薄膜型LNG 儲罐外罐水壓試驗臨時封閉門的設計與分析

魏 明，王 軍，蔣小波，張雪峰，李金城，李 航

中國石油天然氣第六建設有限公司，廣西桂林 541004

實際工程中靜水壓試驗常用于驗證管道及儲罐等附屬建筑物的設計強度[1-4]，從而確保管道與儲罐在工程投入運行時能夠正常使用。薄膜型LNG 儲罐水壓試驗時，外罐有充水、排水的工況，試驗前需在外罐上設置一塊可活動的、能承受靜水壓強并可達到良好閉水效果的封閉門裝置。該裝置在水壓試驗結束后應便于拆卸，從而實現可重復利用?；诖?，本文結合北京燃氣天津南港薄膜型LNG 儲罐實際工程案例，介紹了封閉門裝置的設計研究成果。借助ABAQUS 有限元軟件模擬其承受水壓后的受力與變形性能，參考相關規(guī)范對模擬結果進行了分析驗證[5]。

1 薄膜型LNG儲罐外罐水壓試驗要求

北京燃氣天津南港LNG 應急儲備項目薄膜型儲罐外罐水壓試驗的液位高23.694 m，體積約140 144 m3，第一層混凝土壁留有兩個臨時施工門洞[6-7]。本文僅就承受更多水壓的大洞口展開論述；大洞口長5 520 mm，寬2 732 mm，洞頂標高+3.878 m。儲罐外罐罐壁為多邊形，均為56 條邊，該多邊形在附近洞口中部形成一個173.6°的夾角[8-10]，將總長分為3 100 mm 與2 420 mm 兩部分，洞口的四邊分別向外側延伸750 mm，以此作為洞口周圍預埋鋼板的尺寸，見圖1。

封閉門鋼板與洞口預埋鋼板禁止焊接，以此保證封閉門的可拆卸性；同時保證門洞位置防水材料在水壓試驗期間不發(fā)生滲漏，支撐架和鋼板加勁構件應具備足夠的剛度，防止封閉鋼板在水壓作用下產生較大的變形，整體結構示意見圖2。

圖1 門洞立面/mm

圖2 整體結構示意

2 加勁構件設計

儲罐最高充水高度為23.694 m，出于保守考慮，假設水高為25m，靜水壓強公式如下：

式中：γw為水的重度，N/m3；D為充水高度，m。

代入相關參數，則：

結合活載的分項系數1.5，則總壓強為0.375 MPa。

相比于角鋼與普通工字鋼，H 型鋼的截面面積分配更加合適，強重比更加合理；翼緣更寬，側向剛度更大，抗彎能力更強；翼緣兩表面相互平行，使得整體的連接、加工及安裝更加簡便，故在本工程中選取Q355H型鋼作為鋼板加勁構件。

鋼板尺寸最終定為15 mm×6 620 mm×3 832 mm，鋼板長寬比為6 620/3 832=1.73，為了充分利用材料性能，減輕結構整體重量，最終選取300 mm ×150 mm×6.5 mm×9 mm和300 mm×300 mm×10 mm×15 mm尺寸的H型鋼作為長短邊方向的受力構件。

依據GB 50017—2017《鋼結構設計規(guī)范》，鋼結構主梁的撓度容許值為l/400，次梁的撓度容許值為l/250[11]；令短邊方向的H 型鋼為主梁，長邊方向的H型梁為次梁，則次邊結構模型可近似看作拼接簡支梁，其最大撓度位于跨中位置處，受力見圖3；撓度計算公式如下：

圖3 次梁受力示意/mm

式中：vmax為最大撓度，mm；q為單位線荷載大小，N/mm；l 為跨度長度，mm；E 為Q355 彈性模量，2 100 000 N/mm2，I為H型鋼的截面慣矩，mm4。

對于長邊次梁結構，令vmax小于等于其撓度容許值，則5ql4/384EI ≤l/250；結合鋼板長邊6 620 mm，最終取l=1 000 mm，即縱向H型鋼間距為1 000 mm；兩側留出200 mm 的施工距離后，橫向布置5 根300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm 的H 型鋼，縱向布置7根300 mm×300 mm×10 mm×15 mm的H型鋼，結構形式見圖4。

圖4 門洞組合示意

3 非焊接結構設計

考慮到封閉門不允許焊接及防潮層保護的需要[9]，選擇在封閉鋼板后面添加一層橡膠P型水封。在以往實際工程案例中，橡膠P型水封被多次運用在不同領域[12-14]，它充分利用了橡膠的高彈性和壓縮變形性，能夠在各種荷載作用下產生彈性變形，因此可以實現緊固密封，防止漏滲水，同時可避免焊接。綜合考慮封閉鋼板的厚度為15 mm，靜水試驗充水高度為23.694 m，選用P50 型閘門水封，橡膠P型水封示意見圖5。

圖5 橡膠P型水封

考慮到水壓力的存在，為使整個封閉裝置在免焊接條件下附著在儲罐內壁埋件上，一方面通過固定封閉裝置進行固定，另一方面通過使橡膠P型水封在充水前提前進入壓縮狀態(tài)，從而更好地發(fā)揮防水作用。為此，選擇在靜水試驗前拉緊手拉葫蘆倒鏈的方法進行加壓，見圖6。

4 封閉門有限元模型建立

4.1 單元模型設置

采用ABAQUS 有限元軟件進行建模，封閉門模型簡化如下：橡膠P型水封與混凝土儲罐內壁采用八結點線性六面體實體單元，其中橡膠P型水封單元整體網格尺寸為40 mm，混凝土儲罐內壁單元整體網格尺寸為150 mm；H 型鋼與鋼板采用四結點曲面薄殼單元，單元整體網格尺寸為50 mm。Q355 鋼材采用理想彈塑性本構模型進行分析，常溫下屈服強度為355 MPa；混凝土與橡膠墊采用線彈性本構模型進行分析，封閉門模型見圖7。

4.2 接觸條件設置

橡膠P 型水封與混凝土儲罐內壁的相互作用定義為“表面與表面接觸”，法向行為定義為“硬接觸”，切向行為通過罰函數進行定義，摩擦系數取0.3[15-16]。鋼板與H型鋼、鋼板與橡膠P型水封之間采用“綁定”連接；數值模擬過程中，對內側罐壁的位移進行限制，具體表現形式為完全固定，U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 = UR3 = 0。

4.3 荷載工況設置

根據封閉門靜水試驗及施工過程中的工況，本模型共設置預拉力與水壓力兩種荷載，封閉門的自重在本模型中不予以考慮。出于最不利情況考慮，靜水壓力與錨拉桿預拉力在有限元模擬中均直接作用在鋼板上，荷載類型分別定義為“壓強”和“集中力”。

針對P 型水封面壓分布情況，結合試驗步驟將封閉門分成半水和滿水兩種工況分別進行分析，并計算了封閉門開設?300 mm 的進出水口工況下的應力和位移。

5 有限元模型分析

采用上述有限元模型通過ABAQUS 進行模擬計算，得出相應應力與位移分布云圖。對于H型鋼加勁構件的應力分布，最大應力分布在結構中間位置，最大值為256.3 MPa，并未達到Q355鋼材屈服強度值，即整個變形只發(fā)生在彈性階段，構件可以重復使用；封閉門鋼板添加進出水口后，H 型鋼加勁構件的最大應力分布情況與之前基本保持一致，最大值為262.7 MPa，增加約2.5%，有無進出水口并不影響H型鋼加勁構件的二次利用。加勁構件的應力分布見圖8。

圖8 H型鋼加勁構件應力/MPa

對于封閉鋼板的位移變形，其基本呈對稱分布，最大值為13.36 mm；出于保守考慮，將鋼板看作簡支梁，依據GB 50017—2017《鋼結構設計規(guī)范》，最大撓度容許值為l/400，其中l(wèi) 為受彎構件的跨度，本工程中l(wèi) 依據最不利情況取洞口長度5 520 mm，則13.36≤5 520/400 =13.8 mm，符合撓度限制；在封閉鋼板上添加?300 mm 進出水口后，鋼板的位移分布與前者保持一致，最大位移值為13.58 mm，相比之前提升約1.65%，依然滿足最大撓度要求，封閉鋼板的位移變形見圖9。

圖9 封閉鋼板位移/mm

對于橡膠P型水封的面壓，儲罐半充水狀態(tài)下P 型水封底邊的壓強均達到了滿充水水壓的一半，即0.187 5 MPa，頂邊除角部外均存在一定的壓力，能夠有效避免滲漏水；滿充水狀態(tài)下，P 型水封四周的壓強均大于0.375 MPa，滿足防水需要，橡膠P型水封面壓云圖見圖10。

圖10 橡膠P型水封壓力/MPa

6 封閉門施工流程

在整體結構受力滿足位移變形要求的情況下進行封閉門施工，步驟如下：

1）將3 650 mm × 3 832 mm × 15 mm 的鋼板與2 970 mm×3 832 mm×15 mm 的鋼板沿短邊方向從中間向兩端進行焊接，其中一塊與墻面的夾角保持為6°；整體鋼板拼接完成后，先由左向右在鋼板上焊接300 mm × 300 mm × 10 mm × 15 mm 的H型鋼，其最外側與鋼板的距離為200 mm；再由上往下于對應間隔位置處焊接300 mm × 150 mm ×6.5 mm × 9 mm 的H 型鋼，最外側與鋼板的距離不變；兩類H型鋼的交界處通過滿焊保證焊接質量。

2）在薄膜罐外罐熱角保護5 m 位置預埋鋼板[17]，頂部焊接2 只吊耳，耳板截面尺寸150 mm× 300 mm × 10 mm，吊耳懸掛2 只10 t 手拉倒鏈，用于懸掛整個封閉門裝置；按照300 mm 間隔焊接緊固螺絲，橡膠P型水封沿封閉鋼板外側布置固定于緊固螺絲上。

3）手拉葫蘆配合儲罐頂部軌道電動葫蘆將封閉門裝置布置在洞口，在洞口外側布置5根加強型鋼，每根型鋼連接3 條手拉葫蘆以便施加預拉力；先將所有手拉葫蘆張拉至5 kN，驗收合格后，再張拉至10 kN；直到水封不漏水為止[18]。

7 結束語

結合北京燃氣天津南港22×104m3薄膜型LNG儲罐外罐靜水壓試驗技術要求，采用有限元軟件建立封閉門模型，設置荷載、邊界條件及接觸條件，分析兩種荷載狀態(tài)下封閉門的變形和受力特性，研究設計了適用于大型薄膜型LNG 儲罐外罐的非焊接臨時密封門結構，并成功應用于北京燃氣天津南港6 臺22×104m3薄膜型LNG 儲罐外罐靜水壓試驗，為大型薄膜型LNG 儲罐建造技術在國內的推廣應用奠定了重要基礎。