Realizacja ścian zbiorników na płynny gaz ziemny w technologii ślizgowej w ramach projektu budowy terminalu LNG w Świnoujściu

(1)

Realizacja ścian zbiorników na płynny gaz ziemny w technologii ślizgowej w ramach projektu budowy terminalu LNG w Świnoujściu

ErEction of tank walls for liquid natural gas in slip forming tEchnology within thE lng tErminal projEct in swinoujsciE

Streszczenie

Budowa terminalu regazyfikacyjnego gazu skroplonego LNG (ang. LNG – Liquefied Natural Gas) w Świnoujściu to pierwsza tego typu inwestycja, nie tylko w Polsce, ale i w naszej części Europy. Prace nad projektem technicznym terminalu zostały zakończone w 2009 r. Terminal LNG został zaprojektowany zgodnie z normami europejskimi i przy uwzględnieniu najnowszych rozwiązań technologicznych. Budowa terminalu rozpoczęta w 2011 roku, jest inwestycją sztandarową polskiej polityki dywersyfikacji dostaw gazu.

Powstanie gazoportu umożliwi odbiór skroplonego gazu praktycznie z dowolnego miejsca na świecie, a zróżnicowanie źródeł dostaw przyczyni się do poprawy bezpieczeństwa energetycznego naszego kraju. Na potrzeby tej inwestycji zostaną wybudowane rurociągi do odbioru gazu skroplonego ze statków, zbiorniki LNG oraz instalacje do regazyfikacji.

W ramach przygotowania do tego zadania, dodatkowo realizowanych jest jeszcze wiele projektów, związanych z koniecznością przygotowania infrastruktury portowej i transportowej, czyli, budowa falochronu osłonowego oraz budowa nabrzeża dla cu- mujących statków cystern.

Główne założenia przewidują, że po pierwszej fazie budowy terminal LNG będzie mógł przyjmować 5 mld m³ gazu/rocznie.

W skład realizowanego obecnie przedsięwzięcia wchodzą następujące zadania:

• budowa 2 zbiorników na skroplony gaz, o objętości około 160 tys m³ każdy,

• budowa infrastruktury niezbędnej do transportu, regazyfikacji i obsługi technicznej dostaw.

Piotr Górak Sebastian Gauvain Błażej Brzozowski

mgr inż. Piotr Górak – Cemex Sebastian Gauvain – Saipem mgr inż. Błażej Brzozowski – Basf

(2)

40 m i średnicy 80 m, wymagała doskonałego przygotowania każdej ze stron procesu do dwóch betonowań ciągłych trwających ponad 3 tygodnie każde. Niniejszy referat opisuje proces przygotowania i wykonania ścian zbiorników, od etapu założeń recepturowych, poprzez badania laboratoryjne i polowe, na realizacji kończąc.

Abstract

Implementation of a regasifing terminal for LNG (liquefied natural gas) in Swinoujscie is the first such investment, not only in Poland but in Central and Eastern Europe. The technical design of the terminal was completed in 2009. LNG terminal design has been made according to European standards and recent technological solutions. Construction works of the terminal began in 2011. It is a flagship investment for Polish policy of diversification of gas supplies. Having LNG terminal will enable liquefied natural gas reception from virtually anywhere in the world and a diversification of supply sources will improve the energy security of Poland. Within the project it is planned to built pipelines to receive LNG from ships, tanks and installations for LNG regasification.

Additionally, there are many other projects carried out, related to preparation of the port and transport infrastructure, namely: the construction of the breakwater shielding and construction of piers for LNG tankers.

The main assumptions imply that after the first phase of construction of the LNG terminal, it will be able to take 5 billion m3 of gas per year

The project includes the ongoing tasks:

• the construction of two tanks for liquefied gas with a volume of about 160 thousand m³ each,

• the construction of infrastructure needed for transportation, regasification and main- tenance supplies.

Erection of the two cylindrical tanks with a height of 40 m and 80 m in diameter in slip forming technology required from each party of a process a perfect preparation for the two continuous casting works lasting over three weeks each.

This paper describes the preparation and execution of tank walls starting from con- crete mix design assumptions, through laboratory and field trials and finishing on the implementation.

(3)

Realizacja ścian zbiorników na płynny gaz ziemny w technologii ślizgowej ...

3

1. Wstęp

Ostatni dzień listopada 2011. to symboliczna data, będąca metą i „kamienien milowym”

pewnego etapu budowy gazoportu w Świnoujściu. To właśnie wtedy zakończyło się ciągłe betonowanie drugiego zbiornika na terminalu LNG.

W niespełna dwa miesiące stanęły betonowe ściany dwóch zbiorników na ciekły gaz, które w przyszłości będą stanowić osłonę cylindrów wykonanych ze stali kriogenicznej.

Te monolityczne budowle to jedne z największych zbiorników tego typu w Europie o wy- sokości ponad 40 metrów i średnicy 80 metrów. Do wznoszenia ścian zbiorników wyko- rzystano metodę ślizgową tzw. slip-forming. Proces betonowania, trwający nieprzerwanie przez 24 godziny na dobę, wymagał doskonałej koordynacji prac związanych z dostawą i wbudowaniem betonu, podnoszeniem szalunku ślizgowego oraz montażem kolejnych elementów konstrukcji szkieletu. Tempo betonowania pozwalało, dzięki sprzyjającym jak na tę porę roku warunkom, rosnąć konstrukcji średnio 2 m na dobę.

Wbudowanie ostatniej partii betonu zakończyło długi proces przygotowawczy związany z wyborem i sprawdzeniem optymalnych rozwiązań recepturowych, opraco- waniem technologii i sposobu betonowania oraz wypracowaniem optymalnego systemu kontroli jakości.

2. Opracowanie rozwiązania recepturowego

Na podstawie pierwszych dostępnych danych o wymaganiach dla betonu przeznaczonego na konstrukcję zbiorników na ciekły gaz ziemny, został przeprowadzany program badaw- czy polegający na sprawdzeniu wybranych rozwiązań spoiwowych i materiałowych pod kątem wymagań specjalnych, m.in oceny wytrzymałości na ściskanie betonu poddanemu badaniom kriogenicznym, czyli określeniu utraty wytrzymałości i masy w wyniku zanu- rzenia na czas 1 godziny próbek w ciekłym azocie o temperaturze – 196^oC oraz określeniu współczynnika rozszerzalności cieplnej betonu w zadanym zakresie temperatur[1,2].

2.1. Proces kwalifikacji receptury – badania laboratoryjne

Uzyskane z projektu badawczego wyniki pozwoliły na opracowanie podstawowej wersji rozwiązania recepturowego uwzględniając jednocześnie wymagania zawarte w specyfikacji technicznej [3] oraz dodatkowe cechy użytkowe wynikające z technologii realizacji.

Wymagania dla betonu na ściany zbiorników obrazuje Tabela 1.

Jako podstawową i bazową recepturę, gwarantującą spełnienie powyższych parame- trów, przyjęto rozwiązanie w oparciu o cement hutniczy CEM III/A 32.5 N LH/HSR/NA, grysy gnejsowe o maksymalnym wymiarze ziarna D_max=22 mm oraz domieszki chemiczne w układzie: superplastyfikator PCE-plastyfikator-napowietrzacz.

W procesie projektowania recepturowego, jednymi z głównych czynników deter- minujących dobór domieszek chemicznych były: uzyskanie początkowego rozpływu w górnej granicy klasy konsystencji F 5 (przy w/c = 0,34), utrzymanie konsystencji przez 2 godziny (klasa F 4) oraz osiągnięcie wytrzymałości na ściskanie po 10 godzinach, o precyzyjnie określonej wartości 1 MPa. Z szeregu przeprowadzonych prób laboratoryjnych wytypowano układ trzech domieszek, które złożyły się na podstawową recepturę mieszanki. Były to: superplastyfikator na bazie eteru polikarboksylowego (Glenium ACE 430) domieszka dedykowana do betonu używanego w prefabrykacji, w której molekuły polimerowe zbudowane są z bardzo krótkich łańcuchów głównych, dzięki czemu możliwe

(4)

jest silne upłynnienie mieszanki, przy jednoczesnym uzyskaniu wysokich wytrzymałości wczesnych; plastyfikator na bazie lignosulfonianu magnezowego – Liquol BV 18, o wła- ściwościach plastyfikująco - opóźniających; napowietrzacz naturalny– Mischoel LP 70 wprowadzający do betonu mikropory tworzące optymalną strukturę napowietrzenia, co zostało poparte wynikami badań mrozoodporności i badań kriogenicznych.

W celu osiągnięcia pożądanych parametrów reologicznych mieszanki oraz trwało- ściowych betonu, należało wyjść poza schematyczne rozwiązania, dlatego też w betonie towarowym został użyty superplastyfikator do prefabrykacji. Dzięki temu możliwe było wbudowanie mieszanki w technologii ślizgu przy zachowaniu pożądanej urabialności betonu – po 2 godzinach konsystencja mieszanki była klasy F 4, natomiast po 10 godzinach wytrzymałość na ściskanie dojrzewającego betonu sytuowała się na poziomie 1 MPa. Dzięki użyciu silnie upłynniającego superplastyfikatora można było wytwarzać beton o niskim współczynniku w/c, co miało korzystny wpływ na spełnienie wysokich wymogów trwa- łościowych stawianych w specyfikacji technicznej. Użycie plastyfikatora, miało na celu regulowanie czasu wiązania oraz dodatkowo poprawę urabialności mieszanki poprzez zwiększenie jej spoistości. Z uwagi na zmienne warunki atmosferyczne, obniżenie lub zwiększenie dozy plastyfikatora względem recepty podstawowej, odpowiednio przyspie- szało lub opóźniało czas wiązania. W konsekwencji zabieg ten umożliwiał zachowanie równego tempa wznoszenia konstrukcji.

Oprócz standardowych laboratoryjnych badań wstępnych z zakresu sprawdzenia reologii mieszanki w czasie oraz określenia parametrów wytrzymałościowych betonu, przeprowadzono także testy, polegające na sprawdzeniu wpływu zmiennego dozowania Tabela 1. Wymagania dla mieszanki betonowej i betonu ścian zbiorników

Parametry mieszanki betonowej i stwardniałego

betonu Kryteria akceptacji

Klasa konsystencji - wg PN-EN 12350-5 [F] F4, a najlepiej F5

Czas urabialności po 2 h (rozpływ minimum 40 cm)

Zawartość powietrza 4% (dla klasy ekspozycji XF2)

Maksymalna temperatura mieszanki 32°C

Klasa zawartości chlorków Cl 0.1

Całkowita zawartość SO₃ w betonie Poniżej 4%

Klasa wytrzymałości C50/60 (dla badań wstępnych

fck+6)

Wytrzymałość na ściskanie po 10h 0.8-1.0 MPa

Wytrzymałość na rozłupywanie ≥ 4.0 MPa

Strata wytrzymałości na ściskanie jednym cyklu w temperaturze -196°C w porównaniu do 6 próbek

odniesienia max 20%

Strata wytrzymałości próbek po 20 cyklach zamraża- nia i rozmrażania w temperaturach od –18°C do +5°C przy zastosowaniu procedury B ASTM C666, “Meto- da badania odporności betonu na nagłe zamrażanie i rozmrażanie”

max 20%

(5)

5 poszczególnych składników receptury na zmiany wartości wzorcowych z zarobu zerowego zwanych badaniami wrażliwości [tabela 2].

Tabela 2. Zakres badań wrażliwości

Zmiana składnika Zakres zmian - zaroby

wzorcowy II III IV V VI VII

cement b/z +15 kg -15 kg b/z b/z b/z b/z

woda b/z b/z b/z +10 dm³ -10 dm³ b/z b/z

zmiana piasek / grys b/z b/z b/z b/z b/z +10% - 10%

Na podstawie obserwacji i analizy wyników przeprowadzonych testów określono odporność mieszanki betonowej i wrażliwość parametrów stwardniałego betonu na przypadkowe zmiany i różnice w dozowaniu surowców, jako dobre. Tylko w przypadku zwiększenia ilości wody zarobowej o 10 litrów/m³, nie została osiągnięta nawet wytrzymałość charakterystyczna f_ck, co było spowodowane także wyższą zawartością powietrza w mieszance betonowej, przekraczającą 8.5% Dodatkowym atutem tych badań była możliwość szybkiej oceny jej skutków na zakładane wartości graniczne wszystkich parametrów w toku procesu produkcyjnego i ich wpływu na docelową jakość mieszanki i stwardniałego betonu [Rys 1 i 2].

0 10 20 30 40 50 60 70

Konsystencja rozpływ [cm]

I II III IV V VI VII

Numer zarobu Badania wrażliwości - konsystencja

t=5 min t=60 min t=120 min

Rys. 1. Badania wrażliwości - reologia

Badania wrażliwości - wytrzymałość

0 10 20 30 40 50 60 70 80

I II III IV V VI VII

Numer zarobu

Wytrzymałość na ściskanie [MPa]

fc2 fc7 fc28

Rys. 2. Badania wrażliwości – wyniki badań wytrzymałości

(6)

Celem tych badań była możliwość szybkiej oceny jej skutków na zakładane warto- ści graniczne wszystkich parametrów w toku procesu produkcyjnego i ich wpływu na docelową ocenę jakości.

Dodatkowo, zgodnie z wymaganiami dokumentacji technicznej i w ramach kwalifikacji receptury, dla wzorcowego betonu przeprowadzono badania kriogeniczne w temperaturze – 196^oC oraz określono odporność na 20 cykli cieplnych zamrażanie i odmrażanie zgodnie z ASTM C-666. Otrzymane wyniki zestawiono w tabeli 3 [4].

Tabela 3 – Wyniki badań kriogenicznych.

Rodzaj badania

Wytrzymałość na ściska-

nie [MPa] Spadek wytrzymałości [%]

Próbek

świadków Próbek

badanych Wynik

badania Wymagania Odporność betonu na jeden cykl

cieplny w temperaturze -196°C. 68.8 58.8 14.5 Odporność betonu betonu na ≤ 20

zamrażanie i rozmrażanie à 20 cykli w zakresie temperatur -18°C do + 5°C

68.8 67.3 2.2

2.2. Proces kwalifikacji receptury – próby przemysłowe

Kolejnym etapem było potwierdzenie uzyskanych wyników z laboratorium w procesie produkcji na wytwórni wiodącej oraz wytwórniach rezerwowych, mających w przypadku awarii głównej dostarczać beton. Na próbach w skali przemysłowej zostały pozytyw- nie zweryfikowane wszystkie wyniki badań wstępnych. Dla każdego z trzech pełnych zarobów wykonanych w każdej wytwórni zgłoszonej do procesu betonowania zostały przeprowadzone następujące testy:

– badania konsystencji metodą stolika rozpływowego w odstępach czasowych T₀, ,T₃₀,T₆₀, T₉₀ i T₁₂₀ ,

– pomiar zawartości powietrza w betonie metodą ciśnieniową w odstępach czasowych T₀ ,T₆₀ i T₁₂₀ ,

– pomiar temperatury powietrza i mieszanki betonowej przy każdym badaniu metodą stolika rozpływowego/opadu stożka,

– wizualna ocena mieszanki betonowej (wycieki, rozdzielenie,...), – próba pompowalności.

W ramach kontroli parametrów stwardniałego betonu przeprowadzono badania wytrzymałości na ściskanie po 3, 7 i 28 dniach. Na podstawie uzyskanych wyników zakwalifikowano wytwórnie do dostaw betonu na realizację ścian zbiorników.

2.3. Proces kwalifikacji receptury – „mały ślizg”

W ramach kolejnego programu badawczego zostały przeprowadzone także testy „quasi- -produkcyjne”, mające określić zachowanie się mieszanki betonowej w procesie ślizgu. Do tego celu została przygotowana makieta laboratoryjna, odzwierciedlająca w pomniejszonej skali wymiary szalunku ślizgowego [fot. 1]. Symulując realne warunki wbudowania betonu, sprawdzono wpływ temperatury zewnętrznej oraz modyfikacji receptur na czasy

(7)

7 wiązania betonu pod kątem uzyskania optymalnej wytrzymałości wczesnej, umożliwiającej podniesienie szalunku [tabela 4].

Tabela 4. Zestawienie wyników prób na „małym ślizgu”

Wariant receptury

Temperatura mieszanki betonowej

[^oC]

Temperatura otoczenie i dojrzewania próbek

[^oC]

Wytrzymałość na ściskanie

fc_24h [MPa]

Czas pierwszego podnoszenia

„ślizgu”

„Basic” mix 23-24 20-21 16.4 385 minut

„Basic” mix 24-25 15-17 11.2 395 minut

„Basic” mix 21-22 10-11 6.2 455 minut

„Basic” mix 18-20 5-6 3.0 525 minut

„Slow” mix 23-24 20-21 4.8 525 minut

„Fast” mix 20-22 4-5 4.6 410 minut

Fot. 1. Widok makiety laboratoryjnej

3 . Przygotowania do realizacji

Zanim przystąpiono do wykonania zbiorników, na placu budowy została wykonana makieta, odwzorowująca w skali naturalnej fragment ściany i płyty fundamentowej zbiornika wraz z kompletnym zbrojeniem. Wykonanie próbnego ślizgu na budowie było próbą generalną przed właściwym betonowaniem. Jej celem było skoordynowanie wszystkich stron procesu, tak by w rezultacie zachować ciągłość betonowania. Dodatkowo wykonanie

(8)

ślizgu próbnego pozwoliło na weryfikację problemów, jakie powstają podczas wznoszenia konstrukcji i przygotowanie się do ich rozwiązania. Ponadto możliwe było sprawdzenie w skali przemysłowej założeń recepturowych dla poszczególnych mieszanek: „Basic” mix,

„Fast” mix i „Slow” mix, oraz weryfikacja zachowania się betonu podczas transportu, wbudowania, wznoszenia szalunku oraz dojrzewania. Podczas wykonywania próbnego ślizgu sprawdzano kilka metod zabudowy mieszanki betonowej, grubości układanych warstw, sposobu wibrowania oraz koordynacji prac związanych z układaniem zbrojenia, rur do kabli sprężających i tempa podnoszenia platformy.

W trakcie betonowania zasymulowano także przerwę trwająca około 8 godzin, aby sprawdzić czy przyjęty schemat działań awaryjnych, określonych specjalną procedurą zostanie właściwie zrealizowany i czy zostaną wdrożone wszystkie działania, mające na celu zabezpieczenie „rosnącej” ściany przed powstaniem „zimnego łącza”.

Przebieg próby potwierdził założenia recepturowe oraz wyniki badań kwalifikacyj- nych. Trzy doby ciągłego betonowania, po upływie których powstała ściana o wysokości około 6 m, stanowiły dobrą zaliczkę i dostateczny bagaż doświadczeń przed rozpoczęciem wznoszenia właściwej konstrukcji.

Fot. 2. Widok makiety w skali naturalnej

4. Realizacja ślizgu

Jak wiadomo, okres jesienny nad polskim Bałtykiem charakteryzuje się raczej nieprze- widywalną pogodą i sztormami, które oprócz wilgotnego powietrza, niosą ze sobą silne podmuchy wiatru dochodzące nawet do 100 km/h. Tego zjawiska obawiano się najbardziej ze względu na konieczność ciągłej pracy dźwigów, która w przy takich warunkach mu- siałaby zostać wstrzymana, a przez to ustałby cały proces wznoszenia. Jednakże „polska

(9)

9 złota jesień” była łaskawa dla wszystkich i to zarówno temperaturowo (tylko przez kilka nocy słupek rtęci utrzymywał się delikatnie poniżej 0^oC), jak i w kwestii wiatru.

Realizację ślizgu pierwszego zbiornika rozpoczęto w pierwszych dniach października 2011 roku, a zakończono pod koniec tego miesiąca. Wznoszenie drugiego zbiornika rozpo- częto 12 listopada 2011 roku, a już 1 grudnia 2011 ściany obu zbiorników były skończone.

Łącznie wbudowano 18 000 m³ betonu klasy C 50/60. Zabetonowanie drugiego zbiornika trwało 20 dni; średnia prędkość wznoszenia wyniosła 2,3 m na dobę; maksymalna prędkość ślizgu sięgnęła wartość 2,7 m na dobę – tempo bardzo szybkie przy realizacji tego rodzaju konstrukcji. Zapewnienie odpowiedniej jakości i szczelności konstrukcji ścian zbiorników oraz terminowości wykonania, determinowało rozwiązanie z wykorzystaniem szalunku ślizgowego. Z uwagi na trudne warunki atmosferyczne, w zastosowanej technologii ślizgu użyto sprzęt, który mógł pracować w temperaturach do – 20° C. Dodatkowo został zaprojektowany system zabezpieczający dojrzewający beton (podgrzewanie i bariera ochronna).

Fot. 3 Szalunek ślizgowy – przekrój

Realizacja konstrukcji w technologii ślizgu wymagała dokładnego planowania całe- go procesu, począwszy od ścisłej kontroli produkcji betonu, przez koordynację dostaw betonu na budowę i pracy w wymiarze całodobowym przez siedem dni w tygodniu, a skończywszy na precyzyjnym wznoszeniu konstrukcji centymetr po centymetrze, przy jednoczesnym pielęgnowaniu i wykańczaniu powierzchni betonu. Największym wyzwaniem było utrzymanie tempa wznoszenia przy zmiennych warunkach pogodo- wych, związanych również z porami dnia i nocy. Parametr ten determinował organizację i rytm dostaw betonu na budowę, która kształtowała się w zakresie 20 – 25 m³ betonu na godzinę (4 betonowozy na godzinę). Przed wbudowaniem mieszanki, pobierano i bada- no próbki z każdego betonowozu (badania: konsystencji, gęstości, zawartości powietrza

(10)

i temperatury) – procedura zgodna ze specyfikacją techniczną. Następnie mieszanka została wbudowana przy pomocy czterech pomp stacjonarnych. Tempo wznoszenia było regulowane poprzez kontrolę twardnienia betonu w szalunku – ocena wizualna, metoda penetracji mieszanki przy użyciu pręta, w celu określenia głębokości, na której beton osiągnął pożądaną wytrzymałość. Dodatkowo, po podniesieniu szalunku, prowadzone były kontrole wizualne młodego betonu pod kątem jakości powierzchni, równoległości oraz dokładności połączeń i zawibrowania układanych w cyklach warstw.

5. Podsumowanie

Dzięki wykonaniu szeregu bardzo przemyślanych i specyficznych testów laboratoryjnych i przemysłowych oraz dobrej organizacji pracy, udało się wznieść ściany dwóch zbiorników w czasie krótszym od zakładanego w harmonogramie. Zastosowane środki ostrożności i procedury bezpieczeństwa testowane przez kilka miesięcy przygotowań, nie poszły na marne. Osiągnięty cel, będący efektem współpracy specjalistów i fachowców kilku branż z kilku krajów, jest doprawdy imponujący. Jak zwykle, beton okazał się materiałem trud- nym, ale pięknym i wdzięcznym, gdy spogląda się na tak monumentalne obiekty [fot 4].

Fot. 4. Widok zbiorników

Literatura

[1] Raport z badania nr 5.5.160.951/1 „Ocena właściwości pięciu serii betonów na podstawie dostarczo- nych próbek ustalonym ze Zleceniodawcą zakresie” – AGH 2010.

[2] P.Górak, A.Łagosz „Działania technologiczne skierowane na uzyskanie optymalnego składu betonu jako pierwszy etap przygotowania do realizacji metodą ślizgową ścian zbiorników na ciekły gaz w gazoporcie w Świnoujściu” – BTA.

[3] Specyfikacja techniczna „ Charakterystyka betonu dla zbiorników LNG - 20-CA-E-11830”.

[4] Raport z badań Nr LB00-1944/11/Z00NB – ITB 2011.