LNG船C型儲(chǔ)罐水壓試驗(yàn)基座設(shè)計(jì)研究

摘" " 要：為檢驗(yàn)船用C型LNG儲(chǔ)罐產(chǎn)品的可靠性，需要進(jìn)行相應(yīng)的耐壓試驗(yàn)，通常采用靜水壓力試驗(yàn)的方法。在制造以及存儲(chǔ)過程中，為了方便轉(zhuǎn)運(yùn)，一般采用兩個(gè)基座對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行支撐。由于C型儲(chǔ)罐體積大，靜水壓力試驗(yàn)時(shí)，需要灌滿水，重量較大，所以水壓試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)基座的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行相應(yīng)的考慮。本文采用有限元模擬的方法，分析靜水壓力試驗(yàn)對(duì)基座的受力影響，可為基座設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：LNG儲(chǔ)罐；耐壓試驗(yàn)；基座

中圖分類號(hào)：663.7" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Design of Hydraulic Test Base for C-Type

Gas Storage Tank of LNG Carrier

TU Yuangen，" QIN Binwan，" CHEN Xuefeng，" QIN Xiaoyin，" FAN Yuhao

（ Guangzhou Wenchuan Heavy Industy Co.， Ltd.，" Guangzhou 510725， China ）

Abstract： To verify the reliability of marine Type C LNG storage tank products， the corresponding pressure tests are necessary， typically using the method of hydrostatic pressure testing. During manufacturing and storage， two pedestals are generally used to support the tank for easy transportation. Due to the large volume of Type C tanks， when conducting hydrostatic pressure test， it requires filling up the tank with water， resulting in significant weight. Therefore， the structural safety of the bases needs to be considered during the hydrostatic pressure test. This paper employs the finite element simulation method to analyze the impact of hydrostatic pressure test on the stress of the bases， which can provide guidance for the base design.

Key words： LNG storage tank;" pressure test;" pedestal

1" " 引言

我公司承建9 500 LNG貨罐及甲板罐加工制作項(xiàng)目的C型LNG儲(chǔ)罐，單罐體的結(jié)構(gòu)凈重300 t，幾何體積約為4 500 m3，可注水約4 500 t。筒體/封頭材質(zhì)為X7Ni9（EN10 028-4），材料抗拉強(qiáng)度Rm=680～820 MPa，屈服強(qiáng)度Re=585 MPa。其外觀形狀如圖1所示。C型儲(chǔ)罐在船上的基座采用兩排式，位置與罐內(nèi)的加強(qiáng)環(huán)上，其中，加強(qiáng)環(huán)處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最高，真空環(huán)處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較小。為了檢驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性，需要進(jìn)行相應(yīng)的耐壓試驗(yàn)，通常以靜水壓力試驗(yàn)作為耐壓試驗(yàn)， 本項(xiàng)目試驗(yàn)的水壓為0.8 MPa，罐體和罐體內(nèi)的水的重量可達(dá)4 800 t。由于水的密度比LNG的密度大，所以需要重新設(shè)計(jì)專門用作耐壓試驗(yàn)的基座[1]。

2" " 罐體內(nèi)部靜水壓力分析

依據(jù)流體力學(xué)，罐體內(nèi)部靜水壓力大小可按式公式（1）計(jì)算[2]。

P=P0+ρgh" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：P0為水壓試驗(yàn)注入壓強(qiáng)，約為0.8 MPa；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3； g為重力加速度，9.81m/s2；h為計(jì)算點(diǎn)到注入點(diǎn)的高程差，向下為正，m。

圖2為罐內(nèi)注滿水及注入0.8 MPa氣壓后罐體截面壓力分布圖：罐體底部所受到的壓力最大，沿著高度的增高而逐漸減小[3-4]。

3" " "利用有限元對(duì)耐壓試驗(yàn)過程分析

3.1" "基座結(jié)構(gòu)以及布置

本項(xiàng)目在基座場(chǎng)地布置方案上，經(jīng)過綜合考慮設(shè)計(jì)，確保各基座位置合理，能夠有效分散載荷并減少基礎(chǔ)設(shè)施的施工難度。在場(chǎng)地布置中，基座的分布與布局考慮了場(chǎng)地的地質(zhì)條件、負(fù)載需求以及施工便捷性，確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。其基座場(chǎng)地布置如圖3所示，單個(gè)基座支撐如圖4所示，每個(gè)基座下面由6個(gè)地下基礎(chǔ)樁支撐[3]。

3.2" "有限元分析計(jì)算

為了深入分析不同工況下耐壓試驗(yàn)對(duì)基座結(jié)構(gòu)的影響，將重點(diǎn)模擬耐壓試驗(yàn)過程的多種注水工況，充分考慮不同注水條件對(duì)基座結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、基座結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)等方面的影響。具體的注水工況及其參數(shù)如表1所示，這些工況涵蓋了從罐體未注水到滿水狀態(tài)的多種情況，力圖全面模擬不同注水量對(duì)基座結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、基座結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)的影響。這些工況的研究不僅有助于更準(zhǔn)確地評(píng)估耐壓試驗(yàn)過程中基座結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，還能夠更好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中可能遇到的極限工況，為未來類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)支持。

考慮到整個(gè)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其在多種工況下的響應(yīng)，需對(duì)結(jié)構(gòu)及邊界條件進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以便于進(jìn)行有限元分析并獲得有效的計(jì)算結(jié)果。具體假設(shè)如下。

1）基礎(chǔ)樁支撐的簡(jiǎn)化

假設(shè)基座底面的基礎(chǔ)樁支撐為固定支撐，樁基表面不發(fā)生位移，即樁基表面的位移為初始零值。這一簡(jiǎn)化假設(shè)有助于減少計(jì)算量，并且較符合實(shí)際工程中基座與地面參考之間的主要約束條件。

2）罐體與基座之間的接觸條件

罐體與基座之間的邊界條件假定為僅發(fā)生靜摩擦接觸。這一假設(shè)意味著罐體與基座之間允許有接觸力，但在外力作用下，二者不發(fā)生相對(duì)位移，且接觸面之間的摩擦力將限制罐體在基座上的滑動(dòng)。靜摩擦模型有效反映了結(jié)構(gòu)在不同負(fù)載工況下的力學(xué)行為，特別是在考慮到可能的變形和接觸力時(shí)。

按照以上的兩種邊界條件假設(shè)，在表1的工況條件下，輸入到ANSYS workbench有限元分析軟件中進(jìn)行分析。通過有限元分析，可以得到各種工況下罐體與基座位移云圖以及應(yīng)力云圖，并將得到的基座最大變形位置、最大應(yīng)力大小和位置匯總到一起，如表2所示。其中，耐壓試驗(yàn)的工況1、工況5、工況6條件為典型的工況，輸入邊界條件及分析結(jié)果分別如圖5～圖13所示。

3.3" " 支點(diǎn)分析

利用ANSYS workbench有限元分析軟件，進(jìn)一步計(jì)算出6種工況下的支點(diǎn)反力，如表3所示（因支撐基座的支反力主要以垂直地面方向?yàn)橹鳎院雎云渌较蚍醋饔昧Γ榱烁苤庇^展現(xiàn)其結(jié)果，將表3轉(zhuǎn)換成折線圖，如圖14所示。

4" " 有限元結(jié)果分析

對(duì)比6種工況鞍座的計(jì)算分析結(jié)果，很顯然，基座中間部分并非是其應(yīng)力較大區(qū)域，而是兩側(cè)最外圍支點(diǎn)區(qū)域。而外側(cè)支點(diǎn)也是整個(gè)過程受力最大，明顯高于其余的四個(gè)支點(diǎn)。

以滿壓（0.8 MPa）狀態(tài)下為例，罐體的變形有一個(gè)變扁的過程，例如圖15（位移放大比例50倍，實(shí)線為原始輪廓線），故而基座兩側(cè)起到?jīng)Q定性支撐作用，造成兩側(cè)支點(diǎn)（支點(diǎn)1與支點(diǎn)6）的支反力大大高于其他支點(diǎn)，基座的中間部分（支點(diǎn)3與支點(diǎn)4）的支點(diǎn)反力較小。這與受靜水壓力狀態(tài)下的罐體所受的罐體內(nèi)部壓力分布所表現(xiàn)的情況所不同，基座兩側(cè)先于中部對(duì)罐體進(jìn)行支撐而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

對(duì)于未滿壓時(shí)，以罐內(nèi)水面高度四分之一時(shí)為例，支撐處局部罐體的變形有一個(gè)變扁的過程，例如圖16（位移放大比例200倍，實(shí)線為原始輪廓線），這是由于罐體在自重及注入水等載荷作用下，支撐處的罐體出現(xiàn)扁平趨勢(shì)，進(jìn)而造成基座兩端產(chǎn)生較大的應(yīng)力。而對(duì)比罐內(nèi)水面高度四分之一時(shí)的支點(diǎn)反力，兩側(cè)支撐產(chǎn)生的反力明顯高于中間部分。

無論是在滿壓工況下，還是在未滿壓狀態(tài)下，基座的兩側(cè)支點(diǎn)始終是結(jié)構(gòu)受力最為集中的區(qū)域。尤其是在罐體變形時(shí)，基座兩側(cè)的支撐作用起到了決定性的作用，導(dǎo)致兩側(cè)支點(diǎn)的支反力遠(yuǎn)高于中部支點(diǎn)。這一現(xiàn)象表明，在基座設(shè)計(jì)時(shí)，特別是在耐壓試驗(yàn)所考慮的工況下，需重點(diǎn)關(guān)注兩側(cè)支點(diǎn)的承載能力，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，基座中部的支點(diǎn)雖承受較小的反力，但其支撐作用同樣不可忽視，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況合理配置支點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以達(dá)到最佳的力學(xué)性能。

5" " "結(jié)論

本文應(yīng)用有限元分析技術(shù)，模擬C型儲(chǔ)罐在水壓耐壓試驗(yàn)過程對(duì)基座的影響，由此得出：對(duì)于筒狀支撐的基座，由于受到筒體變形的影響，基座兩側(cè)先于中部對(duì)罐體進(jìn)行支撐，受到的應(yīng)力要大于中間部分，故而在設(shè)計(jì)鞍座的時(shí)候，應(yīng)注重對(duì)兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，避免水壓耐壓試驗(yàn)過程對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、場(chǎng)地及人員的安全造成影響。

參考文獻(xiàn)

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