两种储罐气顶升平衡系统的应用

左继泽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

全容储罐作为目前存贮液化天然气(LNG)的主力储罐，其外罐为钢结构预应力混凝土，内罐为X7Ni9镍钢[1]。在整个大型全容储罐的建设中，储罐罐顶(拱顶)的安装是一项十分重要的环节。目前常常采用气顶升的方式，即把在地面组装完成的储罐罐顶钢结构和下部铝吊顶一起顶升至外罐抗压环处，然后在保持罐内气压的情况下完成固定和焊接工作[2-3]。

气顶升是储罐建设中重要的关键节点和风险控制点，其施工工艺涉及因素多、技术要求高、施工难度大。其装置主要包括平衡系统、密封系统、风机系统、通讯系统和监测系统这五大类[4]。在顶升的过程中，罐顶钢结构处于受力平衡的匀速上升状态，罐顶无任何实体的支撑，完全依靠由鼓风机鼓入罐内的空气所产生的压力来支撑。因此，罐顶上任何部位的不均匀受力都将打破罐顶的平衡状态，若不能及时矫正必将导致罐顶的倾覆翻转，造成重大的安全事故[5]。

1 概况介绍

平衡系统就是用来控制罐顶稳定性的一套装置。主要由安装在抗压环上的T型支架、顶部锚固件、底部锚固件、中间导向滑轮组和定长钢丝绳组成。在某接收站20万立方米大型LNG全容储罐建设中，采用了两种气顶升平衡方式，一种为底部边缘锚固平衡法(简称“边缘法”，如图1(a))，另一种为底部中心锚固平衡法(简称“中心法”，如图1(b))[6]。此两种平衡方式都是在抗压环顶部与拱顶纵梁对应的位置焊接24个均匀分布的T型支架，其两端均有定滑轮，每个T型支架上都配有一组钢丝绳，钢丝绳的一端通过定滑轮连接在外罐墙体锚固吊耳上，拉力计安装在储罐0°、90°、180°、270°四个对称方位的钢丝绳上。

图1 两种气顶升平衡方式示意图

对于边缘法来说，T型支架焊接完毕后采用线坠或激光法将钢丝绳安装位置垂直投影在拱顶衬板上，用记号笔做好标记后进行开孔，使钢丝绳能够通过顶衬板到达罐内，然后在对应的拱顶边缘下部配套安装有24个并排双向转向滑轮(简称“双向滑轮”)，对应位置处的外罐墙体第一圈环向预埋件焊接有24个临时吊耳。从T型支架另一端下来的钢丝绳穿过孔洞，通过双向滑轮引向对称方向的第二个双向滑轮处，然后固定在底部的临时吊耳上。对于中心法来说，同样用线坠或激光法将钢丝绳安装位置垂直投影在拱顶纵梁上，不需开孔，但需要在其上部所对应的适当位置焊接24个临时吊耳，每个临时吊耳上都栓有转向滑轮。在拱顶中心位置安装着由24个转向滑轮组成的中心滑轮组，在储罐承台混凝土中心位置提前布置好底部中心锚固支架。同时，在拱顶纵梁边缘临时吊耳和拱顶中心转向滑轮的中间平均分布着2个导向滑轮，有24根主纵梁，因此共48个导向滑轮。从T型支架另一端下来的钢丝绳经过转向滑轮改变方向，然后通过拱顶纵梁上的两个导向滑轮引向拱顶中心方向，在中心滑轮组处再次改变方向引至底部中心锚固支架上。两种气顶升平衡方法都是利用定长的钢丝绳张力来控制气顶升过程中拱顶倾斜角度和水平位置，来达到防止罐顶发生翻转的目的。

2 对比分析

2.1 顶升重量分析

案例分析皆以此接收站20万立方米大型LNG全容储罐为参考。拱顶上的所有设施和临时附件都是相同的，且规定两种平衡方式上的配重均为15 t。在具体数据分析之前，结合图1可以很容易看出，中心法与边缘法相比，需要更多的导向滑轮，但所需的钢丝绳长度却短了许多(中心法105 m，边缘法150 m)。同时发现，并不是所有的钢丝绳重量都由拱顶承担，T型支架和罐壁外墙混凝土上的锚固吊耳会承担相当一部分，因此在计算时，会把两种平衡方法中钢丝绳一半的重量算进气顶升的总重量里。分析完这些，把具体顶升所需的重量值数据汇总，编制成表1。从中不难发现，两种平衡方法所需要的气顶升总重量相差约1.5 t，几乎可以忽略不计。

表1 两种平衡方式的顶升重量

2.2 钢丝绳张力分析

在顶升过程中，绳子的张力不是恒定的，这主要取决于拱顶的平衡状态，以及拱顶在不同时刻的位置。这是因为在顶升过程中所需要的绳长会发生变化，但是钢丝绳的长度为定值，因此就会造成钢丝绳拉伸或松弛[7]。为研究方便，对实际情况进行简化，即只研究一组钢丝绳。如图2所示，在未顶升(或刚开始顶升)时拱顶所处的位置记为位置1，在某一时刻拱顶所处的位置记为位置2。

图2 两种平衡方式张力分析示意图

2.2.1 边缘法钢丝绳张力分析

如图2左所示，在位置1时，钢丝绳位于点ACDE处；在位置2时，钢丝绳位于点ABFE处。在顶升过程中，AC段会逐渐变小至AB，DE段在逐渐增大至FE，CD段和BF段的长度是保持不变的。因此在顶升中，钢丝绳的变化量主要取决于BC段和(FE-DE)变化的相对大小。

若拱顶以v的速度顶升了一段时间t，则BC段(相当于FD段)长度为vt，那么：

对式3求关于时间t的导数，简化后得到式4：

式中：v为拱顶顶升速度(m/min)；t为顶升时间(min)；a为F点和E点的水平距离(m)；b为D点和E点的垂直距离(m)。

根据三角形三边关系可知，在三角形FDE中，式(3)恒大于0。式(4)中的分式为真分式，即式(4)恒大于0，因此可知，BC段与(FE-DE)的差值会随着顶升时间t的增大而变大，即拱顶在顶升过程中，所需的钢丝绳长度会逐渐变短，这在定长的钢丝绳上，则表现为逐渐变小的钢丝绳张力。

2.2.2 中心锚固法钢丝绳张力分析

如图2右所示，在位置1时，钢丝绳位于点ABCDEF处；在位置2时，钢丝绳则位于AB'C'D'E'F处。可以看出，BCDE与B'C'D'E'长度是一致的，随着顶升，AB段逐渐减小至AB'，而EF段逐渐增加至E'F，两者变化的长度均为拱顶顶升的高度vt。因此在罐顶不发生倾斜的情况下，此种平衡方法不会对钢丝绳的张力造成影响。

2.3 拱顶受力分析

以上的分析是把拱顶当作不可变形的刚性整体，但实际上钢丝绳的应力会对拱顶形状造成影响。以拱顶中心为力矩作用点，钢丝绳在与拱顶的连接点上都会对拱顶产生力矩的作用，这往往会使拱顶钢结构发生变形。在此之前，需先计算钢丝绳上的应力。其应力由预应力和摩擦力组成，由式5可算出钢丝绳上的应力，即N为14.21 kN。

式中：N为钢丝绳上的应力(kN)；N预应力为预先施加在钢丝绳上的预应力(kN)；N摩擦应力为顶升过程中对钢丝绳产生的摩擦应力(kN)；为动摩擦系数，这里取0.15；为顶升需求应力(Pa)，该项目为1624 Pa；为顶升面积(m2)，5944 m2，r取43.5 m；n为钢丝绳组数，24；为顶升重量(N)，为计算方便，两种平衡方式的顶升质量均为900 t，顶升重量则为8820 kN。

2.3.1 边缘法拱顶受力分析

钢丝绳对单侧拱顶的作用点只有双向滑轮这1处，同时拱顶单侧受到钢丝绳的力并非来源于同一根钢丝绳，而是两根对称方向的钢丝绳共同作用的。为分析方便，忽略双向滑轮直径对钢丝绳转向后方向的影响，假定钢丝绳从T型支架下来经过双向滑轮后，钢丝绳的方向变为水平，即转变的角度为90°，钢丝绳对拱顶上单个双向滑轮受力分析如图3所示。因此：

图3 单个双向滑轮受力分析

垂直方向：

水平方向：

以拱顶中心为作用点，那么垂直方向力产生的力矩：

水平方向力产生的力矩：

式中：FV为垂直方向受力(kN)；FH为水平方向受力(kN)；MV为垂直方向的力对拱顶中心产生的力矩（kN·m）；MH为水平方向的力对拱顶中心产生的力矩(kN·m)；θ为CD段与垂直方向的夹角(°)；L1为钢丝绳作用点与拱顶中心的水平距离(m)；L2为钢丝绳作用点与拱顶中心的垂直距离(m)。

实际上，L1的长度为43.5 m，L2的长度为11.7 m，即：

那么单个双向滑轮上受到的力对拱顶中心产生的合力矩为：

式(11)关于θ进行求导，结果为：

因为CD段与垂直方向的夹角在0～90°之间，由式(12)可以看出，其值恒小于0，即随着在顶升中夹角的减小，单个双向滑轮上的力对拱顶中心产生的合力矩则会逐渐增加。

如图3所示，在未进行顶升前，θ为最大值；在顶升即将结束时，θ为最小值。结合拱顶在顶升前的边缘支撑高度(近似为b值)为2 m，双向滑轮距离罐壁1.35 m(近似为a值)，顶升高度为43 m。那么可计算出CD段与垂直方向的夹角θ最大值和最小值，分别为34°和1.8°，进而计算出单个双向滑轮上受到的力对拱顶中心产生的合力矩最小为125.90 kN·m，合力矩最大为326.97 kN·m(方向均向内)。则24组双向滑轮对拱顶中心产生的最大总力矩则十分巨大，在一定程度上会使拱顶发生向内弯折的现象。

2.3.2 中心法拱顶受力分析

钢丝绳对单侧拱顶的力的作用点有4处，即在拱顶单侧的4个滑轮处(分别为①号、②号、③号和④号)，如图4所示。这里认为4个滑轮在水平方向上是均匀分布的。从图中可知，拱顶单侧受到的力来自同一根钢丝绳，且钢丝绳在各滑轮处的方向不会随着顶升而发生变化。则可利用式(13)～式(20)计算出拱顶单侧垂直方向和水平方向上的合力：

图4 单根钢丝绳对拱顶单侧的受力分析

①号滑轮(先垂直，后水平，下同)：

②号滑轮：

③号滑轮：

④号滑轮：

式中：θ1为①号滑轮右侧钢丝绳与水平方向的夹角(°)；θ2为②号滑轮右侧钢丝绳与水平方向的夹角(°)；θ3为③号滑轮右侧钢丝绳与水平方向的夹角(°)。

经计算，无论在垂直方向还是水平方向上，单根钢丝绳对拱顶单侧的合力都相互抵消。接下来看力矩的影响。相邻两个滑轮的水平距离为14.05 m，那么4个滑轮与拱顶中心的水平距离和与拱顶中心的垂直距离是可知的，由此计算出θ1、θ2、θ3，进而计算出各处受力点所产生的力矩大小，把结果汇总为表2。

表2 受力点处对单侧拱顶的力矩计算

表中可知，单根钢丝绳对单侧拱顶产生的合力矩为546.53 kN·m，其对单侧拱顶造成的合力矩相比于边缘法的最大值还要大，但是方向相反，对拱顶产生向外劈分的作用。

2.4 其他因素分析

两种平衡方式对比中，边缘法有以下两个缺点。(1)钢丝绳和衬板孔洞之间会产生摩擦，导致钢丝绳磨损，严重时甚至会导致平衡系统失效。(2)需在罐壁纵向预埋件上焊接24个吊耳，而纵向预埋件的作用是为外罐壁板的安装提供焊接位置，本身是承重的。若顶升过程中发生问题导致钢丝绳应力骤增，将会对预埋件的质量造成不可逆的伤害。而对于中心法，就不用担心上述两类问题，但需提前规划好中心锚固支架的位置，并在承台浇筑之前把锚固支架的预埋件埋入承台之中。

3 结语

(1)两种气顶升平衡方式在顶升重量上差别不大，均约为900 t。

(2)在钢丝绳应力变化上，边缘法的钢丝绳的张力会随着拱顶的顶升而逐渐变小，但钢丝绳本身是有预应力的，张力的变小并不会对平衡装置的作用发挥造成什么影响。同时，张力最小处也就是顶升即将结束的时候，对于整个气顶升施工环节也不会有影响。而中心法的钢丝绳张力在整个顶升期间不会发生任何变化。

(3)在拱顶受力上，边缘锚固法的拱顶受到越来越小的向上拉力和越来越大的向心拉力。而中心法的拱顶整体受力几乎抵消，但力的作用点处会对拱顶造成力矩的作用，且其合力矩几乎是边缘法的1.6～4.4倍。24组钢丝绳产生的合力矩虽然在拱顶材料的抗弯曲能力范围内，但是在拱顶顶升过程中，过分的内弯会使得拱顶边缘与罐壁间隙过大，过分的外分会使得拱顶边缘密封材料与罐壁过分挤压，这两种现象都可能会对拱顶的顶升造成严重的影响，甚至造成安全事故。同时，焊接工作是在保持罐内气压的情况下完成的，即拱顶的变形会随着焊接结束而保留下来，这样会与设计的原定标高造成一定的出入。为此，采用边缘法时，应建议在拱顶中心位置增加配重，来抵消平衡系统造成的内弯变形；采用中心法时，应建议在拱顶边缘处增加配重，来抵消平衡系统造成的外翻变形。

(4)在其他方面，采用边缘法时应注意在拱顶衬板开孔处填充防磨材料，以防止顶升过程中对钢丝绳造成的磨损。同时还要对罐壁竖向预埋件进行加固，以防顶升时对其造成不可逆的伤害。