魏 明，王 軍，蔣小波，張雪峰，李金城，李 航

中國(guó)石油天然氣第六建設(shè)有限公司，廣西桂林 541004

實(shí)際工程中靜水壓試驗(yàn)常用于驗(yàn)證管道及儲(chǔ)罐等附屬建筑物的設(shè)計(jì)強(qiáng)度[1-4]，從而確保管道與儲(chǔ)罐在工程投入運(yùn)行時(shí)能夠正常使用。薄膜型LNG 儲(chǔ)罐水壓試驗(yàn)時(shí)，外罐有充水、排水的工況，試驗(yàn)前需在外罐上設(shè)置一塊可活動(dòng)的、能承受靜水壓強(qiáng)并可達(dá)到良好閉水效果的封閉門裝置。該裝置在水壓試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)便于拆卸，從而實(shí)現(xiàn)可重復(fù)利用。基于此，本文結(jié)合北京燃?xì)馓旖蚰细郾∧ば蚅NG 儲(chǔ)罐實(shí)際工程案例，介紹了封閉門裝置的設(shè)計(jì)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(guān)規(guī)范對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析驗(yàn)證[5]。

1 薄膜型LNG儲(chǔ)罐外罐水壓試驗(yàn)要求

北京燃?xì)馓旖蚰细跮NG 應(yīng)急儲(chǔ)備項(xiàng)目薄膜型儲(chǔ)罐外罐水壓試驗(yàn)的液位高23.694 m，體積約140 144 m3，第一層混凝土壁留有兩個(gè)臨時(shí)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(zhǎng)5 520 mm，寬2 732 mm，洞頂標(biāo)高+3.878 m。儲(chǔ)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(gè)173.6°的夾角[8-10]，將總長(zhǎng)分為3 100 mm 與2 420 mm 兩部分，洞口的四邊分別向外側(cè)延伸750 mm，以此作為洞口周圍預(yù)埋鋼板的尺寸，見圖1。

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

圖1 門洞立面/mm

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意

2 加勁構(gòu)件設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐最高充水高度為23.694 m，出于保守考慮，假設(shè)水高為25m，靜水壓強(qiáng)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(guān)參數(shù)，則：

結(jié)合活載的分項(xiàng)系數(shù)1.5，則總壓強(qiáng)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(qiáng)重比更加合理；翼緣更寬，側(cè)向剛度更大，抗彎能力更強(qiáng)；翼緣兩表面相互平行，使得整體的連接、加工及安裝更加簡(jiǎn)便，故在本工程中選取Q355H型鋼作為鋼板加勁構(gòu)件。

鋼板尺寸最終定為15 mm×6 620 mm×3 832 mm，鋼板長(zhǎng)寬比為6 620/3 832=1.73，為了充分利用材料性能，減輕結(jié)構(gòu)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(zhǎng)短邊方向的受力構(gòu)件。

依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼結(jié)構(gòu)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(zhǎng)邊方向的H型梁為次梁，則次邊結(jié)構(gòu)模型可近似看作拼接簡(jiǎn)支梁，其最大撓度位于跨中位置處，受力見圖3；撓度計(jì)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(zhǎng)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(duì)于長(zhǎng)邊次梁結(jié)構(gòu)，令vmax小于等于其撓度容許值，則5ql4/384EI ≤l/250；結(jié)合鋼板長(zhǎng)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(cè)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(jié)構(gòu)形式見圖4。

圖4 門洞組合示意

3 非焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到封閉門不允許焊接及防潮層保護(hù)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(shí)際工程案例中，橡膠P型水封被多次運(yùn)用在不同領(lǐng)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(chǎn)生彈性變形，因此可以實(shí)現(xiàn)緊固密封，防止漏滲水，同時(shí)可避免焊接。綜合考慮封閉鋼板的厚度為15 mm，靜水試驗(yàn)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(gè)封閉裝置在免焊接條件下附著在儲(chǔ)罐內(nèi)壁埋件上，一方面通過固定封閉裝置進(jìn)行固定，另一方面通過使橡膠P型水封在充水前提前進(jìn)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(yàn)前拉緊手拉葫蘆倒鏈的方法進(jìn)行加壓，見圖6。

4 封閉門有限元模型建立

4.1 單元模型設(shè)置

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

4.2 接觸條件設(shè)置

橡膠P 型水封與混凝土儲(chǔ)罐內(nèi)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(shù)進(jìn)行定義，摩擦系數(shù)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(shù)值模擬過程中，對(duì)內(nèi)側(cè)罐壁的位移進(jìn)行限制，具體表現(xiàn)形式為完全固定，U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 = UR3 = 0。

4.3 荷載工況設(shè)置

根據(jù)封閉門靜水試驗(yàn)及施工過程中的工況，本模型共設(shè)置預(yù)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(yù)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(qiáng)”和“集中力”。

針對(duì)P 型水封面壓分布情況，結(jié)合試驗(yàn)步驟將封閉門分成半水和滿水兩種工況分別進(jìn)行分析，并計(jì)算了封閉門開設(shè)?300 mm 的進(jìn)出水口工況下的應(yīng)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(jìn)行模擬計(jì)算，得出相應(yīng)應(yīng)力與位移分布云圖。對(duì)于H型鋼加勁構(gòu)件的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)中間位置，最大值為256.3 MPa，并未達(dá)到Q355鋼材屈服強(qiáng)度值，即整個(gè)變形只發(fā)生在彈性階段，構(gòu)件可以重復(fù)使用；封閉門鋼板添加進(jìn)出水口后，H 型鋼加勁構(gòu)件的最大應(yīng)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(jìn)出水口并不影響H型鋼加勁構(gòu)件的二次利用。加勁構(gòu)件的應(yīng)力分布見圖8。

圖8 H型鋼加勁構(gòu)件應(yīng)力/MPa

對(duì)于封閉鋼板的位移變形，其基本呈對(duì)稱分布，最大值為13.36 mm；出于保守考慮，將鋼板看作簡(jiǎn)支梁，依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，最大撓度容許值為l/400，其中l(wèi) 為受彎構(gòu)件的跨度，本工程中l(wèi) 依據(jù)最不利情況取洞口長(zhǎng)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(jìn)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(duì)于橡膠P型水封的面壓，儲(chǔ)罐半充水狀態(tài)下P 型水封底邊的壓強(qiáng)均達(dá)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(qiáng)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(jié)構(gòu)受力滿足位移變形要求的情況下進(jìn)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(jìn)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(cè)與鋼板的距離為200 mm；再由上往下于對(duì)應(yīng)間隔位置處焊接300 mm × 150 mm ×6.5 mm × 9 mm 的H 型鋼，最外側(cè)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(zhì)量。

2）在薄膜罐外罐熱角保護(hù)5 m 位置預(yù)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(gè)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(cè)布置固定于緊固螺絲上。

3）手拉葫蘆配合儲(chǔ)罐頂部軌道電動(dòng)葫蘆將封閉門裝置布置在洞口，在洞口外側(cè)布置5根加強(qiáng)型鋼，每根型鋼連接3 條手拉葫蘆以便施加預(yù)拉力；先將所有手拉葫蘆張拉至5 kN，驗(yàn)收合格后，再?gòu)埨?0 kN；直到水封不漏水為止[18]。

7 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合北京燃?xì)馓旖蚰细?2×104m3薄膜型LNG儲(chǔ)罐外罐靜水壓試驗(yàn)技術(shù)要求，采用有限元軟件建立封閉門模型，設(shè)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(shè)計(jì)了適用于大型薄膜型LNG 儲(chǔ)罐外罐的非焊接臨時(shí)密封門結(jié)構(gòu)，并成功應(yīng)用于北京燃?xì)馓旖蚰细? 臺(tái)22×104m3薄膜型LNG 儲(chǔ)罐外罐靜水壓試驗(yàn)，為大型薄膜型LNG 儲(chǔ)罐建造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。