1、石油工程建设采输技术D0I:10.3969/j.issn.1001-2206.2023.05.011薄膜型LNG储罐外罐水压试验临时封闭门的设计与分析魏明，王军，蒋小波，张雪峰，李金城，李航中国石油天然气第六建设有限公司，广西桂林5410 0 4摘要：结合北京燃气天津南港2 2 10 4m薄膜型LNG储罐外罐静水压试验技术要求，利用橡胶P型水封的特性研制了一种非焊接式封闭门结构；通过运用有限元计算软件，建立封闭门整体模型，设置荷载、边界、接触条件，分析了在水压力作用下封闭门的变形和受力特性。分析结果表明：封闭门的设计满足安全需求，变形及所受应力均能较好地控制在安全范围内；封闭门的钢板加劲构件能
2、够很好地分担作用在表面的静水压力，满足可拆卸及多次利用的设计要求。该非焊接式临时密封门结构已成功应用于上述工程中6 台2 2 10 4m薄膜型LNG储罐外罐的静水压试验。关键词：临时封闭门；橡胶P型水封；有限元建模；应力应变分析Design and analysis of temporary sealing door for hydraulic tests of outer tankof LNG membrane storage tankWEI Ming,WANG Jun,JIANG Xiaobo,ZHANG Xuefeng,LI Jincheng,LI HangChina Petroleum
3、 6th Construction Co.,Ltd.,Guilin 541004,ChinaAbstract:According to the technical requirements of the hydrostatic pressure test for the outer tank of 220 000 m LNG membranestorage tank in Beijing Gas Tianjin Nangang,a non-welded sealing door structure is developed by the characteristics of P-type wa
4、terseal.By adopting the finite element software,this paper builds the whole model of the sealing door and sets the load,boundary,andcontact conditions.It analyzes the deformation and mechanical characteristics of the sealing door under the action of water pressure.Theanalysis results show that the d
5、oor design meets the safety requirements,and the deformation and stress can be well controlled within thesafe range.The steel plate stiffening members of the sealing door can well share the hydrostatic pressure acting on the surface,andsatisfy the design requirements of disassembly and repeated util
6、ization.The proposed door structure has been successfully applied to thehydrostatic pressure test of the outer tank of six 220 000 m LNG membrane storage tanks in the above project.Keywords:temporary sealing door;rubber P-type water seal;finite element modeling;stress and strain analysis实际工程中静水压试验常用
7、于验证管道及储罐等附属建筑物的设计强度1-4，从而确保管道与储罐在工程投人运行时能够正常使用。薄膜型LNG储罐水压试验时，外罐有充水、排水的工况，试验前需在外罐上设置一块可活动的、能承受静水压强并可达到良好闭水效果的封闭门装置。该装置在水压试验结束后应便于拆卸，从而实现可重复利用。基于此，本文结合北京燃气天津南港薄膜型LNG储罐实际工程案例，介绍了封闭门装置的设计研究成果。借助ABAQUS有限元软件模拟其承受水压后的受力与变形性能，参考相关规范对模拟结果进行了分析验证5。1薄膜型LNG储罐外罐水压试验要求北京燃气天津南港LNG应急储备项目薄膜型储罐外罐水压试验的液位高2 3.6 9 4m，体积
8、约140144m，第一层混凝土壁留有两个临时施工门洞6-7。本文仅就承受更多水压的大洞口展开论述；大洞口长552 0 mm，宽2 7 32 mm，洞顶标高+3.878m。储罐外罐罐壁为多边形，均为56 条边，该多边形在附近洞口中部形成一个17 3.6 的夹角18-10 1，将总长分为310 0 mm与2 42 0 mm两部分，洞口的四边分别向外侧延伸7 50 mm，以此作为洞口周围预埋钢板的尺寸，见图1。封闭门钢板与洞口预埋钢板禁止焊接，以此保证封闭门的可拆卸性；同时保证门洞位置防水第49 卷第5期57采输技术石由工程建设料性能，减轻结构整体重量，最终选取30 0 mm预埋钢板封堵门洞储罐内壁
9、2420173.6俯视图图1门洞立面/mm材料在水压试验期间不发生渗漏，支撑架和钢板加劲构件应具备足够的刚度，防止封闭钢板在水压作用下产生较大的变形，整体结构示意见图2。150 mm6.5 mm9mm和30 0 mm300 mm10mm15mm尺寸的H型钢作为长短边方向的受力构件。依据GB50017一2 0 17 钢结构设计规范，钢结构主梁的挠度容许值为U/400，次梁的挠度容许值为U/250ll；令短边方向的H型钢为主梁，长边方向的H型梁为次梁，则次边结构模型可近似看作拼接简支梁，其最大挠度位于跨中位置处，受力见图3；挠度计算公式如下：Umax=5ql*/384EI式中：max为最大挠度，m
10、m；q 为单位线荷载大小，N/mm；1为跨度长度，mm；E为Q355弹性模量，2100000N/mm，1为H型钢的截面惯矩，mm*H 3001506.59（2)等效表示为简支梁LNG薄膜储罐H 300 300 10 15封闭门图2 整体结构示意2加劲构件设计储罐最高充水高度为2 3.6 9 4m，出于保守考虑，假设水高为2 5m，静水压强公式如下：P=D式中：为水的重度，N/m；D 为充水高度，m。代人相关参数，则：P=1 104 25 10-=0.25 MPa结合活载的分项系数1.5，则总压强为0.37 5MPa。相比于角钢与普通工字钢，H型钢的截面面积分配更加合适，强重比更加合理；翼缘更宽
11、，侧向刚度更大，抗弯能力更强；翼缘两表面相互平行，使得整体的连接、加工及安装更加简便，故在本工程中选取Q355H型钢作为钢板加劲构件。钢板尺寸最终定为15mm6620mm3832mm，钢板长宽比为6 6 2 0/38 32=1.7 3，为了充分利用材1施工门洞图3次梁受力示意/mm对于长边次梁结构，令mx小于等于其挠度容许值，则5ql*/384EIU/250；结合钢板长边6 6 2 0 mm，最终取l=1000mm，即纵向H型钢间距为10 0 0 mm；两侧留出2 0 0 mm的施工距离后，横向布置5根300mm150mm6.5mm9mm的H型钢，纵向布置7 根30 0 mm300mm10mm
12、15mm的H型钢，结构形式见图4。(1)H型钢加劲构件图4门洞组合示意3非焊接结构设计考虑到封闭门不允许焊接及防潮层保护的需封闭钢板582023年10 月采输技术魏明等：薄膜型LNG储罐外罐水压试验临时封闭门的设计与分析要9 ，选择在封闭钢板后面添加一层橡胶P型水封。在以往实际工程案例中，橡胶P型水封被多次运用在不同领域12-14，它充分利用了橡胶的高弹性和压缩变形性，能够在各种荷载作用下产生弹性变形，因此可以实现紧固密封，防止漏渗水，同时可避免焊接。综合考虑封闭钢板的厚度为15mm，静水试验充水高度为2 3.6 9 4m，选用P50型闸门水封，橡胶P型水封示意见图5。点曲面薄壳单元，单元整体
13、网格尺寸为50 mm。Q355钢材采用理想弹塑性本构模型进行分析，常温下屈服强度为355MPa；混凝土与橡胶垫采用线弹性本构模型进行分析，封闭门模型见图7。储罐内壁H型钢橡胶止水带Y钢板图7 封闭门模型4.2接触条件设置橡胶P型水封与混凝土储罐内壁的相互作用定图5橡胶P型水封义为“表面与表面接触”，法向行为定义为“硬接考虑到水压力的存在，为使整个封闭装置在触”，切向行为通过罚函数进行定义，摩擦系数取免焊接条件下附着在储罐内壁埋件上，一方面通0.315-16。钢板与H型钢、钢板与橡胶P型水封之间过固定封闭装置进行固定，另一方面通过使橡胶P采用“绑定”连接；数值模拟过程中，对内侧罐型水封在充水前提
14、前进入压缩状态，从而更好地壁的位移进行限制，具体表现形式为完全固定，发挥防水作用。为此，选择在静水试验前拉紧手U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。拉葫芦倒链的方法进行加压，见图6。4.3荷载工况设置根据封闭门静水试验及施工过程中的工况，本模型共设置预拉力与水压力两种荷载，封闭门的自重在本模型中不予以考虑。出于最不利情况考虑，静水压力与锚拉杆预拉力在有限元模拟中均直接作用在钢板上，荷载类型分别定义为“压强”和“集中力”。针对P型水封面压分布情况，结合试验步骤将封闭门分成半水和满水两种工况分别进行分析，图6 门洞密封实例并计算了封闭门开设300mm的进出水口工况下的应力和位移。4封闭门有
15、限元模型建立5有限元模型分析4.1单元模型设置采用ABAQUS有限元软件进行建模，封闭门模型简化如下：橡胶P型水封与混凝土储罐内壁采用八结点线性六面体实体单元，其中橡胶P型水封单元整体网格尺寸为40 mm，混凝土储罐内壁单元整体网格尺寸为150 mm；H 型钢与钢板采用四结采用上述有限元模型通过ABAQUS进行模拟计算，得出相应应力与位移分布云图。对于H型钢加劲构件的应力分布，最大应力分布在结构中间位置，最大值为2 56.3MPa，并未达到Q355钢材屈服强度值，即整个变形只发生在弹性阶段，构件第49 卷第5期59采输技术石由工程建设可以重复使用；封闭门钢板添加进出水口后，H型钢加劲构件的最大
16、应力分布情况与之前基本保持一致，最大值为2 6 2.7 MPa，增加约2.5%，有无进出水口并不影响H型钢加劲构件的二次利用。加劲构件的应力分布见图8。.563e+02+2.3499e+0+236e-+09486e+8282e+0.069e+0248557e+018:423e+81:290e+81+4+2.56e+0+2:240e-01（a）无洞口加劲构件应力（b）有洞口加劲构件应力图8 H型钢加劲构件应力/MPa对于封闭钢板的位移变形，其基本呈对称分布，最大值为13.36 mm；出于保守考虑，将钢板看作简支梁，依据GB50017一2 0 17 钢结构设计规范，最大挠度容许值为40 0，其中1
17、为受弯构件的跨度，本工程中1依据最不利情况取洞口长度5520mm，则13.36 552 0/40 0=13.8 mm，符合挠度限制；在封闭钢板上添加300mm进出水口后，钢板的位移分布与前者保持一致，最大位移值为13.58mm，相比之前提升约1.6 5%，依然满足最大挠度要求，封闭钢板的位移变形见图9。：8:+1.336e+01+1.227e+01+1.117e+01+1.008e+01+8.989e+00+7.897e+00+6.805e+00+5.712e+00+4.620e+00+3.527e+00+2.435e+00+1.342e+00+2.500e-01（a）无洞口钢板位移图9 封闭
18、钢板位移/mm对于橡胶P型水封的面压，储罐半充水状态下P型水封底边的压强均达到了满充水水压的一半，即0.18 7 5MPa，顶边除角部外均存在一定的压力，能够有效避免渗漏水；满充水状态下，P型水封四周的压强均大于0.37 5MPa，满足防水需要，橡胶P型水封面压云图见图10。602023年10 月+1.235e+00+1.148e+00+1.060e+00+9.732e-01+8:859e-01+7.986e-01+7.113e-01+6:240e-01+5:367e-01+4:494e-81+3.621e-01+2.748e-01+1.875e-01.627e+02+0.000e+00+40
19、9e+025e+016e+02-1.098e+02+8.791e+01+6.606e+012:23e+81+4:421e+81+5:138e-81+1.358e+01+1.247e+01+1.136e+01+1.025e+01+9.138e+00+8.027e+008水口+6.917e+00+5.806e+00+4.696e+00+3.585e+00+2:474e+00+1:364e+00+2.529e-01（b）有洞口钢板位移+1:718e+00+1.606e+00+1.494e+00+1.382e+00+1.270e+00+1.158e+00+1.047e+00+9.346e-01+8:2
20、27e-81+7:108e-01+5.989e-01+4.869e-010:000e+00+3.750e-01（a）半水状态止水带压力（b）满水状态止水带压力图10 橡胶P型水封压力/MPa6封闭门施工流程在整体结构受力满足位移变形要求的情况下进行封闭门施工，步骤如下：1）将36 50 mm3832mm15mm的钢板与2970mm3832mm15mm的钢板沿短边方向从中间向两端进行焊接，其中一块与墙面的夹角保持为6；整体钢板拼接完成后，先由左向右在钢板上焊接30 0 mm300mm10mm15mm的H型钢，其最外侧与钢板的距离为2 0 0 mm；再由上往下于对应间隔位置处焊接30 0 mm15
21、0mm6.5mm9mm的H型钢，最外侧与钢板的距离不变；两类H型钢的交界处通过满焊保证焊接质量。2）在薄膜罐外罐热角保护5m位置预埋钢板17 ，顶部焊接2 只吊耳，耳板截面尺寸150 mm300mm10mm，吊耳悬挂2 只10 t手拉倒链，用于悬挂整个封闭门装置；按照30 0 mm间隔焊接进出紧固螺丝，橡胶P型水封沿封闭钢板外侧布置固定于紧固螺丝上。3）手拉葫芦配合储罐顶部轨道电动葫芦将封闭门装置布置在洞口，在洞口外侧布置5根加强型钢，每根型钢连接3条手拉葫芦以便施加预拉力；先将所有手拉葫芦张拉至5kN，验收合格后，再张拉至10 kN；直到水封不漏水为止18 。7结束语结合北京燃气天津南港2
22、2 10 4m薄膜型LNG储罐外罐静水压试验技术要求，采用有限元软件采输技术魏明等：薄膜型LNG储罐外罐水压试验临时封闭门的设计与分析建立封闭门模型，设置荷载、边界条件及接触条件，分析两种荷载状态下封闭门的变形和受力特性，研究设计了适用于大型薄膜型LNG储罐外罐的非焊接临时密封门结构，并成功应用于北京燃气天津南港6 台2 2 10 4m薄膜型LNG储罐外罐静水压试验，为大型薄膜型LNG储罐建造技术在国内的推广应用奠定了重要基础。参考文献1孔维俭.玉溪“三湖”生态水资源工程超长大管径高压力输水管道水压试验技术J.施工技术，2 0 19，48（S1）：147 6-1 478.2吴荣，李政，岭澳核电
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