全包容式低温罐穹顶气升施工措施

摘要 乙烯低温罐采用为全包容罐已经成为国内乙烯低温罐主流。该类低温罐外罐为圆筒状预应力钢筋混凝土结构，墙体上端设承压环，底板和穹顶混凝土结构中无预应力体系。本文对全包容式低温罐穹顶气升施工措施进行了论述。

关键词 石化工程；全包容罐；低温罐

中图分类号TE8文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）54-0144-03

1 概述

桩基以上部分由罐底板、筒体墙、环梁和穹顶组成，混凝土穹顶下设拱状球形结构金属拱顶，由径向梁和环向梁组成网架结构，网架上铺设外罐顶板。储罐混凝土外罐壁内侧有一层防潮板（通过预埋件贴在外罐壁内侧并进行密封焊接），罐底由三层钢板及保冷层组成，最下层底板为防潮板，中、上两层底板为低温钢材质，每两层底板间铺设泡沫玻璃砖保冷层。内悬挂顶为铝合金平顶结构，通过吊杆悬挂在外罐拱顶主梁上。罐壁无接管，所有管线都由罐顶开孔与罐内连通，罐内管线、吊挂以及平台走道材质为SS304。吊顶保温和壁板保温使用玻璃纤维，外墙和内罐间填充珍珠岩。

该类储罐混凝土穹顶下方钢穹顶由于安装重量大，安装高度高，故基本采用将钢穹顶在底部制作完成，然后采用气升的方式就位。

2 主要施工程序

低温罐穹顶及悬顶在混凝土罐内底部安装临时支撑，在临时支撑上进行穹顶及悬顶的组装。气升前要求除穹顶梁与承压环连接筋板、悬顶外边缘与内罐连接盖板、罐顶接管不安装外，其余所有部件均安装完，接管套管、盖板及补强板、无套管接管及法兰、穹顶上方所有剪力钉均需全部安装完，检试验完。

穹顶（悬顶）制作→平衡装置安装→密封装置安装→封门及风机安装→预气升→气升→穹顶就位→穹顶与承压环焊接→密封装置及风机拆除。

3 主要施工措施

本次低温罐穹顶设置14根钢丝绳作为平衡装置，上端利用吊耳固定在承压斜板外边缘，下端穿过穹顶后固定在对面环向预埋件上。穹顶下方周边安装密封装置。主门洞设置风道，安装2台鼓风机，其中1台备用。小门洞设置人员通道，通道设置两道门，中间为减压舱（见密封系统）。门洞密封板与混凝土罐内壁预埋件焊接，密封板材质与预埋件材质相同。示意图如下：

罐顶气升平衡系统图

3.1 平衡装置

从外罐承压环上均匀设置14个平衡装置临时支撑，并用钢丝绳由临时T型支撑经外罐顶边缘设置的滑轮转至穹顶下方，再设置滑轮引至外罐底部环向预埋件固定端上锁紧。在安装过程中一定要保证14根钢丝绳的绷紧，且各根钢丝绳的松紧程度一致，以保证罐顶在各个方向所受的力相等。

3.2 密封系统

拱顶边缘密封：将U形夹安装在拱顶下部边缘上密封，间距为400mm~500mm。将密封材料嵌入U形夹中并使用铁丝绑扎牢固，密封材料之间使用胶带粘贴牢固；密封材料与拱顶之间采用胶带粘结。

密封材料选用密封帆布，宽度为1.6m，对折后内覆13×13×1的钢丝网作为弹性支承，两层密封帆布之间涂抹粘结剂，使两层密封帆布粘结在一起，安装在穹顶盖板外边缘下部，段与段之间采用搭接形式连接并利用胶带粘结。密封布外侧附加一层0.5mm白铁皮以增加密封强度。

混凝土墙临时门洞密封：用钢板封闭大小临时门，为增强临时门密封板的刚性，采用型钢作为临时门密封板加强筋。

拱顶人孔、各接管的管口封闭，对于直径大于500mm的接管及套管密封板，外侧应增加十字筋增加强度，防止在气吹过程中发生变形。

3.3 风机系统

根据风机图纸制作风道并正确安装风机（包括1 台备用），根据风机参数配备发电机（含备用）。风机安装在主洞口附近地面，地面采用混凝土硬化，并预埋地脚螺栓，将风机固定在地面上并确保风机正常运行。风机出口采用风道通过主洞口密封板进入罐内。在风道上正确安装控风板，以控制进入的风量。为防止风机震动影响风道及大门密封质量，可在控制阀后面风道上增加软连接。

3.4 吹升准备

1）外层混凝土罐体浇注完成，且必须保证上部混凝土环梁的强度达到要求。对混凝土罐体的内径允许偏差、椭圆度、垂直度、是否存在凸起或是较大的凹坑进行复验；

2）环置在外层水泥罐体顶部的承压环的焊接工作应完成，椭圆度，标高，内径允许偏差是否都在规范的要求之内。混凝土环梁应预应力施工完；

3）拆除穹顶与临时支撑的连接；

4）设立监控系统：罐顶气升前罐内压力监测系统安装完毕（罐顶和临时大门处各安装一个“U”型管压力计）用于监测气升期间罐内压力；

5）罐顶气升平衡性观测尺安装完毕，气升过程中随时根据现场情况调整平衡配重，如一侧发生较大的倾斜，可利用塔吊向罐顶倾斜的相反方向加一定重量的钢筋进行现场调整。如平衡配重计算准确，这种问题一般不会发生。

3.5 吹升

1）经检查确认吹升准备工作已全部就绪后，检查确认所有的设备和人员就位，气顶升即将开始时，确认鼓风机及电源在正常工作状态；

2）启动鼓风机，慢慢增加风量达到压力顶起罐顶；当罐内的风压使罐顶缓缓上升时，位于罐顶的人员要读取四个位置尺的数据判断罐顶上升时是平衡的；

3）继续送风和监控罐顶的上升情况，密切关注罐顶密封情况和平衡状态，同时检查确认导向钢丝绳工作正常，并确认罐顶一直保持在平衡状态；

4）根据罐顶上升的速率和上升的过程中罐顶的平衡状态，可适当的调整风机的进风量，加快罐顶的上升速率，但上升速率不宜过快，升速在200mm/min~300mm/min为宜；

5）当罐顶距就位处还有2 000mm 时，将罐内风道进风口阀关小，用于调整罐顶的上升速率，使之逐渐减小，以便利用这段时间对罐顶方位进行检查、调整和最终的罐顶与承压环之间的组对安装；

6）当罐顶盖板与罐顶承压环下表面贴紧后，迅速的将斜楔铁板插入龙门板中完成罐顶的锁紧就位工作。在这期间风机继续向罐内送风，可适当增加风机进风量，使顶板与承压环斜板贴实，并保证罐内有足够的压力维持罐顶上的焊接施工。安排多名合格焊工，首先快速焊接承压环板与罐顶压环板之间的角焊缝一遍；

7）当所有焊缝焊接完成后，再次向罐内送风使罐内压力达到设计压力进行罐顶的严密性试验，并经QC部门确认之后，方停止鼓风机作业，气顶升完成；

8）严密性试验通过后，可以停止风机，将罐临时大门和罐顶的人孔打开，使罐内同外部相通，防止罐内负压过大导致危险。

3.6 罐顶气升计算

1）罐顶气升时的重量计算

罐顶气升时的重量包括所有随罐顶气升的结构件及临时构件的重量之和，以G来表示，见下表（以宁波瑞福特气体储运有限公司20 000m3低温乙烯终端和配套公用工程20 000m3低温管为例）：

表1罐顶气升重量计算表

序号构件/附件名称数量重量（kg）备注

1穹顶梁（含中心环）165402

2穹顶板（含中心板）153297

3剪力钉1351

4内部轨道13600

5铝吊顶112491

6铝吊顶加强圈16981

7铝吊顶拉杆12200

8铝吊顶通道及人孔1643

9罐顶套管及补强板6215224

10配重210000

11平衡系统附件11000估算值

12密封装置11000估算值

罐顶气升时重量（G）173189

2）罐顶气升平衡计算

罐顶气升原理图

储罐罐顶为球冠结构，在储罐混凝土墙内侧距罐内地面约6.87m高处进行组装，整个罐顶组装焊接成整体后，在靠近外墙的罐顶边缘部位安装密封装置，使罐顶和外墙形成一个柔性的、可滑动的密封空间，采用鼓风机向该密封空间内充入压缩空气，利用压缩空气的提升力将罐顶托起，到达混凝土顶部的承压环位置，完成组对焊接。气升原理图见上图。

在罐顶气升时，整个罐顶在水平面上的投影受到气体向上的推力，当推力等于罐顶重量时，所需的气体压力P由式1计算：

式1：P =g×G/S=4gG/πD2

式中：P为空气压力与罐顶重量相等时的平衡点压力，表压，Pa；

g为力学常数，9.8N/kg；

G为罐顶重量，kg，G＝173189kg；

S为气升时罐顶受力面积，m2，S＝πD2/4；

D为混凝土罐壁内径，D＝35m。

通过计算，P＝1764Pa。

在气升过程中，由于罐顶柔性密封和混凝土罐壁间的摩擦产生的滑动摩擦力的影响（滑动摩擦力的计算不在此叙述），实际气升压力P′≈1800Pa。

3）罐顶气升气体流量计算

在气体压力达到P′后，罐顶开始向上升起，假定P′保持不变，则柔性密封与混凝土外墙间的正压力不变，则滑动摩擦力不变，罐顶处于一个匀速滑动的状态，此时整个系统处于动态的平衡，所需气体流量Q按式2计算：

式2：Q＝△V（P0＋P′）/ P0

式中：Q为标准大气压下的气体流量，m3/小时；

△V为罐顶与混凝土所形成的密闭空间在单位时间内的体积增加量，m3/小时，按气升过程用时t=2小时来考虑，△V=hπD2/4 t=9 491m3/小时；

P0为标准大气压，P0=1.01×105Pa。

经计算，Q=9 660m3/小时，考虑柔性密封及其它部位的泄漏量，取1.2倍的系数，则气升时所需实际气体流量Q0=1.3Q=11 592m3/小时。

4）平衡系统工作原理

（1）中心对称平衡原理

整个罐顶气升时处于漂浮状态，没有任何的固定支点，因此，必须保证所有构件在平面投影上重量分布对于罐顶中心的力矩平衡和重量平衡。

（2）平衡系统工作原理

如果罐顶始终处于平稳状态，罐顶构件分布满足中心力矩平衡和重量平衡就能保证罐顶平稳的升起。但是，一旦罐顶发生倾斜，罐顶构件的力矩平衡和重量平衡就会受到破坏，罐顶平衡状态将会向进一步恶化的状态发展，最终导致失稳破坏。因此，罐顶气升还需要一套平衡系统，以达到随时对罐顶的倾斜、水平方向上的转动进行纠偏和校正，保证罐顶的平稳升起的目的，平衡系统工作原理图见下图：

罐顶气升平衡系统图

该平衡系统的钢丝绳上涂润滑脂，用手动葫芦进行预拉伸后，两端用固定锚栓、内罐锚带进行固定，用锁紧锚栓锁紧。平衡系统工作时，对两种情况起到校正作用：一是罐顶向某一方向倾斜，该方向上的平衡系统钢丝绳将被拉长，产生的反作用力将对倾斜进行校正；二是罐顶在水平方向上的转动，则所有钢丝绳将被拉长，产生的反作用力将对转动进行校正。

4 HSE 控制措施

1）在气顶升时，在上部的人员不要停留在T 型架和平衡钢丝绳固定点的附近（距离1m以外）；

2）在各区域设置安全标志，各隔离绳、警戒线等都应当安装好。应当张贴清晰的标志以防止没有授权的人员进入；

3）手电和对讲机应当准备好并且状况良好，在使用前应当对紧急情况设备进行检查；

4）在抗压环上安装防护栏杆，用钢丝绳连接成一圈生命线，防止施工人员高空坠落；

5）所有作业的相关人员都进行了安全作业程序的培训，并且理解该程序的内容，同时也被告知要遵守这些程序，严禁未培训的人员和其他未经许可的人员进入参观；

6）在开始升顶前，应当召开班前会，以保证每个人都了解自已的工作，责任，气顶升流程，风险评估，并配备正确的个人劳保用品；

7）应当关注天气预报，争取在晴好的天气下进行气顶升。