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大型液化天然气储罐拱顶气升关键技术研究

文档作者: 吴旭维 李晋 陶宗宝 于同川        文档来源: 海洋石油工程股份有限公司
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第42卷第5期 2013年9月 石油化工设备 PETR0一CHEMICAL EQUIPM ENT Vo1.42 No.5 Sept.2013 文章编号:1000—7466(2013)05—0089—05 大型液化天然气储罐拱顶气升关键技术研究 吴旭维,李 晋,陶宗宝,于同川 (海洋石油工程股份有限公司,天津300452) 摘要:以国内外最常见的l6万m。液化天然气低温储罐施工为例,介绍了钢结构拱顶气升作业的 工艺流程和操作要点,并对其最重要的平衡系统进行理论研究和量化分析,阐述了平衡系统的纠偏 原理和纠偏能力,得出了平衡系统具有显著的抵抗水平倾覆的能力,但几乎不具有水平偏移和轴向 偏转的纠偏能力,分析结果与工程实际情况相吻合,对今后顶升工艺设计具有一定的参考价值。 关键词:液化天然气;储罐;拱顶;气升;平衡系统 中图分类号:TE 972;TQ 050.6 文献标志码:B doi:10.3969/j.issn.1000—7466.2013.05.023 Research on Air-rising Key Technology of Large Liquefied Natural Gas Tank Roof W U Xu-wei,LI Jin,TAO Zong-bao,YU Tong-chuan (Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,Tianjin 300452,China) Abstract:Taking installation of typical 1 60 000 m。liquefied natural gas(LNG)tanks for exam— pie,the process and operating key points of roof air—rising are introduced,and the leveling system of roof air—rising was focused on the theoretical research and quantitative analysis.It elaborated the principles and abilities to anti—deviation of leveling system,thus conclusionn was made that the leveling system has an outstanding ability to resist roof overturning,and little ability to con— trol horizontal and circumferential displacement,which is consistent with the actual situation,so it's valuable to air—rising process design in future. Key words: liquefied natural gas;tank;roof;air—rising;eveling system E6-1 E7] [8] 蒋小华,黄太安,徐庚,等.利用PDMS软件提升海洋 平台配管加工设计质量[J].中国造船,2012,53 (B2):54—59. (JIANG Xiao—hua,HUANG Tai-an,XU Geng,et a1. Using PDMS to Improve Quality of Tubing Machining Design of Offshore Platform [J].Ship Building of Chi— na,2012,53(B2) :54—59.) 张明.PDS0FT三维配管技术在海洋石油工程上的应 用rJ].管道技术与设备,2012(6):13—14. (ZHANG Ming.The Application of PDSOFT 3D Pip— ing Technology in Offshore Oil Engineering[J].Pipe— line Technique and Equipment,2012(6) :13—14.) 肖修平.三维配管软件在聚乙烯项目中的应用fJ].石 油化工设计,2004,21(1):38—41. (XIA0 Xiu—ping. The Application of 3D Piping Soft— ware in Polyethylene Project[J].Petrochemical De— sign,2004,21(1) :38—41.) [9] 盛勇,刘应尘.PDSOFT三维配管软件简介[J].石油规 划设计,2002(6):47—49. (SHENG Yong,LIU Ying—chen.Brief Introduction of 3D Piping Software PDSOFT[J].Petroleum Planning & Engineering,2002(6):47—49.) l'101刘璇,韩延峰.PDMS三维软件在海洋工程中的应用 FJ].中国造船,2011,52(B1):224—228. (LIU Xuan,HAN Yan-feng.The Application of 3D Software PDMS in Offshore Engineering[J].Ship Building of China,2011,52(B1):224—228.) (杜编) 收稿日期:2013—03—27 作者简介:吴旭维(1982一),男,江苏大丰人,工程师,硕士,从事压力容器及储罐的设计工作。 学兔兔 www.xuetutu.com 石油化工设备 2013年第42卷 2003年至今,国内已陆续建成了近10个液化 天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)接收站。对 于LNG接收站中最主要的部分——LNG储罐,经 过多年攻关,其设计和施工技术已经实现国产 化 。近年来,国内近20台16万m。LNG储罐都 采用了拱顶气升的施工方法,采用该方法,这20台 储罐都在不足3 h的时间内顺利完成气升顶作业, 标志着国内大型储罐拱顶气升技术已经成熟。但气 升顶的平衡系统如布置不合理,不仅增加气升顶难 度,更会带来安全隐患。 1 拱顶气升方案[4.5] 典型的16万m。LNG储罐为全包容型结构(图 1),主要由预应力混凝土外罐、9Ni钢内罐、碳钢拱 顶、铝合金吊顶以及保冷材料等组成。拱顶和吊顶 之间通过拉杆连成一体,待外墙浇筑完成后,利用鼓 风机向拱顶下方输入带压空气,使钢结构拱顶克服 重力和摩擦等阻力,沿着钢丝绳导轨从罐底提升至 罐顶。气升顶过程中主要依靠平衡系统来保持罐顶 平稳,而不至于顶翻,目前国内多采用边缘锚固型 (图2)和中心锚固型(图3)两种平衡系统,两者基本 支架 承压 图1 LNG储罐结构示图 层 图2 边缘锚固型平衡系统示图 图3 中心锚固型平衡系统示图 原理和功能一致,只是钢丝绳走向不同。 2 供气密封系统 从安全性角度出发,拱顶气升工艺的供气系统 至少应具备2台鼓风机和2个独立电源。为方便对 气升速度进行调节,提高施工的安全性,可以选择数 量多而风量小的风机。气升气压P按下式计算。 S—G+ Ff (1) 式中,S为拱顶投影面积,m。;G为拱顶重力,F 为 摩擦阻力,N。 Ff通过理论计算会有较大的出入,一般根据经 验公式F 一(1.2~1.5)G确定(广东LNG储罐拱 顶施工时G 的系数约为1.48,福建LNG储罐拱顶 施工时G的系数约为1.28)。 在计算进风量q 时,泄漏量按20 ~40 考 虑 。密封质量直接关系到风机选型和升顶效 率,拱顶边缘密封是密封系统最重要部分(图4), 以耐磨的镀锌钢板紧贴外墙内壁,其上覆盖聚乙 烯密封层,每隔一段距离以弹性压片压紧以防被 吹翻,其余部分一律用密封胶带密封,以减少空气 泄漏量_8]。 密封胶带 图4 拱顶边缘密封示图 3 平衡系统 ] 由钢丝绳、定滑轮和支架等组成的平衡系统,主 要作用为避免拱顶气升过程中产生过大偏移,根据 各地施工的实际情况,拱顶在气升过程中主要会产 生水平倾斜、水平位移以及周向旋转3种偏移。现 以边缘锚固型平衡系统为例,分析平衡系统在拱顶 气升过程中的纠偏原理和纠偏能力。 3.1 钢丝绳布置与拉力 3.1.1 布置 某项目边缘锚固型平衡系统沿储罐一周均布 28组钢丝绳,每组钢丝绳简化为图5所示几何模 型,钢丝绳高低端固定,径向对称的定滑轮跨距Lz 学兔兔 www.xuetutu.com 第5期 吴旭维,等:大型液化天然气储罐拱顶气升关键技术研究 图5 边缘锚固型平衡系统几何模型 长度不变,钢丝绳长度随升顶高度而变化,则有: L—L14-L24-L3一 √cH z+( ) +√抖( ) (2) 式中,L为钢丝绳总长,L 为钢丝绳高端原长,Lz为 定滑轮跨距,L。为钢丝绳低端原长,H 为高低支点 垂直距离,h为升顶高度,Di为外墙内直径,In。 现以H一38.5 in、Di一82 m、L2—80 in代人式 (2),得到拱顶气升高度与钢丝绳长度的关系曲线, 见图6。从图6可以看出,钢丝绳在高低端的伸长 量很大,因此布置高低支点时,尽量使高低支点和定 滑轮处于同一竖直线上,否则高低支点在竖直方向 上应远离定滑轮一定的距离,使拱顶气升区间位于 曲线中间水平段。 吕 1 器 顶升高度h/m 图6 拱顶气升高度与钢丝绳长度关系 3.1.2 拉力 钢丝绳工作拉力F由钢丝绳的预紧力F 和钢 丝绳伸长所产生的拉力F。构成,即F=F 4-Fz且 需满足F≤F /n(F 为钢丝绳破断力, 为安全 系数)。 平衡状态下,钢丝绳只起导向作用,一旦平衡状 态破坏,预紧力便立刻参与纠偏。因此,一旦钢丝绳 确定,则可以通过提高F 来提高F,也可以通过选 择高强度的钢丝绳以提高F:值来提高F值,从而 提高整个平衡系统的纠偏能力。 3.2 水平倾斜纠偏 10,113 3.2.1 水平倾斜纠偏能力 为便于分析,以图5模型中h—H/2时分析拱 顶水平倾斜对钢丝绳产生的影响。钢丝绳伸长量为 倾角的函数: △L ( )一L】 +L3 一L】一L3一 Di +L2 + H +2HL2sin 一2DiL2COS 一 /Di +L2。+H。一2DjL2 (3) 式中,△L ( )为钢丝绳伸长量,L 为倾斜状态下钢 丝绳高端长,L。 为倾斜状态下钢丝绳低端长,m; 为倾斜角度,o)。 仍以H一38.5 m、Di一82 rfl、L2—80 m代入式 (3),得到水平倾角与钢丝绳伸长量的关系曲线,见 图7。从图7可知,拱顶在产生一个微小的水平倾 角时,钢丝绳的伸长量与倾角几乎成线性关系。由 于钢丝绳工作拉力F几乎垂直于径向2个定滑轮 连线L 。因此,一旦产生水平倾斜,F 立刻产生纠 偏力矩参与纠偏,体现了平衡系统纠编反应很敏感, F 产生的纠偏力矩随倾角的增大而增大,具有控制 较大倾角的作用。 U U.1 U.2 U.3 U.4 U. U.6 U., U.8 U.9 1.U 1.1 ,(。) 图7 水平倾角与钢丝绳伸长量关系 3.2.2 水平倾斜原因及控制措施 水平倾斜是实际工程中最常见的现象,如控制 不当,易造成拱顶倾覆,工程中一般把水平倾角控制 在0.5。以内。产生水平倾斜的原因主要有偏心载 荷、不均匀摩擦阻力、墙体内径公差、钢丝绳长度和 预紧力不一以及风载荷等。引起拱顶水平倾斜的最 大因素为风载荷,当拱顶升至顶部时,风载荷会引起 较大的倾覆力矩。一般情况下,可以通过配重减小 偏心载荷的影响,通过提高外墙内壁的圆度减小不 均匀阻力的影响,使每组钢丝绳长度和预紧力保持 一致,选择风速较小时的天气进行拱顶气升,在拱顶 到达最高位置时,通过杠杆、导链、各种限位块等进 6∞ 4∞ ∞ 0∞ ∞8 ∞6 ∞4 2∞ 置暑/【 ~I7 6 4 2 0 8 6 4 学兔兔 www.xuetutu.com 石油化工设备 2O13年第42卷 行最终纠偏。 3.3 水平位移纠偏 3.3.1 水平位移纠偏能力 以图5模型中h—H/2分析拱顶产生水平位移 时钢丝绳伸长量与水平位移的关系,有: △ (z)一L1 + L3 一L1一L3— 4x 一4(Di— L2)z+ D。 + L2 + H。一2D。L2 4z + 4(Di— L2)z+ Di + L2 + H 一2DiL2 ~/Di +L2 +H 一2DiL2 (4) 式中,△L,l(z)为钢丝绳伸长量,L 为水平位移状态 下钢丝绳高端长,L。 为水平位移状态下钢丝绳低端 长,z为水平位移,m。 仍以H一38.5 m、D ===82 m、L2—80 rn代入式 (4),得到水平偏移量与钢丝绳伸长量之间的关系曲 线,见图8。从图8可见,即使水平位移达到1 m 时,钢丝绳伸长量也不足100 mm,而根据某项目储 罐结构,拱顶与外墙内壁之间的间隙在100 mm以 内,因此,钢丝绳伸长量可以忽略不计,即F 几乎 等于0,而钢丝绳拉力的水平分量为F 一Fsin(A+ a)(仅以图5上端钢丝绳为例),因此即使F足够 大,能起纠偏的水平分量F 也很小,这说明平衡系 统对水平位移的纠偏能力非常有限,可以忽略不计。 U 150 300 450 600 750 900 1 050 1 200 水平偏移量x/mm 图8 水平偏移量与钢丝绳伸长量之间关系 3.3.2 水平位移原因及控制措施 拱顶在气升过程中,水平倾斜的同时也会产生 水平位移,钢丝绳受力不等会导致水平方向的合力 不为0,拱顶到达最高位置时,风载荷会引起较大的 水平位移。当把拱顶外缘与外墙的间隙控制在很小 的范围内时,可以减小水平位移上限,但间隙过小必 然增大拱顶气升时摩擦阻力,甚至出现卡死,影响气 升效率。 当拱顶上升到最高处时,可以人工通过杠杆、导 链等工具进行调节。 3.4 周向旋转纠偏 3.4.1 周向旋转纠偏能力 根据拱顶周向旋转几何模型(图9),仍以h— H/2时分析拱顶周向旋转时钢丝绳的伸长量,得出 以下公式: AL (I8)一L1 +L3 一JL1一L3一 ~/Di +L2 +H 一2DiL2COS 一 二 (5) 式中,△L ( )为钢丝绳伸长量,L 为周向旋转状态 下钢丝绳高端长,L。 为周向旋转状态下钢丝绳低 端长,m; 为周向旋转角度,(。)。 图9 周向旋转几何模型 仍以H===38.5 m、D 一82 m、L2—80 m代入式 (5),得到周向转角与钢丝绳伸长量的关系曲线,见 图1O。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 卢/(。) 图1O ,l青I向转角与钢丝绳伸长量的关系 从图10中可以看出,拱顶在产生一个微小的周 向转角时,钢丝绳的伸长量与转角几乎成线性关系。 比较图7和图1O,不难发现在同样的偏角下,钢丝 绳伸长量几乎相同,但不同的是,此时钢丝绳能起到 纠偏作用的周向分量仅仅是Fsin),(),为钢丝绳在 圆周切向上的正弦角),当倾角很小时,几乎没有纠 偏能力,由此可见在整个拱顶气升过程中,平衡系统 对周向纠偏的作用也很有限。只有在拱顶到达最高 伽瑚咖咖枷伽旨基,【q JJ: 鲫加∞ ∞ ∞ ∞ 加m uv一 I7q 肇鳃 器 学兔兔 www.xuetutu.com 第5期 吴旭维,等:大型液化天然气储罐拱顶气升关键技术研究 · 93 · 位置,且周向偏角较大时,纠偏能力才能慢慢凸显出 来,而实际工程中,周向没有稳定的载荷作用,不会 产生过大的周向转角。 3.4.2 周向旋转原因及控制措施 与拱顶水平倾斜和水平位移不同,拱顶在气升 过程中没有直接可以导致周向旋转的外力作用,而 实际过程中由于管壁与拱顶的不均匀摩擦,一些偏 心载荷和风载荷引起的随机旋转,时常也会产生很 小的周向旋转。在拱顶到达最高位置时,可通过人 工微调。 4 结语 (1)布置平衡系统时,钢丝绳高低固定点应远离 拱顶的定滑轮,以减少钢丝绳升顶时额外负载。 (2)为提高平衡系统纠偏能力,可以采用增大钢 丝绳预紧力和提高钢丝绳强度的方法,而增大预紧 力的效果较为直接和明显。 ’(3)对于一个微小的位置偏移,平衡系统具有显 著的水平倾覆纠偏能力,但对于水平位移和周向旋 转的纠偏能力几乎没有。 (4)在拱顶气升接近最高位置时,风载荷是造成 罐顶倾斜的主要因素,平衡系统可以控制较大的偏 移,但较小偏移还需人工进行调整,因此应选择风速 较小的天气进行气升作业。 参考文献: I-1] 李建军.LNG储罐的建造技术[J].焊接技术,2006,35 (4):54—56. 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