大型LNG全容储罐新型铝吊顶方案研究

    张博超 范嘉堃 翟博

    摘 要：通过探究传统低温LNG储罐铝吊顶结构及正常操作工况下应用效果的不足之处，提出一种新型吊顶方法，新型铝吊顶由框架、波纹板和吊杆组成新型吊顶系统，在保证原有结构稳定的前提下，使吊顶结构的安全系数显著提升，吊顶施工工期显著下降。

    关键词：LNG储罐；新型铝吊顶；拉杆

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.081

    1 引言

    随着天然气应用的推广，部分地区和行业对天然气资源的依赖程度也相应增加，城市用户和天然气电厂用户在不同季节，不同时段对天然气需求波动较大，而目前管道气储气调峰能力有限，一旦发生供应短缺，很多用户短期内很难转而使用其它替代能源，由此会产生巨大的社会压力。

    因此，建立LNG调峰储运中心，依靠LNG储罐进行调峰存储，集约投资建设大型LNG储罐，对于保障国内天然气市场供气的连续性和稳定性，保障民生、推进生态文明建设、创建和谐社会是非常必要的，而新型铝吊顶在大型LNG储罐的应用将助力国产化储罐核心技术的提升。

    2 传统低温LNG储罐铝吊顶结构

    传统的LNG全容储罐，内罐为顶部敞开结构，材料为X7Ni9钢，内罐直径 80余米 ，常温下高度 30余米。内罐顶部吊材质为铝合金板，与拱梁通过不锈钢拉杆连接。吊顶为储罐承接内外气相空间，隔绝上部空间热量传递的重要结构。

    吊顶的主要功能是为吊顶绝热系统提供相应的支撑，故其应确保外罐顶温度不低于其设计温度，避免出现结冰现象，防止因结冰而出现过度罐顶荷载[1]，并控制BOG蒸发量。保冷和支撑结构应杜绝保冷材料进入罐内，吊顶两侧的压差不超过一定压差。

    吊顶板材料为铝合金，吊杆应为不锈钢，最低设计温度-168℃。吊顶板边缘为密封封板结构，以防止珍珠岩粉末流入罐内。吊顶最外圈圈拉杆外侧设置珍珠岩粉末擋板，挡板需保证储存足量珍珠岩粉末，且防止粉末流动到吊顶上。

    3 传统吊顶存在问题

    为了研究传统铝吊顶存在的问题，对储罐吊顶进行了详细计算。

    3.1 模型建立

    吊顶模型分析了铝制吊顶在所有荷载作用下产生的变形位移和吊顶表面的应力值。模型的建模分为三部分进行建立：吊顶铝板、加强环、拉杆。

    吊顶模型采用壳单元进行建立。材料属性为B209 5083-O，铝板厚度为5mm，几何模型如图1所示：

    吊顶加强环采用梁单元进行建立，材料属性为B209 5083-O，1-11圈加强环梁单元截面为矩形，尺寸为200mm×18mm，第12圈加强环为T型截面，几何模型如图2所示：

    吊顶拉杆采用梁单元进行建立，材料属性为A276 Gr 304 L，梁单元截面为矩形，尺寸为50mm×8mm，几何模型如图3所示：

    3.2 材料属性

    计算共设两种材料属性，其中吊顶铝板及加强环采用B209 5083-O，吊杆采用A276Gr 304 L。两种材料属性如表1所示[2]：

    3.3 施加荷载

    （1）吊顶自重：吊顶自重主要包括吊杆、吊顶、加强环的自重，通过在重力方向添加重力加速度来施加，施加的加速度为9.8m/s2。（2）保冷荷载：在吊顶上布置1.5米厚保冷材料，保冷材料密度16kg/m3。在计算中铝板上表面施加240N/m2均布面荷载。（3）施工荷载（均布）：根据EN 14620-1 7.3.2.2.2节规定，在铝板上表面施加500N/m2均布面荷载[3]。（4）施工荷载（集中）：根据规定，铝板需能承受1500N的集中荷载。在吊顶计算中，在每圈铝板中心位置施加1500N的集中荷载。

    3.4 应力与位移计算

    吊顶应力云图如图4所示：

    传统吊顶材料为铝板，采用单面搭焊连接。根据EN14620-2 5.2.1.3.1规范，单面搭焊铝板许用应力系数为0.35[3]，因此吊顶铝板许用应力较低，根据相关项目计算结果，吊顶铝板处计算最大应力与许用应力相差较小，安全系数较小。

    因此提高吊顶强度，可增加吊顶安全系数，减少吊顶材料用量。从提升吊顶强度和设计安全系数的角度出发，考虑采用波纹板代替平板结构能够显著提高吊顶承载能力。

    4 新型吊顶

    LNG储罐吊顶采用铝板安装制作，安装过程中铝板采用焊接形式连接。波纹板吊顶采用铝制型材，制作吊顶径向梁和环向梁，代替传统吊顶型形式中的吊顶加强筋，在吊顶径梁和环梁上铺设铝制波纹板。波纹板与吊顶梁间采用紧固件进行连接，并在吊顶保冷材料下方增设一层铝箔，保证吊顶的气密性。目前波纹板吊顶结构形式，已在中石油江苏LNG等项目进行应用[4]。

    4.1 吊顶材料及安装

    波纹板吊顶径向梁、环向梁、波纹板均为铝、吊杆及连接件为不锈钢。纵梁、环梁、波纹板及吊顶拉杆的预制均在预制厂完成，现场只进行安装工作。通过预制，现场无焊接工作，吊顶质量便于控制，同时可减少现场焊接等受限施工工作，减少现场人员及机具使用量，减少施工周期。

    波纹板吊顶安装时，先进行材料预制及制作，根据吊顶具体参数，将吊顶分为多个单元（榀），每一单元（榀）的吊顶量、波纹板均在预制车间完成。将车间内制作完成的每一单元（榀）运送至现场，在现场进行安装。安装时先进行储罐中心点测量，再进行吊顶梁框架安装，然后进行吊顶拉杆安装，最后进行吊顶波纹板安装。

    4.2 吊顶拉杆

    由于吊顶在施工及运行中存在变形，因此每个吊顶拉杆实际受力情况与理论计算存在差别，部分拉杆连接较紧，部分拉杆连接较松。本吊顶方案拉杆材料采用不锈钢圆钢，在拉杆之间增设一个带螺纹的

    连接件，将此链接见连接至吊顶拉杆。在储罐升顶或穹顶浇筑完成后，可调节此连接件，对部分较松的拉杆进行紧固，使吊顶拉杆受力更均匀。

    4.3 波纹板吊顶优势

    波纹板吊顶结构形式优势主要有以下几点：

    （1）减少工期：波纹板吊顶结构形式，有很多工作在预制车间即可完成，因此现场可减少大量的工程量，使得现场吊顶安装工期缩短，减少储罐的建设周期，减少储罐施工时的交叉作业时间。

    （2）便于质量控制，减少现场工作量：由于吊顶梁、波纹板在预制车间完成，因此可在预制车间对材料制作进行严格控制，現场只进行安装工作。无焊接检测等工序，可提升整个吊顶的施工质量，减少现场焊接检测。

    （3）降低吊顶重量：一般的LNG储罐吊顶，通常采用5mm或6mm吊顶铝板，波纹板吊顶采用1.2mm波纹板。波纹板的重量小于常规的吊顶铝板重量。根据估算，采用波纹板吊顶结构形式，可降低储罐吊顶重量约20%，便于穹顶设计及升顶施工控制。

    （4）便于拉杆调节：本方案采用不锈钢圆钢作为吊顶拉杆，在拉杆中间增设连接件。连接件可调节吊顶拉杆的长度，在升顶结束或穹顶浇筑结束时，可对吊顶拉杆连接件进行调节，使得每个拉杆受力均匀。

    5 结论

    新型铝吊顶由框架、波纹板和吊杆组装而成。框架是由铝合金型材用紧固件装配的整体结构，然后将框架通过吊杆与低温储罐的拱顶梁连接，再在框架上铺设铝合金波纹板。用冷成型加工的波纹板，形状简洁，波度大，强度高，精度好，施工安装方便。装配后的波纹板铝吊顶，整体平整，总体重量更轻，能有效改善拱顶结构的受力状况，所有构件都在工厂制造并预组装，现场安装方便快捷，缩短现场工期。经成本测算，采用装配式波纹板铝吊顶不会比现场焊接的平板吊顶增加成本，具有进一步推广应用的价值。

    参考文献：

    [1]扬帆，张超，李牧等.大型液化天然气储罐吊顶结构设计浅析[J].石油化工设备，2015（03）.

    [2]美国标准ASTM B209M：Standard Specification for Aluminum and Aluminum-Alloy Sheet and Plate.

    [3]欧洲标准EN14620：Design and manufacture of site built，vertical，

    cylindrical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，

    liquefied gases with operating temperatures between 0℃ and -165℃.

    [4]綦国新，唐凯，张剑等.新型铝吊顶在国产大型LNG储罐的应用研究[J].天然气技术与经济，2017（01）.

    作者简介：张博超（1990-），男，北京人，本科，工程师，主要从事LNG储罐设计和研发工作。