LNG 儲罐隔震支座模擬更換方案評價

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我國正在進口更多的液化天然氣（LNG），并在沿海地區加速建造LNG 接收及貯存設施。為了提高LNG 儲罐在服役期內的抗震可靠性，許多儲罐采用了隔震技術，隨著大型LNG 儲罐的建造數量和運行年限增加，LNG 儲罐隔震支座將出現破損和老化，更換將成為必然要求。為了驗證LNG 儲罐隔震支座更換的可行性，并探索LNG 儲罐隔震支座更換方法，采用縮尺模型施工模擬試驗的方法對上述問題進行了研究，建立了LNG 儲罐隔震支座模擬更換試驗平臺，設計了3 種LNG 儲罐隔震支座更換及監測方案，對3 種方案進行了隔震支座模擬更換施工試驗研究，并對這3 種方案進行了技術分析、經濟性分析與工期分析。研究結果表明：①同步頂升更換方案、鑿除法更換方案、預設可更換結構更換方案均是適用的；②同步頂升法可以做到在結構無損的情況下對隔震支座進行更換，但其技術復雜程度高、技術難度大、作業要求最高；③鑿除法是一種免頂升的隔震支座更換方案，技術難度低，但更換效率低；④預設可更換結構的隔震支座更換方案技術難度低、經濟性最好，支座更換效率最快。結論認為，該研究成果填補了國內外在LNG儲罐隔震支座更換領域的技術空白，為LNG 儲罐隔震支座更換方案形成、監測體系的建立以及施工作業提供有益參考，對持續保障隔震LNG 儲罐的抗震安全性能具有重要指導意義。關鍵詞:LNG 儲罐隔震；隔震支座更換；同步頂升技術；鑿除法；可更換結構；試驗監測；經濟性；施工效率

0　引言為了緩解國內天然氣供應不足的矛盾，優化能源結構，改善生態環境，保證國民經濟持續健康發展，我國正在進口更多的液化天然氣（LNG），并在沿海地區加速建造LNG?接收及貯存設施。為了提高LNG?儲罐在服役期內的抗震可靠性，許多儲罐采用了隔震技術。迄今為止安裝有隔震支座的LNG?儲罐已超過20?座，部分隔震LNG?儲罐已運行了十幾年，而LNG?儲罐的服役期為50?年。相關調研資料顯示，目前有少量LNG?儲罐隔震支座出現了橡膠表層脫落的現象，儲罐服役期內很有可能進行隔震支座更換，而LNG?儲罐隔震支座的更換技術研究鮮有報道。國內對橋梁支座更換技術研究較多，多數橋梁支座更換應用了同步頂升技術^[1-7]。同步頂升技術對頂升設備的精度、控制器的性能、結構的監測等要求高^[8-11]。建筑隔震支座更換技術除同步頂升更換方案外，還有異步頂升更換方案^[12-17]。無論是同步頂升技術還是異步頂升技術，其目的是提升上部結構高度獲得支座更換空間，施工相對復雜，要求精準控制，成本相對較高。

目前，對LNG?儲罐隔震支座更換技術的研究較少，施工技術指標和質量控制標準缺失^[18-20]。為了驗證LNG?儲罐隔震支座更換的可行性，探索LNG?儲罐隔震支座更換方法，為LNG?儲罐隔震支座更換工作進行技術積累，采用縮小尺存模型施工模擬試驗的方法對上述問題進行了研究。設計了3?種LNG?儲罐隔震支座更換方案，并分別進行了隔震支座的更換施工，驗證了這3?種更換方案的適用性，并對其進行了經濟性分析與工期分析，希望為今后LNG?儲罐隔震支座更換工程積累經驗并提供有益參考。

1　LNG 儲罐隔震支座更換試驗臺

1.1　試驗模型

LNG?儲罐隔震支座模擬更換試驗臺結構如圖1所示：直徑13.0 m、厚度1.0 m?的混凝土圓形承臺，雙層雙向配筋；直徑1.0 m?的短柱，高度1.5 m?；12只直徑800 mm?的橡膠隔震支座。建成后的LNG?儲罐隔震支座更換試驗平臺如圖2?所示。

圖1　LNG?儲罐隔震支座模擬更換試驗臺立面圖

圖2　建成后的LNG?儲罐隔震支座模擬更換試驗臺照片

1.2　試驗監測

在試驗結構頂升位置附近布置12?個位移監測點，通過監測各觀測點實際位置與預期位置的差異，判斷和控制頂升過程。在混凝土承臺底板布置18?只應變計，監控同步頂升作業對罐體結構的影響。其中，17?號、18?號點位為補充監測點，在堆載過程中，17?號、18?號點位處出現裂紋，增設應變監測點用以監控裂紋的開展情況。監測傳感器平面布置如圖3所示。

圖3　傳感器布置平面圖

監測設備：行程300 mm?的KS30?型拉線式位移傳感器及數據采集系統，應變計及2?臺16?通道應變采集儀。

1.3　試驗堆載

3?種方案進行隔震支座更換試驗，全程設計堆載960 t，均勻分布于混凝土承臺上。

2　同步頂升法

2.1　同步頂升系統

PLC?同步頂升系統由液壓系統（油泵、油缸、管路等）、計算機控制系統、液壓千斤頂等幾個部分組成。液壓系統由計算機控制，可以自動完成同步位移、力和位移控制、位移誤差控制、行程控制、負載壓力控制；油缸液控單向閥及機械自鎖裝置可防止系統及管路失壓，保證負載、有效支撐等多種功能。試驗選用頂升力2 500 kN、行程100 mm?的液壓千斤頂（圖4）。

圖4　同步頂升用千斤頂照片

2.2　施工工具

施工工具包括液壓平板車、手動葫蘆及寬綁帶、叉車、“F”形杠桿、輔助旋轉板、扭矩扳手、滾軸等，F?形杠桿用以支座連接孔位調整（圖5）。

圖5　“F”形杠桿示意圖

2.3　同步頂升作業進行隔震支座更換施工

同步頂升方案進行隔震支座更換的施工作業流程如圖6?所示。施工步驟如下：

1）頂升支撐設計、加工及現場安裝，頂升支撐采用鋼管混凝土。

圖6　同步頂升方案隔震支座更換施工流程圖

2）支承結構上對稱布置同步液壓頂升設備，并在試驗承臺底和側面安裝位移監測設備。

3）實施同步頂升作業，提升試驗承臺高度，獲取隔震支座更換空間。同步頂升作業過程復雜，要求務必控制精準，分為試頂升作業和正式頂升作業兩個階段實施。具體實施步驟為：①將支座與承臺的連接螺栓擰松，給頂升作業留出位移空間。②試頂升3次，檢查千斤頂、頂升系統管路是否漏油，承臺混凝土是否有壓裂等異常情況。頂升位移量為3 mm，荷載增加按0 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm?進行。監測結果如圖7、8?所示，顯示各點位移同步性較好，應變監測值較小，結構無損傷，各點位油壓偏差不大于5%，同步液壓系統工作完全正常，可以進行正式頂升。③頂升高度遵循最小原則，即在能順利取出支座的情況下，盡可能減小頂升高度，此次頂升作業高度為10.0 mm。④頂升速度與精度控制：將速度控制在2 mm/min?以內，各點位的提升精度偏差控制在0.5 mm?以內，可以認為結構基本一直處于靜止狀態，頂升作業不會對結構受力和變形造成影響。⑤位移加載機制為：0 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm、6.0 mm、7.0 mm、8.0 mm、9.0 mm、10.0 mm。當頂升至設計高度時，判定支座可以取出，停止頂升，并鎖定所有液壓千斤頂，取出所有連接螺栓。

圖7　位移監測點位移—時間曲線圖

圖8　典型監測點應變監測曲線圖

4）逐個更換隔震支座。如圖9?所示，在混凝土支墩旁，設計支座取出方向側放置液壓平板車，拖曳綁帶與支座本體固定牢靠，拖曳綁帶另一端與手動葫蘆相連，拉動手動葫蘆，平移取出舊隔震支座。在手動葫蘆拉出隔震支座過程中，在隔震支座平移的路線上放置滾軸，便于支座平移取出。

當舊隔震支座完全平移至液壓平板車上后，下降液壓平板車高度，運出舊支座；在叉車的輔助下，快速轉移舊支座，并安放新支座至液壓平板車上，將新支座運抵混凝土支墩旁，從設計新支座進入方向側放置液壓平板車。

圖9　取出舊支座圖

5）安放新支座。抬升液壓平板車至設計高度，利用拖曳綁帶、手動葫蘆，平移拉入新支座至混凝土支墩上。利用輔助旋轉板及“F”形杠桿調整支座位置及螺栓孔位。當隔震支座大致就位后，利用橇棒抬升支座一側，將輔助旋轉板放入支座下連接板與下支墩上表面的間隙；用兩只“F”形杠桿對稱布置于支座兩側，卡口插入連接板螺栓孔中，旋轉調整支座位置直至支座連接板螺栓孔位與預埋套筒螺栓孔位完全對齊。

6）安裝螺栓。先安裝并擰緊上頂板2?顆對角螺栓提升支座高度，取出輔助旋轉板。再安裝其他螺栓，待其余支座更換完畢，進行同步回落。同步回落的控制要求與同步頂升一致，回落速度小于2 mm/min，各點位回落位移偏差小于0.5 mm，各點位油壓偏差小于5%。承臺回落后，擰緊螺栓完成支座更換。

2.4　監測結果

1）位移監測點的位移同步性很好，各點位的頂升精度偏差控制在0.5 mm?以內，驗證了同步頂升系統的有效性。

2）同步頂升以及支座更換過程中，各點位的應變數值往復上下震蕩，對監測數據進行數據處理排除漂移、擾動等因素后的統計結果如圖10?所示，所監測到的應變數值均較小，多數監測點位的應變值只有幾個微應變，應變最大值沒有超過10微應變，較小的應變監測結果驗證了頂升過程的同步性。

圖10　應變監測曲線圖

3　鑿除法

3.1　鑿除法進行隔震支座更換作業流程

鑿除法進行隔震支座更換的作業流程如圖11所示。

圖11　鑿除法進行隔震支座更換流程圖

3.2　鑿除法工具

鑿除法用到的工具有：電鎬、扭矩扳手、液壓平板車、火焰切割機、叉車、電焊機、自制可拆卸導軌裝置、手動葫蘆、繩索若干。

3.3　施工步驟

1）施工組織設計，確定鑿除更換施工順序。為了保證施工安全，確定鑿除法支座更換的原則為：先內后外；分批對稱施工。如圖12?所示：共分3?批次進行支座更換工作，分別按圖示1、2、3?順序更換。

圖12　鑿除法支座更換順序圖

2）臨時支撐設計、支撐加工及現場安裝就位（同頂升方案），千斤頂放置。提升千斤頂上表面至其表面與混凝土承臺密貼為止。

3）鑿除短柱錨固范圍內的混凝土，露出縱向主筋以及箍筋，剔除混凝土時注意保護好鋼筋籠。

4）拆除下錨固螺栓，取出下錨固件。錨筋與下支墩主筋通過橫向短鋼筋點焊連接的情況下，用火焰切割的方法使其分離。

5）自制裝配式可拆卸的導軌裝置（圖13），沿柱墩四周安裝牢靠。自制裝配式可拆卸的導軌裝置是根據現場支墩的測量數據進行設計，采用C?形鋼拼裝制作，用作支座下落的支撐平面，并用作移出支座的軌道。

圖13　自制裝配式可拆卸導軌裝置及其安裝照片

6）使用扭矩扳手移除隔震支座上連接板的錨固螺栓，讓支座平穩落到自制的導軌裝置上。利用手動葫蘆、綁帶等工具平移拉出隔震支座至移動液壓平板車上，運出舊支座并運入新支座。

7）抬升液壓平板車高度，利用手動葫蘆將新支座自液壓平板車上移至自制導軌裝置上。

8）用自制“F”形工具調整新支座孔位與原上部連接螺栓孔對齊。

9）對稱擰緊上部連接螺栓，抬升支座高度。

10）拆卸并移除自制的導軌裝置，安裝下支墩錨固件，擰緊所有螺栓。

11）用鼓風機清理下支墩鑿除區域混凝土墩臺表面的浮塵，并支模板。

12）從進料口灌注高強無收縮自流平灌漿料，灌漿料的強度等級至少比原支墩混凝土的強度等級高一級。

13）拆除模板，澆水養護。利用鑿除法進行隔震支座更換過程中，隔震層上部結構沒有明顯的擾動，混凝土承臺底板各應變監測點反饋的應變監測值變化極小。

4　預設可更換結構更換方案

4.1　可更換結構

應用可更換裝置進行隔震支座更換的思路是在隔震支座安裝時，預設隔震支座更換結構，當隔震支座需要更換時，通過取出預設可更換結構，獲取支座的更換空間，實現LNG?儲罐隔震支座的快速更換。本方案設計的可更換裝置如圖14?所示。為了減小取出可更換結構的摩擦阻力，鋼板一側安裝有超高分子量聚乙烯板，滑板表面設置有儲油槽，涂有潤滑硅脂；另一側安裝有鏡面不銹鋼。