LNG船C型儲罐水壓試驗基座設計研究

摘" " 要：為檢驗船用C型LNG儲罐產品的可靠性，需要進行相應的耐壓試驗，通常采用靜水壓力試驗的方法。在制造以及存儲過程中，為了方便轉運，一般采用兩個基座對儲罐進行支撐。由于C型儲罐體積大，靜水壓力試驗時，需要灌滿水，重量較大，所以水壓試驗時需要對基座的結構安全進行相應的考慮。本文采用有限元模擬的方法，分析靜水壓力試驗對基座的受力影響，可為基座設計提供指導。

關鍵詞：LNG儲罐；耐壓試驗；基座

中圖分類號：663.7" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：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目的C型LNG儲罐，單罐體的結構凈重300 t，幾何體積約為4 500 m3，可注水約4 500 t。筒體/封頭材質為X7Ni9（EN10 028-4），材料抗拉強度Rm=680～820 MPa，屈服強度Re=585 MPa。其外觀形狀如圖1所示。C型儲罐在船上的基座采用兩排式，位置與罐內的加強環上，其中，加強環處結構強度最高，真空環處結構強度相對較小。為了檢驗產品的可靠性，需要進行相應的耐壓試驗，通常以靜水壓力試驗作為耐壓試驗， 本項目試驗的水壓為0.8 MPa，罐體和罐體內的水的重量可達4 800 t。由于水的密度比LNG的密度大，所以需要重新設計專門用作耐壓試驗的基座[1]。

2" " 罐體內部靜水壓力分析

依據流體力學，罐體內部靜水壓力大小可按式公式（1）計算[2]。

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

式中：P0為水壓試驗注入壓強，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為計算點到注入點的高程差，向下為正，m。

圖2為罐內注滿水及注入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" " "利用有限元對耐壓試驗過程分析

3.1" "基座結構以及布置

本項目在基座場地布置方案上，經過綜合考慮設計，確保各基座位置合理，能夠有效分散載荷并減少基礎設施的施工難度。在場地布置中，基座的分布與布局考慮了場地的地質條件、負載需求以及施工便捷性，確保整體結構的穩定性和經濟性。其基座場地布置如圖3所示，單個基座支撐如圖4所示，每個基座下面由6個地下基礎樁支撐[3]。

3.2" "有限元分析計算

為了深入分析不同工況下耐壓試驗對基座結構的影響，將重點模擬耐壓試驗過程的多種注水工況，充分考慮不同注水條件對基座結構應力分布、基座結構位移場等方面的影響。具體的注水工況及其參數如表1所示，這些工況涵蓋了從罐體未注水到滿水狀態的多種情況，力圖全面模擬不同注水量對基座結構應力分布、基座結構位移場的影響。這些工況的研究不僅有助于更準確地評估耐壓試驗過程中基座結構的響應，還能夠更好地體現結構在實際運行過程中可能遇到的極限工況，為未來類似項目的設計與優化提供有價值的數據支持。

考慮到整個結構的復雜性及其在多種工況下的響應，需對結構及邊界條件進行合理簡化，以便于進行有限元分析并獲得有效的計算結果。具體假設如下。

1）基礎樁支撐的簡化

假設基座底面的基礎樁支撐為固定支撐，樁基表面不發生位移，即樁基表面的位移為初始零值。這一簡化假設有助于減少計算量，并且較符合實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生靜摩擦接觸。這一假設意味著罐體與基座之間允許有接觸力，但在外力作用下，二者不發生相對位移，且接觸面之間的摩擦力將限制罐體在基座上的滑動。靜摩擦模型有效反映了結構在不同負載工況下的力學行為，特別是在考慮到可能的變形和接觸力時。

按照以上的兩種邊界條件假設，在表1的工況條件下，輸入到ANSYS workbench有限元分析軟件中進行分析。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力云圖，并將得到的基座最大變形位置、最大應力大小和位置匯總到一起，如表2所示。其中，耐壓試驗的工況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果分別如圖5～圖13所示。

3.3" " 支點分析

利用ANSYS workbench有限元分析軟件，進一步計算出6種工況下的支點反力，如表3所示（因支撐基座的支反力主要以垂直地面方向為主，所以忽略其他方向反作用力）。為了更能直觀展現其結果，將表3轉換成折線圖，如圖14所示。

4" " 有限元結果分析

對比6種工況鞍座的計算分析結果，很顯然，基座中間部分并非是其應力較大區域，而是兩側最外圍支點區域。而外側支點也是整個過程受力最大，明顯高于其余的四個支點。

以滿壓（0.8 MPa）狀態下為例，罐體的變形有一個變扁的過程，例如圖15（位移放大比例50倍，實線為原始輪廓線），故而基座兩側起到決定性支撐作用，造成兩側支點（支點1與支點6）的支反力大大高于其他支點，基座的中間部分（支點3與支點4）的支點反力較小。這與受靜水壓力狀態下的罐體所受的罐體內部壓力分布所表現的情況所不同，基座兩側先于中部對罐體進行支撐而產生較大的應力。

對于未滿壓時，以罐內水面高度四分之一時為例，支撐處局部罐體的變形有一個變扁的過程，例如圖16（位移放大比例200倍，實線為原始輪廓線），這是由于罐體在自重及注入水等載荷作用下，支撐處的罐體出現扁平趨勢，進而造成基座兩端產生較大的應力。而對比罐內水面高度四分之一時的支點反力，兩側支撐產生的反力明顯高于中間部分。

無論是在滿壓工況下，還是在未滿壓狀態下，基座的兩側支點始終是結構受力最為集中的區域。尤其是在罐體變形時，基座兩側的支撐作用起到了決定性的作用，導致兩側支點的支反力遠高于中部支點。這一現象表明，在基座設計時，特別是在耐壓試驗所考慮的工況下，需重點關注兩側支點的承載能力，以確保結構的穩定性和安全性。同時，基座中部的支點雖承受較小的反力，但其支撐作用同樣不可忽視，應根據實際工況合理配置支點位置和結構強度，以達到最佳的力學性能。

5" " "結論

本文應用有限元分析技術，模擬C型儲罐在水壓耐壓試驗過程對基座的影響，由此得出：對于筒狀支撐的基座，由于受到筒體變形的影響，基座兩側先于中部對罐體進行支撐，受到的應力要大于中間部分，故而在設計鞍座的時候，應注重對兩側支撐結構的加強，避免水壓耐壓試驗過程對產品結構的穩定性、場地及人員的安全造成影響。

參考文獻

[1]涂源根，陳雪豐，覃炳萬等.一種船用LNG液貨罐的水壓試驗結構及其設計方法：中國專利： CN202 310 639 984. 7[P]. 2023-06-30.

[2]丁玲.中小型LNG船C型獨立液罐設計關鍵技術研究[D].大連：大連理工大學， 2012.

[3]汪庠寶，韓繼文，張圣坤等.液化氣船液罐應力分析[J].中國海上油氣.工程， 1996（4）：28-35+4.

[4]張揚軍，彭杰，諸葛偉林.流體力學[M].北京：科學出版社，2019.