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LNG儲罐膨脹珍珠巖（珠光砂）現場填充
LNG儲罐膨脹珍珠巖（珠光砂）現場填充
1 概述
隨著我國對能源需求的不斷增長，進口LNG、利用國外天然氣資源，是解決我國能源供需矛盾比較現實的途徑之一[1]。大型液化天然氣儲罐用來儲存-162℃的LNG低溫液體，是LNG接收站、天然氣液化工廠的關鍵核心設施[2]。
大型LNG儲罐罐壁珍珠巖填充施工是儲罐施工后期關鍵工序之一，現場珍珠巖膨脹填充施工質量直接關系到儲罐投產后保冷效果。為此，本文以國內某已建16×104m3大型LNG全容儲罐為例，對其施工后期現場珍珠巖膨脹填充施工工藝技術進行解析，并對現場珍珠巖膨脹填充質量檢測要求進行分析。
2 儲罐結構介紹
圖1為國內某已建LNG項目16×104m3大型LNG全容儲罐結構示意圖。儲罐內罐有效工作容積為16×104m3，幾何容積為18.1×104m3；操作壓力為-1.0～29.0kPa；內罐設計溫度為-162℃。內罐材質為9％Ni低溫鋼，內罐公稱直徑為80m，內罐壁板高度為36.1m，高度方向由11段組成，從上到下依次變厚(因為下端液體壓力大，所以鋼板逐漸增厚)，鋼板厚度分別為12、12、12、12、13.5、16、18.2、20.5、22．5、24.3、26mm，內罐底板厚度為5mm。
外罐由鋼筋混凝土承臺、預應力混凝土墻體、鋼筋混凝土罐頂組成，鋼筋混凝土承臺與預應力混凝土墻體、預應力混凝土墻體與鋼筋混凝土罐頂連接處均采用混凝土剛性連接。外罐墻體高度為39.0m，外罐墻體內表面直徑為82.0m，外罐墻體厚度為0.7m。鋼筋混凝土罐頂最高處高度為50.382m，鋼筋混凝土罐頂中心厚度為0.4m。外罐內側安裝一層5mm厚的Q235－B材質的鋼板，起到氣密作用，防止儲罐內罐里的蒸發氣體(BOG)泄漏到空氣中。
預應力混凝土墻體與鋼筋混凝土罐頂連接處混凝土變厚，以便頂部環向預應力系統張拉施工，也有利于頂部鋼筋混凝土罐頂結構重量傳遞到預應力混凝土墻體并由墻體承受其重量。
儲罐底部承臺與內罐之間為具有一定承壓強度的泡沫玻璃磚保冷層，其厚度為450mm，除了起到保冷作用外，還起到承受上部內罐與LNG液體重量的作用[3]。
內罐為敞開式結構，內罐底部邊緣通過146根錨固帶錨固到底部混凝土承臺中，用來防止在大地震下內罐底部發生抬升現象[4]。錨固帶為長片狀結構，長度為2.8m，厚度為16mm，寬度為200mm，材質為9％Ni鋼。
吊頂上開設若干孔，內罐內的BOG通過吊頂上的開孔擴散到吊頂上部的空間中去。吊頂結構由下部鋁吊頂板(鋁板厚度為5mm)、上部不銹鋼拉桿組成(拉桿與鋁吊頂板通過螺栓連接)。吊頂最邊緣拉桿外表面緊貼一層不銹鋼鋼絲網和承壓玻璃布，構成珍珠巖擋板結構，用來擋住環形空間上部的膨脹珍珠巖粉末。吊頂上部鋪設1.0m厚玻璃棉保冷材料。整個吊頂結構重量通過拉桿傳遞到上部，由鋼筋混凝土罐頂承受。內罐壁板上端與吊頂板邊緣通過鋁質吊頂封板搭接連接。吊頂封板傾斜布置，上端與吊頂鋁板邊緣焊接。由于鋁板和內罐9％Ni鋼低溫下朝著內罐中心徑向收縮量不一樣，因此，吊頂封板下端只能靠重力自由搭在內罐壁板上端，下端與內罐壁板連接處外側通過覆蓋一層高強度承壓玻璃布來防止環形空間的珍珠巖粉末漏入內罐中。
內、外罐之間的夾層(環形空間)的厚度約為1.0m，由厚度約為300mm的彈性氈和厚度約為700mm膨脹珍珠巖粉末保冷層組成。彈性氈緊貼內罐壁板，具有一定的彈性，用來吸收內罐運行時珍珠巖對內罐的擠壓力。膨脹珍珠巖粉末填充至鋼筋混凝土罐頂下方處。在內、外罐環形空間水平方向中心位置、豎向最上方、罐頂下方安裝一圈施工單軌，用于珍珠巖膨脹填充階段懸掛操作工人吊籃、振搗裝置。
外罐內側5.0m高度(以內罐邊緣底板表面標高為±0.00m計)以下設置熱角保護系統，用于在內罐泄漏事故下保護底部承臺和底部墻體不直接裸露在低溫LNG環境下[5]。熱角保護系統由9％Ni鋼板和泡沫玻璃磚保冷材料組成，詳見圖1中的A處局部放大圖。其底部相當于內罐底板在環形空間的延伸，底部9％Ni鋼板的厚度為5m，此底部9％Ni鋼板與鋼筋混凝土承臺之間為泡沫玻璃磚保冷層；豎向9％Ni鋼板的厚度為8mm，高度為5m，此豎向9％Ni鋼板與外罐內壁之間的環形空間為厚度達150mm的泡沫玻璃磚保冷層。
目前工業上常用的珍珠巖施工方法有兩種：人工填充法和施工現場膨脹填充法。
人工填充法：膨脹珍珠巖粉末在工廠中制作并包裝完畢后，運輸至填充施工現場，然后再利用提升設備(提升機、吊車等)，將膨脹珍珠巖粉末提升至冷箱、儲罐等需要保冷設備的頂部，采用人工方式裝填至內、外層之間的夾層中。
施工現場膨脹填充法：珍珠巖原礦砂和設備設置在填充施工現場，直接在現場將珍珠巖原礦砂進行膨脹，變成粉末狀后接著進行填充施工。這種工藝下利用全封閉的空氣輸送裝置，直接將膨脹后經檢測合格的膨脹珍珠巖粉末填充到冷箱、儲罐等需要保冷設備內、外層之間的夾層中。
由于現場膨脹填充法采用了現場膨脹生產和氣力輸送管道直接填充，消除了膨脹珍珠巖與潮濕空氣接觸的機會，同時避免了人工填充方式因包裝、儲存、運輸所造成的對材料的破壞，大大降低了膨脹珍珠巖粉末受潮結塊從而影響保冷性能的概率。另外，此種方式避免了人工高空露天作業，既減少了對環境的粉塵污染，又大大提高了施工的安全性。
大型LNG儲罐對質量要求較高，因此，普遍采用現場珍珠巖膨脹填充法。
4 現場珍珠巖膨脹填充施工
4.1 施工前準備工作
現場珍珠巖膨脹填充前，需保證鋁吊頂邊緣珍珠巖擋板、吊頂封板等完成安裝，所有穿過吊頂的管道在珍珠巖填充前都需要密封好，以防珍珠巖粉末通過這些管道開口飛入內罐。人工檢查環形空間及吊頂無液態水、油漬及施工垃圾或雜物。珍珠巖填充前需完成儲罐氣壓試驗，保證環形空間內的管線、儀表等已安裝完畢。
4.2 珍珠巖膨脹過程
目前工業上常用的珍珠巖膨脹爐按燃料類型可分為電爐、煤粉爐、天然氣爐、人工煤氣爐等。大型LNG儲罐采用現場膨脹填充，一般采用電爐型膨脹爐(見圖2)，直接采用電熱管為加熱體，噪聲小，不受現場燃料限制，膨脹工作溫度一般在850～950℃。
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珍珠巖原礦砂被工人成袋定期放入膨脹爐進料口，原礦砂在重力作用下落到膨脹爐底部，被加熱至850℃以上時，開始膨脹，體積增大，浮力增加。當浮力超過自身重力時，膨脹珍珠巖微小顆粒隨熾熱氣流上升。攜帶膨脹珍珠巖粉末的熱氣流通過膨脹爐中部的旋風分離器后，分離出來的膨脹珍珠巖粉末排入到膨脹珍珠巖粉末鼓風機輸送系統；而此時通過旋風分離器后仍然攜帶少量珍珠巖粉塵的熱氣流繼續上升，通過頂部氣體過濾器后粉塵氣流得到了凈化(以防止直接排放粉塵污染環境)，達標后的氣體排放到大氣。進入鼓風機輸送系統的膨脹珍珠巖粉末被輸送到儲罐頂部進行環形空間填充。對于氣體過濾器，一般在進行膨脹操作前對氣體過濾器進行清洗，單臺儲罐膨脹珍珠巖填充施工期將近21d，一般不需要中途拆下來清洗。
輸送系統由鼓風機、管道、取樣槽組成。取樣槽位于輸送系統管道首端與膨脹爐出口向下管道連接處下方，用于定期對膨脹后的珍珠巖粉末取樣，進行松散度、含水量、粒度等指標檢測。
4.3 膨脹珍珠巖填充
鼓風機是膨脹珍珠巖輸送系統的主要設備(位于圖2中膨脹爐側下方位置，在圖2中被遮擋住)，作為輸送珍珠巖進入罐內環形空間的主要動力源，出口壓力一般在40～100kPa。膨脹珍珠巖輸送管道由圖2中的不銹鋼管道和圖3中的罐頂臨時軟管兩部分組成。不銹鋼管道沿著儲罐墻體爬升到儲罐頂部，通過圖3中的罐頂臨時軟管與罐頂珍珠巖填充管嘴連接，對罐內環形空間進行填充。輸送系統安裝完成后，振搗設備、檢驗吊籃通過外罐頂上的直徑為1.3m的物料圓孔運輸到吊頂邊緣環形空間上方，并安裝在圖1中的施工單軌上，用于珍珠巖填充過程中振搗、運送工人進行檢驗。
剛填充后的膨脹珍珠巖粉末比較蓬松，為了防止儲罐長期運行后膨脹珍珠巖沉降帶來局部保冷空間空隙，需要在膨脹珍珠巖初步填充后進行充分振搗操作。珍珠巖剛膨脹后密度為35～55kg／m3，充分振搗后密度一般為48～65kg／m3。
除了首次填充的5.0m高度內不用振搗外，以后每一次填充高度達3.5m后，需進行一次振搗操作，每一次沿圓周一整圈的振搗操作需要約4h，振搗后高度下降15％～27％，即可滿足要求。等效測量方法為：在對每一次3.5m的高度范圍內進行振搗后，振搗后的珍珠巖高度都要比振搗前低0.53～0.94m，即滿足要求。
圖4為填充期間進行珍珠巖振搗的操作設備，用于工人操作和檢驗的吊籃、振搗設備吊掛在環形空間上部的施工單軌上。
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振搗時，工人分兩組，每組2人。其中一組站在吊頂的邊緣，負責操作圖4中振搗裝置起降機按鈕來調整振搗鋼板高度，同時監管環形空間下方振搗工人的安全；另外一組工人站在圖4左側吊籃上負責振搗工作，1個工人控制吊籃升降按鈕，使吊籃下降到環形空間相應高度進行振搗操作，另外1個工人控制振搗操作按鈕，控制振搗鋼板上的電動機進行振搗操作(振搗鋼板上電動機電源線一直牽到工人站位吊籃上)。
用于提供振動源的電動機固定在振搗鋼板表面，振搗鋼板規格(長度×寬度×厚度)為1800mm×1800mm×6mm。由于罐頂物料孔直徑只有1.3m，振搗鋼板無法通過罐頂物料孔進入到吊頂邊緣環形空間，因此，采取由4張900mm×900mm×6mm鋼板在罐內吊頂邊緣完成振搗鋼板組裝。圖4中振搗鋼板的四角被磨圓并加上橡膠護套，電動機固定在鋼板中心偏上位置。吊籃、振搗鋼板等裝置通過鋼纜線懸掛在環形空間上端施工單軌上。珍珠巖填充、振搗期間，珍珠巖擋板開設一個臨時口，以保證從罐頂物料孔下來的人員、物料、振搗設備都能夠穿過珍珠巖擋板到達環形空間。振搗過程中吊頂邊緣環形空間現場實景照片見圖5。
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振搗鋼板邊緣裝有伸縮棒狀壓力感應器，當其接觸到彈性氈時會使電動機自動關閉，以起到保護彈性氈不被刮損的作用。在每次進行振搗前后用卷尺進行填充高度測量。測量的上基準點位于環形空間頂部施工單軌處(即填充管嘴出口處)，測量點為鋼筋混凝土罐頂下方珍珠巖填充管嘴出口正下方的珍珠巖的上表面，每根管嘴測量一次，總共測量48次。填充高度即為填充管嘴出口處到內罐底板距離減去卷尺測量的距離。
6 施工現場膨脹珍珠巖性能檢測
大型LNG儲罐由于保冷質量要求較高，對珍珠巖原礦砂含水率要求較高，一般采用從國外進口的珍珠巖原礦砂產品，含水率滿足自由水(游離水)質量分數≤0.5％的要求。珍珠巖原礦砂中自由水在恒溫105～110℃條件下，大約2h可以分離出來，原料進場時可以分批進行復檢，以檢測原料含水率是否合格。
珍珠巖原礦砂產品在施工現場進行膨脹后直接填充。振搗后珍珠巖粉末主要性能需滿足常溫下熱導率≤0.044W／(m·K)等技術要求。膨脹現場需定期對膨脹珍珠巖進行取樣，并在現場臨時實驗室進行實驗檢測。一般每1h測量1次膨脹后松散密度，每4h測量1次振搗后密度，每8h進行1次膨脹粒度分析。對于熱導率的測試，每臺儲罐僅需在膨脹珍珠巖開始填充時進行1次取樣測試。現場檢驗標準見表1。
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從取樣槽取來的試樣經過相關處理后直接在施工現場臨時實驗室進行松散密度、膨脹粒度檢測；振搗后密度、熱導率測量則是通過在取樣槽取樣，在施工現場臨時實驗室進行模擬振搗操作后，再進行性能測量。
表1中膨脹粒度的測量說明如下：同時取4組相同試樣，分別用孔徑0.6mm、0.425mm、0.3mm、0.15mm的篩子篩分，4組試樣同時滿足以下4項條件時，才認為該批珍珠巖膨脹后粒度合格：通過孔徑為0.6mm篩子的膨脹珍珠巖粉末的通過率為97％～l00％，通過孔徑為0.425mm篩子的膨脹珍珠巖粉末的通過率為75％～85％，通過孔徑為0.3mm篩子的膨脹珍珠巖粉末的通過率為40％～55％，通過孔徑為0.15mm篩子的膨脹珍珠巖粉末的通過率為0％～10％。
上述膨脹后性能指標都是在膨脹填充連續進行的過程中抽樣檢測，檢測時現場膨脹和填充工作不停止。若抽檢結果出現性能指標不合格的情況，應立即停止膨脹填充操作，更換該批次原礦砂材料，檢驗合格后再進行膨脹填充操作。
7 結語
現場珍珠巖膨脹填充施工是大型LNG儲罐建造施工后期關鍵工序之一。為了避免膨脹后珍珠巖受潮，一般應避免雨季施工，大氣相對濕度在80％以上的天氣也應盡量避免珍珠巖膨脹填充施工。典型16×104m3大型LNG全容儲罐所需珍珠巖原礦砂材料費及施工費雖然只占整個儲罐工程造價的2.0％～2.5％，但現場珍珠巖膨脹填充效果直接關系到儲罐投產后保冷效果。在該大型LNG全容儲罐建造過程中，單臺16×104m3儲罐現場珍珠巖膨脹填充施工用了21d，現場定期進行的導熱率、膨脹粒度、密度檢驗均合格，投產后儲罐整體BOG蒸發率測試合格。這說明了按照本文所述技術要求進行現場珍珠巖膨脹填充施工，大型LNG全容儲罐在運行過程中保冷效果良好。
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