上海液化天然氣有限責(zé)任公司 金 罕 劉曉建

珍珠巖是火山噴發(fā)出的酸性熔巖遇到湖泊、海洋等后被急劇冷卻，從而形成的一種玻璃質(zhì)的火山巖。地質(zhì)上對(duì)珍珠巖的劃分有三種，儲(chǔ)罐用的保冷珍珠巖只是其中的一種。珍珠巖在加熱到一定溫度時(shí)，膨脹變?yōu)橐环N很輕的內(nèi)部蜂窩狀白色顆粒，具有無(wú)毒、無(wú)味、不燃、不腐爛等特點(diǎn)。珍珠巖 pH值為中性(6.5～7.5)，不溶于強(qiáng)酸堿，微溶于氫氟酸。由于它特殊的微孔結(jié)構(gòu)，使其具有很強(qiáng)的吸附作用和隔熱作用，故常用作為保溫隔熱、過(guò)濾、吸附過(guò)濾材料。膨脹珍珠巖材料是 LNG全容儲(chǔ)罐保冷結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，由于其材料和施工工藝的特性，膨脹珍珠巖填充施工成了儲(chǔ)罐建設(shè)中現(xiàn)場(chǎng)管理的重要一環(huán)，也是儲(chǔ)罐安裝施工進(jìn)度控制的重要節(jié)點(diǎn)。本文將結(jié)合上海 LNG儲(chǔ)罐擴(kuò)建工程中的珍珠巖填充施工，對(duì)珍珠巖原料的特性、膨脹機(jī)理、性質(zhì)參數(shù)、填充及振實(shí)工藝要求進(jìn)行分析和探討。

1 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)及保冷原理

目前的LNG全容儲(chǔ)罐一般由內(nèi)罐、外罐組成，通常情況下操作壓力為5～25 kPa。內(nèi)罐操作溫度為－162 ℃，內(nèi)罐材質(zhì)為9%Ni低溫鋼；外罐由鋼筋混凝土承臺(tái)、預(yù)應(yīng)力混凝土墻體、鋼筋混凝土罐頂組成，鋼筋混凝土承臺(tái)與預(yù)應(yīng)力混凝土墻體、預(yù)應(yīng)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。內(nèi)、外罐之間夾層(環(huán)形空間)由彈性氈和膨脹珍珠巖組成保冷層，彈性氈緊貼內(nèi)罐壁板，具有一定的彈性，用來(lái)緩沖內(nèi)罐膨脹、收縮對(duì)膨脹珍珠巖的沉降影響，膨脹珍珠巖粉末填充至鋼筋混凝土穹頂下方，以保證膨脹珍珠巖沉降造成環(huán)形空間保冷缺失后得以補(bǔ)充。LNG全容儲(chǔ)罐罐壁保溫結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。按照設(shè)計(jì)要求，每座儲(chǔ)罐BOG日蒸發(fā)率不大于0.05%。

圖1 LNG 全容儲(chǔ)罐罐壁保溫結(jié)構(gòu)

眾所周知，溫度是通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行傳遞的。當(dāng)膨脹珍珠巖被填充入儲(chǔ)罐的隔熱層時(shí)，內(nèi)罐與外保護(hù)層中間充滿(mǎn)了微孔結(jié)構(gòu)的材料。由于空氣的黏性作用，對(duì)流熱傳遞可以忽略不計(jì)；又由于膨脹珍珠巖屬分散介質(zhì)，通過(guò)散射與吸收作用使輻射對(duì)熱傳遞的貢獻(xiàn)很小，因而，此時(shí)的熱量傳遞主要是以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行的。在 273 K(0℃)時(shí)，珍珠巖的導(dǎo)熱系數(shù)在 0.028～0.048 W/(m·K)之間。因此，膨脹珍珠巖作為一種非常優(yōu)秀的保冷絕熱材料而被LNG儲(chǔ)罐建設(shè)廣泛使用。

2 珍珠巖礦石膨脹機(jī)理及性質(zhì)參數(shù)

珍珠巖之所以區(qū)別于其他巖石能夠在一定的溫度條件下膨脹，其不外乎以下兩點(diǎn)根本原因：其一是珍珠巖的主要化學(xué)成分中存在軟化點(diǎn)較低的玻璃質(zhì)物質(zhì)，如SiO2、Al2O3、Na2O等，這種物質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果是當(dāng)珍珠巖被加熱至一定溫度時(shí)，其玻璃質(zhì)開(kāi)始軟化，珍珠巖顆粒從固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為黏流態(tài)；其二是珍珠巖內(nèi)部含有的可揮發(fā)性物質(zhì)和結(jié)合水在受到高溫焙燒后，逐漸氣化后溢出。所以，玻璃質(zhì)是引起珍珠巖膨脹的先決條件，結(jié)合水是引起珍珠巖膨脹的內(nèi)在動(dòng)力，焙燒溫度和時(shí)間是引起珍珠巖膨脹的必要外部條件。

結(jié)合珍珠巖膨脹的機(jī)理，不難看出在大型LNG儲(chǔ)罐安裝工程絕熱應(yīng)用中，粒度級(jí)配、化學(xué)成分、結(jié)合水及膨脹性必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。上海 LNG儲(chǔ)罐擴(kuò)建工程抽檢比例和性能要求見(jiàn)表1。

表1 上海LNG儲(chǔ)罐擴(kuò)建工程原材料抽檢比例和性能要求

3 膨脹后珍珠巖性質(zhì)參數(shù)及控制

膨脹后珍珠巖的松散密度、振實(shí)密度、含水率、粒度級(jí)配、導(dǎo)熱系數(shù)是直接影響其隔熱性能的重要因素。

3.1 松散密度

膨脹珍珠巖的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨著孔隙率增大而減小，膨脹珍珠巖的松散密度則反映了珍珠巖孔隙率大小。沒(méi)有膨脹好的珍珠巖松散密度大，孔隙率過(guò)低，因而導(dǎo)熱系數(shù)大，影響保溫效果。而膨脹珍珠巖松散密度過(guò)低，起初孔隙率過(guò)高將導(dǎo)致膨脹珍珠巖強(qiáng)度減弱，容易破碎，破碎后的微粉進(jìn)入微孔，反而致使孔隙率降低，密度反而加大，珍珠巖的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大。經(jīng)大量實(shí)踐證明，保冷絕熱用膨脹珍珠巖的松散密度控制在38～55 kg/m3之間最為適宜。

3.2 振實(shí)密度

膨脹珍珠巖填充后，初期由于珍珠巖顆粒的相對(duì)位置尚處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以在振動(dòng)后粒子會(huì)逐漸相互移動(dòng)而趨于穩(wěn)定。這個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的密度最終決定了膨脹珍珠巖的保冷隔熱的性能，工程上一般稱(chēng)該密度為振實(shí)密度。實(shí)驗(yàn)表明，保冷用膨脹珍珠巖的振實(shí)密度為48～65 kg/m3時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)最低，保冷絕熱效果最佳。

3.3 含水率

膨脹珍珠巖是吸濕性極強(qiáng)的物質(zhì)，干燥的非憎水膨脹珍珠巖的吸水率可達(dá) 250～750%。干燥的珍珠巖一旦與空氣接觸，能夠迅速吸收空氣中的水分子。水的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的 25倍，而且水在低溫狀態(tài)下會(huì)結(jié)冰，而冰的導(dǎo)熱系數(shù)為空氣的100倍，這樣吸濕后的膨脹珍珠巖的絕熱性能就會(huì)受到極大的破壞。因此，膨脹珍珠巖在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和施工過(guò)程中需要嚴(yán)格防水、防潮。一般情況下，保冷絕熱用膨脹珍珠巖的含水率應(yīng)嚴(yán)格控制在0.5%(質(zhì)量比)以下，以最大限度防止水分對(duì)膨脹珍珠巖絕熱性能的破壞。

3.4 粒度級(jí)配

合理的材料級(jí)配可以通過(guò)顆粒之間的理想堆積占據(jù)最多的空間，以大顆粒形成構(gòu)架，稍小的顆粒去填充大顆粒之間的空隙，而再小的顆粒進(jìn)一步填充稍小顆粒之間的縫隙以達(dá)到相互配合，從而使保冷隔熱區(qū)的自由空氣減少，最大限度地降低由于對(duì)流和輻射造成的冷損失。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，1.18 mm以上顆?？刂圃?0%以下時(shí)，絕熱性最佳。

3.5 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)取決于前幾項(xiàng)的綜合反映，也是保冷隔熱的最終要求。不同使用溫度環(huán)境對(duì)保冷絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的要求也不一樣。通常深冷行業(yè)普遍要求在273 K時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.028～0.048 W/(m·K)，LNG儲(chǔ)罐要求不高于0.044 W/(m·K)。

4 膨脹珍珠巖填充施工控制

4.1 施工前儲(chǔ)罐準(zhǔn)備工作及注意事項(xiàng)

膨脹珍珠巖填充前，相關(guān)設(shè)計(jì)及施工文件應(yīng)審批完畢。內(nèi)罐管道和吊頂通道間的保冷工作應(yīng)完成；吊頂通風(fēng)孔使用玻璃布包裹，以防止珍珠巖粉末飄入內(nèi)罐；拱頂縱梁之間擋板與拱頂板之間的空隙密封嚴(yán)緊，以防止填充珍珠巖時(shí)粉末反吹到吊頂上。如發(fā)現(xiàn)有密封不嚴(yán)的情況，施工方需安排人員及時(shí)修復(fù)。

儲(chǔ)罐底部必須清理完成并保持干燥，確保環(huán)形空間內(nèi)濕度符合設(shè)計(jì)及施工要求，相對(duì)濕度不超過(guò)90%。

4.2 膨脹裝置及工藝流程

珍珠巖現(xiàn)場(chǎng)膨脹填充裝置主要包括珍珠巖礦砂原料倉(cāng)(投入裝置)、膨脹爐(膨脹設(shè)備)、膨脹珍珠巖冷卻降溫管路、除塵及產(chǎn)品輸送系統(tǒng)。該裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 珍珠巖現(xiàn)場(chǎng)膨脹填充裝置

膨脹設(shè)備所用的膨脹爐一般分為臥式膨脹爐和立式膨脹爐。目前大型儲(chǔ)罐膨脹珍珠巖施工多用立式爐。需要注意的是，膨脹爐到除塵系統(tǒng)的距離是固定的，但珍珠巖輸送軟管的敷設(shè)，必須遵循輸送距離盡量小、管道曲線盡量平滑的原則，以減少可能出現(xiàn)的珍珠巖破碎，保證珍珠巖填充質(zhì)量。管道由膨脹爐出料口沿儲(chǔ)罐外壁疏散梯鋼結(jié)構(gòu)固定、敷設(shè)至儲(chǔ)罐頂部充裝孔。

4.3 振實(shí)控制

為減少儲(chǔ)罐使用過(guò)程中膨脹珍珠巖的自然沉降，需要在填充過(guò)程中使用內(nèi)部(罐體絕熱夾層內(nèi))振動(dòng)器進(jìn)行強(qiáng)制性振動(dòng)使膨脹珍珠巖有一個(gè)合理的裝填密度。振實(shí)裝置一般由通過(guò)罐頂?shù)能壍阑啞㈦妱?dòng)吊鏈連接的一個(gè)或多個(gè)托盤(pán)與振動(dòng)電機(jī)、振動(dòng)棒組合而成，如圖3所示。使用時(shí)將其浸入需振實(shí)的膨脹珍珠巖中。為防止在下沉和使用過(guò)程中對(duì)內(nèi)罐外壁的彈性氈造成損壞，該裝置必須設(shè)置限位器。

圖3 振實(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

珍珠巖的填充和振實(shí)過(guò)程有兩種方式：一是填充作業(yè)與振實(shí)作業(yè)交替進(jìn)行，另一種是填充作業(yè)與振實(shí)作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。

珍珠巖的填充和振實(shí)交替作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)是振實(shí)前后的填充高度容易測(cè)量，比較好控制，振實(shí)作業(yè)的環(huán)境面相對(duì)較好，是目前施工常采用的方式。缺點(diǎn)是增加了停機(jī)的次數(shù)，不僅影響膨脹珍珠巖質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且浪費(fèi)時(shí)間。

填充作業(yè)與振實(shí)作業(yè)同時(shí)作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)是減少停機(jī)次數(shù)，膨脹珍珠巖的質(zhì)量更趨于穩(wěn)定，在總工期上節(jié)約了振實(shí)時(shí)間，但必須增加3～4個(gè)工人，且對(duì)振實(shí)工人的操作要求較高。隨著LNG儲(chǔ)罐越來(lái)越大型化，操作空間越來(lái)越充裕，填充和振實(shí)同時(shí)作業(yè)將是大型儲(chǔ)罐填充作業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

在上海LNG儲(chǔ)罐擴(kuò)建工程中，使用了3臺(tái)填充設(shè)備進(jìn)行填充，4號(hào)罐采用填充作業(yè)與振實(shí)作業(yè)交替進(jìn)行作業(yè)，通過(guò)實(shí)地檢查和安全論證，5號(hào)罐則采用填充作業(yè)與振實(shí)作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，節(jié)約了寶貴的4 d工期。

但不論采用哪種施工方式，在過(guò)程中都要做好以下幾點(diǎn)：

(1) 填充前在填充口明顯處標(biāo)注填充順序號(hào)。

(2) 填充施工過(guò)程中，定時(shí)檢測(cè)填充高度。

(3) 珍珠巖振實(shí)人員經(jīng)過(guò)培訓(xùn)并由專(zhuān)人負(fù)責(zé)，同時(shí)做好檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄。

(4) 第一次(層)填充和振實(shí)：由于夾層內(nèi)5 m以下的高度(熱保護(hù)角范圍)不能夠振動(dòng)，故此次施工中每個(gè)口直接填充到大約8 m高時(shí)，進(jìn)行第一次振實(shí)。以后每3～4 m振實(shí)一次，持續(xù)時(shí)間≥3 min。為避免將珍珠巖倒碎，振實(shí)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

(5) 振實(shí)設(shè)備每次被放入和提起都要對(duì)珍珠巖的高度進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際進(jìn)行操作之前，應(yīng)預(yù)先設(shè)置參照點(diǎn)以供參考。

5 施工過(guò)程質(zhì)量控制

珍珠巖施工質(zhì)量控制主要做好3個(gè)部分的控制：原材料質(zhì)量控制、膨脹后珍珠巖質(zhì)量控制及振實(shí)密度控制。

以上海LNG儲(chǔ)罐擴(kuò)建項(xiàng)目為例，膨脹后珍珠巖成品一般要求見(jiàn)表2。

表2 上海LNG儲(chǔ)罐擴(kuò)建工程膨脹珍珠巖抽檢比例和性能要求

需注意的是，表2現(xiàn)場(chǎng)各實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)(除導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)外)需業(yè)主方、總包方及監(jiān)理方每日隨機(jī)抽檢在場(chǎng)監(jiān)督實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)過(guò)程，送第三方實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)的膨脹珍珠巖取樣過(guò)程及樣品密封過(guò)程需總包及監(jiān)理共同在場(chǎng)監(jiān)督確認(rèn)。另外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)出的振實(shí)密度僅為參考值，最終填充的振實(shí)密度為填充珍珠巖質(zhì)量與填充空間的比所得。一般來(lái)說(shuō)，填充質(zhì)量由現(xiàn)場(chǎng)記錄，填充空間體積由設(shè)計(jì)單位提供。但由于儲(chǔ)罐本體保冷結(jié)構(gòu)的內(nèi)層彈性氈壓縮量會(huì)隨著壓力的變化而變化，所以如何更加準(zhǔn)確地計(jì)算填充空間也是一個(gè)值得研究的課題。

6 結(jié)語(yǔ)

珍珠巖填充施工是LNG儲(chǔ)罐建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，可以保證投產(chǎn)后BOG蒸發(fā)率在設(shè)計(jì)規(guī)定范圍內(nèi)，是儲(chǔ)罐經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的重要保障。采用合適的膨脹設(shè)備、振實(shí)方式，配合現(xiàn)場(chǎng)定期進(jìn)行珍珠巖導(dǎo)熱率、含水率、密度等相關(guān)質(zhì)量參數(shù)的檢測(cè)，可有效確保投產(chǎn)后LNG儲(chǔ)罐整體BOG蒸發(fā)率測(cè)試合格，避免儲(chǔ)罐珍珠巖保冷作用減小或失效。目前珍珠巖填充施工已形成一套較為成熟的工藝，但在膨脹爐爐型選擇、振實(shí)密度計(jì)算及后續(xù)沉降觀測(cè)上仍需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。