包裹，同时密封波纹管口，防止水气及有害介质侵蚀。

（3）为了达到设计要求的应力值及伸长值，在穿束过程中应注意准确记录钢绞线束的编号及钢绞线标牌号。

1.2.4 预应力系统张拉顺序

预应力的张拉顺序与工程结构及预应力筋布置方式相关，不同的工程结构及预应力筋布置方式有不同的张拉方式，下面以某LNG储罐工程预应力筋张拉顺序为例。根据某LNG储罐工程的结构受力特点，张拉顺序如下：穹顶施工完成后采用间隔对称张拉筒体墙和扶壁柱内竖向束钢绞线（通过施工临时洞口处竖向束钢绞线待洞口混凝土浇筑后且强度达到100%后再张拉）→穹顶施工前张拉环梁内87、88、89、90、91、92号束的钢绞线（如图5所示）→穹顶施工完成后张拉环梁内84、85、86号束的钢绞线（如图5所示）→对称张拉总量50%的同一环内的环向钢绞线（通过施工临时洞口处环向钢绞线待洞口混凝土浇筑后且强度达到100%后再张拉）→临时洞口封堵后，对称张拉剩余的50%环向束钢绞线→对称张拉筒体墙剩余竖向束钢绞线。

1.2.5 预应力体系张拉技术要点

预应力张拉作为LNG混凝土外罐超低温预应力结构施工过程中的关键环节，是在结构中建立有效预应力作用的唯一保障工序，因此需要严格控制该工序的施工，保证结构达到设计的应力要求值。

该预应力体系张拉的总体要求如下。

（1）张拉顺序必须严格根据该体系结构受力要点，在保证施工方便、操作安全、质量等因素的前提下进行设计，并且该体系的构件平面顺序和截面预应力筋顺序都应当遵循对称平衡张拉原则。

（2）张拉宜采用两端对称张拉方式，并根据该体系的结构特点及工程的特定结构要求采用分阶段张拉、分批张拉、分级张拉、分段张拉等成熟的工艺进行。

（3）张拉应严格进行应力控制，并对伸长值进行计算校核是否符合设计要求，且在張拉过程中实际伸长值与计算伸长值的允许偏差应为（-5%～5%），如超过允许偏差，应按流程要求查明原因并采取相应的措施后方可继续张拉施工。

（4）张拉时需对周围的环境温度进行监测，要求张拉时的环境温度不能低于5 ℃。

（5）进行张拉时，应按标准要求对张拉的全过程做详细、完整的记录。

1.2.6 灌浆

预应力体系张拉完毕并经检查合格后需在2周内进行灌浆，在灌浆前切除张拉端多余钢绞线，保证钢绞线露在夹片外的长度≥30 mm即可。灌浆时环境温度不能低于5 ℃，浆体温度不宜超过35 ℃。严格控制灌浆用的水泥浆配合比并保证其试块强度满足设计标准要求。

2 结语

总之，针对超低温预应力锚固体系的设计及其施工，除保证其结构性能满足设计标准要求外，还需严格控制预应力施工质量，如此方能提高LNG混凝土外罐的安全性及使用寿命。因此，掌握该体系结构设计及施工技术要点，对于充分发挥该体系在LNG领域的应用优势，促进LNG在国家能源战略体内的快速发展起着十分重要的作用。