大型钢制低温储罐拱顶安装技术研究

胡绍辉

中石化第四建设有限公司 天津 300270

大型钢制低温储罐具有建造周期短、适用地域广、安全性高、造价低等优点，广泛应用于LNG 接收站和化工装置罐区。近年来，钢制低温储罐单体容量有逐渐增大的趋势。已知单体钢制全容罐最大为10 万m3，为经纬线拱顶结构，由中心环、96 根径向梁、11 圈纬向梁和290 块拱顶板、轨道梁组装而成。拱顶呈现以下特点：泵井位置径向梁加强，拱顶重量大，球面半径小，拱顶板加厚，且由搭接焊接改为与径向梁搭架焊接，与承压环对接焊接，将拱顶板作为受力结构。

1 拱顶预制

10 万m3钢制低温储罐外罐φ70m×47.9m，拱顶φ69.8m×12.333m，拱顶球面半径56m，总重量约640.85t。拱顶分为24 个拱顶片和一个中心环，其中拱顶大片20 个，规格为32m×9.2m；小片4 个，规格为32m×7.1m。中心环由钢板拼接成型，拱顶梁及轨道梁采用热轧H 型钢顶弯预制成型，拱顶板采用瓜片板式排板下料，在胎具上将H 型钢和拱顶板组装成大小拱顶片。

1.1 H型钢预制

拱顶H 型钢有3 种规格，分别为热轧HM390×300×10×16、HN400×200×8×13，焊接WH400×400×12×22。H 型钢采用可调弧顶弯机进行预制，先对整根H 型钢进行顶弯，再根据图纸对径向梁、环向梁下料，坡口采用火焰切割，切割面的平面度为0.05×板厚，且不大于2mm。轨道梁I28b、I20a 的预制要求与H 型钢相同。

其中径向梁预制尺寸允许偏差：整体长度，±1mm；螺距，±1mm；中间距离±2mm；弯曲度，±1mm。环向梁预制尺寸允许偏差：整体长度，±2mm；螺距，±1mm；中间距离，±5mm。

1.2 连接筋板预制

连接筋板使用等离子切割，螺栓孔只允许正偏差且不能大于1mm，螺栓孔间距偏差为±1mm，螺栓孔及周围不得有飞边、毛刺、焊接飞溅物和焊疤等。

1.3 拱顶板预制

拱顶板290 张，其中环形顶板24 块，瓜片顶板264块，中心顶板2 块。拱顶板与H 型钢采用搭接形式，搭接宽度75～125mm；拱顶板与承压环采用对接；拱顶板与拱顶板由外向内采用自下而上搭接，搭接长度不小于60mm；拱顶中心环梁位置中心顶板间对接，与瓜片板搭接。其中瓜片顶板预制尺寸允许偏差：长度，±2mm；宽度，±2mm；对角线之差，≤3mm；直线度，≤2mm。环形顶板预制尺寸允许偏差：长度，±2mm；宽度，±2mm；对角线之差，≤3mm。

1.4 中心环预制

（1）中心环直径6m，由钢板切割后，组焊成环形H型钢，整体安装；

（2）按照图纸对中心梁下料，使用半自动切割机切割，在平台上组装焊接；

（3）组装完成后进行调校，测量中心环的圆度及相关尺寸，符合图纸和规范要求。

2 拱顶组片

拱顶分为24 片，其中大片20 片，规格为32m×9.2m；小片4 片，规格为32m×7.1m，在预制胎（图1）上组装。

图1 拱顶片预制胎具示意图

（1）拱顶片先进行径向梁组装，径向梁H 型钢间采用45°斜接；焊接后100%进行超声检测，然后安装环向梁，从外向中心安装。

（2）用于拼接径向梁的H 型钢不小于6m，最多拼接3 道焊缝，相邻径向梁拼接焊缝交错布置且距离大于3m，与环向梁间距大于1m。拼接H 型钢采用等强度对接节点，对接焊缝全焊透，并采用小电流、快速焊等方法控制变形。

（3）径向梁与环向梁之间使用筋板连接，以2- M16螺栓预紧连接后再进行角焊缝焊接。

（4）考虑拱顶片安装，预制的拱顶片铺设7 张拱顶板，其中顶板2、顶板3 各三张，顶板4 一张（图2）。拱顶板铺设从拱顶片的大端向中心铺设，拱顶板与拱顶板由外向内采用自下而上搭接，搭接长度不小于60mm，剩余拱顶板待拱顶片安装焊接后铺设。拱顶板与梁的搭接长度允许偏差为0，+5mm。

图2 预制片拱顶板铺设示意图

（5）焊接时，先进行拱顶板下表面与径向梁、环向梁的仰焊，然后从大端向小端分段对称进行爬坡焊。焊接顺序采用退步断焊的方法，焊接过程中焊工均匀分布，防止局部变形。所有焊缝采用分段退步焊，分段距离不小于500mm。拱顶片几何尺寸允许偏差：宽度，5mm；长度20mm；对角线之差10mm。

（6）预制成型的大小拱顶片检查合格后，叠放在存放胎上（图3），并用吊装锁具固定，每个存放胎不超过5 个拱顶片。

图3 大小拱顶片存放示意图

3 拱顶安装

拱顶由24 个拱顶片和1 个中心环组成，先在外罐底板上安装临时支撑，包括中心柱、中间立柱和边柱；然后安装中心环，再用260t 履带吊车对称逆时针安装拱顶片；拱顶片组焊成整体后，对剩余拱顶板进行铺设焊接，最后进行拱顶附件、穿套管等安装。

3.1 临时支撑安装

拱顶临时支撑由中心柱、中间柱和边柱组成，其中中心柱4 根、中间柱24 根、边柱96 根。中心柱及其支撑安装在承台埋件上，其余临时支撑安装在外罐底板上。

（1）中心柱由4 根φ273mm×8mm 钢管及型钢组成框架，焊接在承台的埋件上，用8 根φ159 钢管加固。中心柱上安装带有护笼的直梯，用于作业人员上下通行；柱顶安装带护栏的安全作业平台，用于拱顶片组装。

（2）中间柱规格φ219mm×7mm，与拱顶片一起安装用于调节拱顶拱高。边柱规格φ273mm×8mm，数量96 根，与拱顶径向梁数量一致，与外罐底和罐壁焊接连接，保证其稳定。

（3）各支柱按图纸高度安装后顶部需要复测，以确保支柱调节到正确的高度。标高允差为+/ - 10mm，方位允差为5mm。

3.2 中心环安装

在罐内使用25t 汽车吊安装中心环，中心环必须与罐底中心同轴，同轴度为不大于10mm，定位后与中心柱进行点焊固定。

3.3 拱顶片安装

24 片拱顶片最大重量为26.766t，最小重量为19.46t。在壁板第三圈安装后使用260t 履带吊进行安装，最大吊装半径为30m，吊车最大比率87.7%。

（1）在临时支柱上对称安装大小拱顶片，拱顶片一侧与中心环连接，另一侧由边柱支撑。拱顶片安装采用4 个方向对称吊装，然后逆时针安装，详见图4。

图4 拱顶片安装示意图

（2）在拱顶片上设置4 个吊点，拱顶片小端设置2 个10t 的手动葫芦，用于调节拱顶安装角度。

（3）拱顶片全部安装后，开始安装大片和小片之间的环向梁和剩余的拱顶板，对称均匀分布焊工进行焊接。拱顶上部的焊接工作完成后，焊接剩余拱顶板的仰焊工作。

（4）网壳曲面成型无明显局部凹凸，采用样板进行检查，要求间隙不大于15mm；节点周围的杆件表面无锤击造成的明显凹凸；纵向梁安装角度允许偏差不超过±0.01°，总拼完成后网壳曲面形状几何尺寸偏差不大于20mm。

（5）在拆除中心柱和中间柱后，检查环向梁和纵向梁节点间距偏差和高度偏差允许值如下：两个相邻节点的径向偏差不得超过两个节点距离的1‰，且小于5mm；两个相邻节点的环向偏差不得超过两个节点距离的1/ 300，且小于5mm；网壳节点高度与设计高度偏差不超过±10mm。

3.4 拱顶下轨道梁安装

拱顶下轨道梁有两圈，在拱顶全部焊接完成后，才能进行轨道梁安装工作。

（1）轨道梁用顶弯机进行煨弯，在外罐底上每两根轨道梁进行组对、焊接；完成后用手拉葫芦吊装到轨道梁吊架位置进行安装、焊接；最后组对焊接每两根轨道梁间的焊口。

（2）轨道中心线与安装基准线的水平位置偏差不大于3mm；轨道顶面标高与设计标高的位置偏差不大于5mm，全过程内高低差不大于10mm。

3.5 拱顶管安装

拱顶板焊接完毕后、吊顶安装前，进行拱顶管安装。

（1）采用50m 钢卷尺在拱顶下确定拱顶管安装半径，全站仪确定拱顶管安装角度。

（2）拱顶管开孔应符合表1 要求。

表1 拱顶管开孔允许偏差 mm

（3）所有拱顶管的垂直度允许偏差不得大于管高的1‰，且不大于5mm。

（4）拱顶管补强圈的曲率与罐顶曲率一致。拱顶管法兰的密封面应完好，不得有径向划痕，法兰密封面与拱顶管轴线的垂直度偏差不大于法兰外径的1%，且不得大于3mm。

4 吊顶安装

吊顶有板拼焊吊顶和压型瓦楞铝型材吊顶，钢制低温储罐考虑拱顶承载力一般均采用后者。压型瓦楞铝型材吊顶采用蜘蛛网型结构设计，由铝制H 型钢组成骨架，在上面铺设瓦楞压型铝板，使用不锈钢吊杆与拱顶连接。

4.1 吊杆安装

与拱顶连接的吊杆共有15 圈，976 根，长度在3.745～14.6m 之间。吊杆分上下两部分进行安装，上部分在铝吊顶安装前进行安装，下部分在铝吊顶安装后安装。

（1）在地面进行上部吊杆之间、吊杆与筋板之间组焊。采用升降车进行挂设安装，将吊杆连接件与外罐顶部网壳径向主梁焊接，吊杆自中心向外安装。

（2）铝吊顶安装后，安装下部分吊杆。下部分吊杆与吊顶连接件安装时，将局部加强板同时安装，在螺母侧安装防松垫圈，并对螺母点焊固定。

（3）调整梁系的平整度后，使用花兰螺栓连接上下两部分吊杆。

4.2 吊顶骨架安装

在罐底板上铺设木方，用于临时支撑吊顶径向梁与中心环梁。将中心环梁的井字梁组装完毕后，吊顶骨架由中心向外安装，先安装径向梁再安装环向梁，梁与梁之间采用筋板及螺栓固定，在螺母侧安装防松垫圈，并对螺母点焊固定。

4.3 压型铝板安装

（1）检查梁系的平整度，无异常变形与弯曲方可铺设压型铝板。从中心环向外铺设压型铝板。压型铝板采用相互重叠方式铺设，重叠部位调整至间隙最小，贴合紧密。

（2）采用φ6mm 铆钉在波峰、波谷重叠位置进行锚固，并用抽芯铆钉将压型铝板与梁翼缘板进行铆接，最大铆钉间距为150mm。

（3）在吊杆与吊顶连接处切制方孔，此处的压型铝板与吊点处的局部加强板铆接，至少保证有8 个铆钉与局部加强板铆接。

（4）所有吊杆与吊顶连接处采用低温胶粘接无纺玻璃布，直至压型铝板波峰处被遮挡；吊顶最外圈压型铝板边缘处采用低温胶粘接无纺玻璃布遮挡。

4.4 加强套筒开孔

（1）所有贯穿吊顶的开孔加强套管，根据图纸方位与半径定位。将加强套筒安放到吊顶开孔处，加强套筒的加强圈与压型铝板波峰接触处采用抽芯铆钉铆接，铆接铆钉间距小于100mm。

（2）加强套筒与梁相碰时，可局部切割加强套筒的下缘以避开碰撞。

5 气吹升顶

拱顶及拱顶附件、吊顶安装后，作为一个整体，在临时大门处使用鼓风机向外罐内鼓风，利用压强差将上述整体气吹升顶到设计位置（图5），焊接固定。气升顶有四个系统，即平衡系统、密封系统、鼓风系统和测量系统，其中密封系统及顶升后临时固定与传统气升顶有很大改变。

图5 拱顶气吹升顶示意图

5.1 平衡系统

平衡系统是利用钢丝绳的张力来控制气升过程中拱顶倾斜角度和水平角度的装置，由钢丝绳、T 型支架、双导向滑轮、锚固吊耳、花篮螺栓和钢丝绳夹等组成，共24 套。钢丝绳由承压环T 型支架垂直向下，穿过拱顶临时密封板到施工单轨固定的双导向滑轮，再到180°对称施工单轨固定双导向滑轮；钢丝绳一端固定在承压环焊接的吊耳上，另一头固定在罐壁上靠近大角缝位置焊接的吊耳上；在承压环顶部0°和90°钢丝绳和吊耳之间设置两个拉力计，调整花篮螺栓使钢丝绳张拉力在9070N 左右。

（1）T 型支架焊接在承压环上，通过吊耳固定钢丝绳一端，另一端通过吊耳固定在罐壁底部。

（2）拱顶不平衡主要由自泵井径向及环向加强梁，拱顶及吊顶的接管套管布置不均匀导致。以0°方向为X 轴正方向，90°为Y 轴正方向，通过不均匀物体的重量和半径，计算不均匀力矩，在拱顶及吊顶上合理放置重物来抵消不均匀重量。考虑拱顶及吊顶局部载荷不能过重，配重设置应点多、单体重量轻，使力矩接近零。大型钢制低温储罐配重达30.88t，平衡力矩X=- 21.8299,Y=72.0737，配重效果较好。

5.2 密封系统

受大型钢制低温储罐拱顶板与承压环对接焊接形式制约，在气顶升后才能安装拱顶边缘板，拱顶板和和罐壁之间约1110mm 的距离无密封。与传统气升顶密封系统不同，大型钢制低温储罐增加2 块临时密封板，通过螺栓、龙门板与拱顶板和拱顶径向梁固定，并用I14 工字钢在靠近罐壁侧进行加强，防止气升顶过程中被吹翻。

为保证拱顶气吹期间的罐体严密性，采用密封装置进行拱顶与外罐壁间的密封。密封装置包括通孔方铁、圆柱销、一次密封（镀锌铁皮）、二次密封（铝箔纤维布）和压条等。

5.3 鼓风系统

在临时门洞位置布置3 台鼓风机向罐内鼓风，利用压强差将拱顶气吹到设计位置。鼓风系统包括风机、电源、门洞封板和进罐通道等。

5.3.1 风压计算

只要拱顶受到的空气浮力大于它的自重，拱顶便可上升，所以理想状态下拱顶气吹的风压与大气压的差值为拱顶自重与罐内空间水平横截面积之比。但实际中由于存在风量损失、拱顶密封装置与外罐壁之间摩擦力等因素的影响，顶升压力的计算必须考虑附加系数，其计算公式见式（1）。

式中：P升——顶升风压，Pa；

P0——标准大气压，Pa；

P平——静平风压，Pa；

P附——附加风压，根据现场经验确定P附=0.04P平。

5.3.2 风量计算

风量是指在拱顶气升到安装位置，罐体内充满使罐体顶升、具有一定压力气体的风量。考虑到漏风损失，需对风机风量进行修正。根据气体方程，温度一定的情况下压力与体积的乘积等于恒量，则有式（2）和式（3）。

式中：Q——进风量，m3；

V——顶升后储罐内总容积，m3；

V0——顶升前拱顶内的初始容积，m3。

考虑到顶升过程中的风量损失，计算进风量时需要加上一个调整系数K，则，风量的计算式见式（4）。

5.3.3 风机选型

拱顶整体及配重的总重量为829t，依据上述风压和风量计算确定风机型号。施工要求拱顶气升速率为200～250mm/ min，这就规定了进风速率和完成顶升行程需要的总时间。由这些参数即可确定风机的参数，从而对风机进行选型。

拱顶气升顶的气压：P＝P平＋P附＝（1+0.04）×P平＝1.04 ×829000kg/ [π ×(35m)2]＝224.028kg/ m2＝224.028×9.8Pa＝2195.5Pa＝219mm（水柱）

风机风量：V＝πD2H1/ 4+V拱＝πD2H1/ 4+1/ 3×π (3D/ 2- h)×h2＝π×702×36.5/ 4+1/ 3×π×（3×70/ 2- 12.271）×12.2712＝140468+14621＝155089m3

V0＝πD2（H1- H2）/ 4+V拱＝πD2（H1- H2）/ 4×π(3D/ 2- h) ×h2＝π ×702×3.1/ 4+1/ 3 ×π ×（3 ×70/ 2- 12.271）×12.2712＝11930+14621＝26551m3

Q＝K（P升V－P0V0）/ P0＝1.35×[（2195+101325）×155089－101325×26551]/ 101325＝178062m3

式中：D——拱顶直径，取值35m；

H1——罐体壁板高度，取值36.5m；

H2——为顶升位移，取值33.4m；

H——拱顶的高度，取值12.271m。考虑35%的空气泄漏量，因此K 取值为1.35。

依据计算结果，以静压为2195.5Pa、风量为59353m3/ h 作为选择风机的参数，取2 台风机同时工作。每个鼓风机均配有上游以及下游阀门，另外再准备1 台风机作为备用风机，3 台风机以柴油发电机作为主供电源，同时接入现场施工用电网。如柴油发电机出现故障，自动转换开关将会立即启动并切换至市电电源，避免因发电机故障而影响气顶升工作。

5.4 测量系统

进行罐内空气压力测量和拱顶上升过程中速度及不平衡度测量。

（1）罐内空气压力采用U 型管压力计进行测量，U型管压力计至少可以读出500mm 水压，设置2 套，一套在风机附近，另一套在拱顶承压环指挥台附近。压力计一端与罐内相通，另一端与罐外大气相通，用透明塑料管制作U 型管，并固定在有刻度标记的木板上。

（2）在对称4 个角度设置50m 卷尺，用于测量拱顶上升数据。一端固定在拱顶上表面，另一端搭在承压环斜板上，每隔3min 进行一次读数，通过公式转换，计算拱顶上升高度、速度和拱顶倾斜，拱顶上升过程中倾斜小于200mm。

5.5 气升顶

选择晴朗风小的天气进行气升顶，各岗位人员分工明确，再次确认各岗位正常后开始鼓风升顶。

（1）启动3 台鼓风机，开启第1 台风机风道闸保持小风量，保证罐内压力小于219mm H2O,其余2 台风机待命。密封检查组进入罐内检查，主要检查一、二次密封状态。

（2）密封检查合格后，开启第2 台风机，第三台风机待命；控制拱顶上升速度250～300mm/ min，拱顶上升超过2m 后，罐内检查人员撤离；第一、二台风机继续鼓风，直至拱顶到达安装位置。气顶升开始和最后1m，控制拱顶上升速度在100mm/ min 内。

（3）拱顶升至距承压环0.2m 时，开始调整拱顶方位，利用倒链、千斤顶使拱顶与承压环标记方位向重合，继续升顶至设计位置，组对人员迅速用楔子将拱顶梁与承压环固定。

（4）拱顶径向梁与承压环组对完成后，焊工进行拱顶梁及与承压环焊接，吊挂支架与拱顶径向梁、承压环焊接。

（5）焊接工作全部完成后，依次关闭风机，缓慢打开放空口，检测拱顶有无变化。

6 拱顶固定

储罐拱顶及配重总质量829t，设计拱顶与承压环固定装置吊挂架，使用HW200mm×200mm×8mm×12mm 型钢改制。单台罐吊挂架96 个，每个径向梁焊接一个，吊挂架与水平面角度θ=37.614°。H 型钢材质为Q235B，焊材型号E43，结构及受力形式见图6。

图6 吊挂架结构及受力分析图

6.1 吊架载荷的计算

固定载荷Sqk=829t，拱顶施工载荷F=10t，按可变载荷控制进行组合，则总载荷：Q总=1.2Sqk+1.4F=1.2×829+1.4×10=1008.8t。

考虑气顶升可能存在波动或震动，取动力系数K=1.2，则总体载荷为Q动=1.2Q总=1.2×1008.8=1210.56t。

拱顶共设置96 个吊挂架，则每个吊挂架所受载荷为：Q’=Q动÷96=1210.56÷96=12.61t。

6.2 主受力钢板A- A 截面积强度核算

钢板Q235B，钢板厚度δ=8mm，则截面积SA-A=250×8=2000mm2。

可见，主受力钢板A- A 截面积强度满足要求。

6.3 焊缝强度核算

钢板Q235B，钢板厚度δ=8mm，焊角高度hf=8mm，焊缝长度lW=250+80×2=410mm。

对于正面角焊缝（作用力垂直于焊缝长度方向），其强度计算见式

可见，焊缝强度满足要求。

7 结论

拱顶安装是钢制低温储罐施工重要工序，气顶升更是拱顶安装的关键节点，是低温储罐由外罐转向内罐施工的标志。大型钢制低温储罐突破原有拱顶安装技术，在气升顶密封系统中设计临时密封板，实现从外罐气升顶，并设计拱顶临时固定吊挂架。辽宁宝来项目第一台10 万m3钢制低温储罐于2019 年7 月26 日气升顶，水柱压力219mm，历时115min 升顶到设计位置。

随着经济发展和石油天然气市场的不断扩大，民营资本开始进入市场，钢制低温储罐建造周期短、适用地域广、安全性高、造价低等优势会受到越来越多资本的青睐，市场前景广阔。例如在不到一年的时间内，辽宁宝来项目使用同样的技术气吹升顶5 台钢低温储罐。因此，有必要总结宝贵的理论数据和实践经验，为华星项目等在建或准备再建钢制低温储挂拱顶安装及气升顶提供宝贵借鉴。