魏学军, 杜保健

(1.北京兴油工程项目管理有限公司北京燃气天津液化天然气应急储备项目部,天津300450;2.北京市燃气集团有限责任公司天津液化天然气应急储备项目部,天津300450)

1 概述

随着国家碳达峰、碳中和的战略目标的提出,天然气作为清洁化石能源消费量持续提升。随着天然气液化技术不断成熟,海外LNG船运成为国内天然气的重要补给方式之一。对于LNG的储存设备,国内很多学者对LNG储罐进行了调研和分析[1-9],系统阐述了不同储罐的结构、性能及适用性,但对于薄膜罐在陆地建设和使用的研究较少。

薄膜罐密闭层为304不锈钢材质的薄膜波纹板,大部分焊接采用自动焊预制方式,预制后采用人工焊接搭接,焊接难度较大,任一损伤都有可能导致薄膜罐整体失效。薄膜罐的保冷层材料为硬质材料,主要采用标准件拼装而成,可以提高保冷层施工的质量和缩短工期。目前,我国一些材料供应商和施工队伍已取得法国GTT认证,但保冷层的预制安装和薄膜波纹板的焊接仍然缺乏经验,具备陆上薄膜罐建设经验的施工队伍较为匮乏。

本文基于以上研究,结合薄膜罐设计和施工方案,系统阐述薄膜罐施工流程,分析施工过程中的重要控制点,强调了薄膜罐保冷层预制安装和密闭层薄膜波纹板预制后焊接施工工艺,为薄膜罐建设奠定一定的基础。

2 施工工艺介绍

2.1 储罐结构对比

目前国内常见的9%Ni钢全容储罐一般包括主容器(内罐)和次容器(外罐)。内罐由底板、壁板组成,内罐底板和壁板材料为9%Ni钢板。外罐主要分为桩基础、钢筋混凝土承台、预应力混凝土罐壁、钢筋混凝土罐顶以及衬板。内罐、外罐间用保冷材料(膨胀珍珠岩、泡沫玻璃、弹性棉毡等)进行保冷[10]。

与9%Ni钢全容储罐相比,薄膜罐的结构相对复杂,薄膜罐主要结构见图1。薄膜罐外罐与9%Ni钢全容储罐基本相同,均为预应力混凝土结构。薄膜罐内部与9%Ni钢全容储罐不同,是由防潮层、保冷层和密闭层(薄膜波纹板)共同组成一体式的复合结构,该复合结构为罐内液体提供保冷和密封功能。复合结构本身不承压,薄膜波纹板承受的所有静液荷载和其他荷载都通过承重保冷层传递到混凝土外罐上。储罐混凝土结构承压,保证当薄膜波纹板破损泄漏时能够装存所有液体,使其不致泄漏到空气中。

1—薄膜罐外罐; 2—薄膜罐密闭层; 3—防潮层;4—保冷层; 5—吊顶; 6—穹顶。

2.2 薄膜罐的主要施工工艺过程

根据储罐建设相关标准,结合薄膜罐结构,其主要施工工艺过程为外罐施工、外罐内壁基层处理、防潮层施工、水压试验、保冷层安装、密闭层薄膜波纹板焊接、气密性试验等。薄膜罐外罐施工与9%Ni钢全容储罐外罐基本一致,本文不作介绍。

① 外罐内壁基层处理

混凝土外罐施工完成后,需对外罐内壁基层进行处理,使其具备一定的粗糙度和平整度。基层表面要求致密平整,无肉眼可见的孔洞和凹陷,无水泥浮浆。处理方式可采用人工机械打磨、抛丸或喷砂方式,以获得坚实、干净及达到一定表面粗糙度的表层,表面粗糙度应达到75～150 μm。喷砂磨料可选择水洗烘干无杂质的石英砂或洁净的钢丸,磨料尺寸应根据表面粗糙度的要求进行选择。对于内壁表面打磨后可能出现的较大的气孔、麻面、蜂窝或裂缝等需进行修补,修补材料需要有较高的抗压强度和黏结强度,处理后的外罐内壁基层表面平整度需符合设计要求。

② 防潮层施工

外罐内壁基层处理完成后,进行防潮层施工,以减少水汽等的相互渗透,避免湿气进入保冷空间。如果湿气进入并残留在保冷空间中,会引起储罐冷却后出现结冰现象,导致保冷层甚至外罐混凝土结构造成损伤。

防潮层一般为两种无溶剂组分加玻璃纤维增强结构,复合材料的喷涂厚度约为2.5～3.0 mm,采用双组分泵无气喷涂方式施工,一次施工达到膜厚度要求。根据设计的混合比例,两种组分应可即装即用,在喷涂前进行机械混合,喷涂的程序取决于产品要求,产品的储存条件应符合设计规定。防潮层施工过程中应重点关注不规则处以及基层材质不同处防潮层的涂刷。不同材质具有不同热膨胀系数,会导致结合部位的防潮层产生位移,这些部位防潮层施工需要制定专门施工工艺。

③ 水压试验

薄膜罐内部复合结构不承压,介质压力通过薄膜波纹板、硬质保冷材料传至预应力混凝土外罐,由外罐承压。因此,需对外罐进行水压试验。在外罐水压试验中要做好沉降和倾斜观测、罐底承台和罐壁漏水观测、罐壁变形监测等。

依据API Standard 620《大型焊接低压储罐的设计和施工》(Design and construction of large,welded low-pressure storage tanks),试验用水不得影响防潮层性能,对防潮层没有腐蚀及破坏作用,需与厂家防潮层产品要求相结合,水中不得含有硫化氢,pH值应为6.0～8.3。

④ 保冷层安装

保冷层位于密闭层(薄膜波纹板)与防潮层之间。在生产运行时,保冷层区域将充满氮气,对内罐气密性进行持续监测。薄膜罐保冷材料应为硬质材料,以更好支撑内罐薄膜波纹板、传递介质压力。保冷材料在组成结构上分为两类,一类为包含次屏蔽膜,主要安装在储罐底部及罐壁下部热角保护区域(见图2a),另一类是不包含次屏蔽材料,主要用于罐壁热角保护区域上部(见图2b),两类保冷材料厚度相同。

图2 薄膜罐内罐保冷结构

薄膜罐保冷层不是与外罐对应的圆形,而是正多边形结构,以便硬质保冷材料的拼装。保冷块为标准件,可场外预制,减少现场施工量,缩短工期。保冷材料预制尺寸需根据外罐内壁尺寸设计,预制成不同形状不同尺寸的保冷块标准件,编号后进行拼装。保冷块标准件拼装需根据保冷层内表面平整度随时进行校正。

⑤ 密闭层薄膜波纹板焊接

不锈钢薄膜根据设计预压成一定形状薄膜波纹板(见图3),一是满足温度较大变化下板材延展和收缩等变形,二是改变介质作用在薄膜波纹板上力的方向,将传递到外罐的力分散,以降低对外罐作用力。不锈钢薄膜波纹板根据不同位置预制为不同形状标准件,以满足安装需求,并焊接在预埋在保冷结构上的不锈钢钢板上,并与拱顶的16Mn低温容器钢内衬全部焊接,满足内罐气密性的要求。

图3 薄膜罐密闭层薄膜波纹板

薄膜不锈钢板的手工焊采用钨极惰性气体保护焊,薄不锈钢板焊接难度较大、易变形烧穿,需要严格控制焊接线能量和焊接速度。焊前需完成焊接工艺评定,制定焊接工艺卡,要求焊工熟练掌握焊接技术。与9%Ni钢储罐内罐焊接相比,薄膜罐密闭层薄膜波纹板焊接工作量较小,现场工期短,并且能在保冷层给定一定作业面后开展交叉作业,不需待保冷层完全安装完毕再进行焊接,进一步缩短工期。薄膜波纹板焊接能实现自动焊,自动焊成形美观,焊接质量稳定、速度快,实现工厂自动焊接预制,降低现场手工焊焊接量,缩短施工工期。

⑥ 气密性试验

薄膜罐气密性试验常用氨气(NH3)等气体,在保冷层内注入一定含氨量的氨气氮气混合物,在焊缝表面涂覆敏感涂料。本试验前需要对保冷层空间抽真空,具备一定真空度,然后注入氨气氮气的混合物。该混合物流过薄膜波纹板焊缝中可能存在的泄漏之处时,若接触到涂覆在被检测焊缝表面上的敏感涂料,会发生反应。

气密性试验需要薄膜波纹板焊缝处保持清洁,不应有含有油、油脂、烟尘、焊渣、污水等物质,壁面持续保持洁净是气密性试验成功的关键。保冷层内必须均匀充满氨气氮气混合物,定期对氨气浓度进行检测,并适时补充混合物。当敏感涂料发生颜色变化,表明有泄漏点,完整测试并标记泄漏点后,进行修补作业。薄膜罐气密性试验合格后进行干燥充氮密封,具备投产条件。

3 施工过程控制要点

① 外罐局部缺陷修复

在水压试验中,尤其要做好外罐结构变化观测,直径变化控制在一定范围内。对混凝土外罐直径变化可能出现的裂缝渗水点做好记录和评估,并制定修补方案,做好防潮层损坏处的修补。

② 罐内恒温恒湿措施

防潮层涂刷及保冷层安装要求罐内保持相对恒定的温湿度。防潮层及保冷层安装质量对灰尘和环境温湿度变化非常敏感,在安装过程中要对罐内环境进行有效控制,制定环境温湿度控制方案,定期对环境温湿度进行监测、记录,确保防潮层涂布质量和保冷层胶黏质量。

③ 焊接变形控制

薄膜不锈钢板较薄,厚度仅为1.2 mm,焊接为自熔焊,没有填充焊丝,焊接需要高水平焊工承担。薄膜波纹板安装前需要规划焊接顺序,尤其是定位焊顺序。在薄膜波纹板定位焊时,需要严格控制定位顺序,以避免产生不必要的搭接起鼓变形,针对每块预制板应定位中线,并由中间向两边进行定位,建议先对波纹进行定位。在焊接中要严格控制焊接顺序,应采用同方向分段跳焊法焊接。

④ 薄膜波纹板标准件与保冷块标准件预制

薄膜波纹板需要焊接在保冷块上预先埋设的不锈钢埋件上,薄膜片的尺寸形状应当与保冷块的尺寸形状相适应,根据设计进行预制,以保证薄膜波纹板准确定位并搭接焊在保冷块预埋件上。

⑤ 保冷块安装定位

保冷块安装定位精度要求较高。预制好保冷块,要精确定位在外罐内壁上,根据设计在外罐内壁进行定位、编号,并与保冷块编号一致。因此需要在外罐内壁上进行定位划线,并保证划线精度,确保后续保冷块、薄膜波纹板准确安装。

4 结论与建议

① 薄膜罐保冷层可预制,减少现场工作量,标准化程度高,缩短施工工期。

② 薄膜罐密闭层薄膜波纹板可实现工厂焊接预制,采用自动化焊接,提高焊接质量和焊接效率,减少人为因素对焊接质量的影响。

③ 薄膜罐保冷层安装和密闭层薄膜波纹板焊接可交叉作业同时施工,缩短施工工期。

④ 目前陆上薄膜罐建设处于初期阶段,建议加快相关标准研究,为陆上LNG薄膜罐建设提供指导。