一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构及施工方法

本发明属于地下储氢，具体涉及一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构及施工方法。

背景技术：

1、储氢是实现氢经济以及完成供应链的关键环节之一，与地上储氢相比，地下储氢系统具有存储量大、安全性高、适用性广等优点。

2、目前，人工地下氢储存设施的主要思路是建设有衬砌的高压储氢竖井，但氢分子容易造成应力集中，引起金属塑性下降、诱发裂纹或断裂等氢脆现象，目前还未找到不易受氢脆现象影响的高强度钢，竖井的衬砌设计和材料选择成为建设此类设施的主要难点。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构及施工方法，采用双钢板混凝土组合衬砌，内钢板采用不锈钢、低碳钢或者不锈钢复合板，避免发生氢脆现象，外钢板采用普通高强钢，与内钢板及夹层混凝土联合承载，提高储氢竖井衬砌的承载能力、耐久性和抗冲击性能。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明的第一方面，提供了一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，包括组合衬砌；设置于组合衬砌顶部的氢气输送管道；以及设置于组合衬砌外侧和外部围岩内侧之间的回填混凝土；

4、所述组合衬砌为双钢板混凝土组合结构，沿高度方向分段预制，包括圆拱顶板、圆拱底板和若干个组合圆管段，各段之间采用榫卯法兰节点进行组装。

5、在一个实施例中，所述组合圆管段由若干个弧形的组合管片环向焊接而成；所述组合管片包括内钢板、外钢板、左右两端的侧板以及填充于内外钢板和左右侧板之间的夹层混凝土一。

6、在一个实施例中，所述内钢板外壁和外钢板内壁设置有若干个环向开孔肋板，所述环向开孔肋板沿组合衬砌高度方向等间距布置，且设置有沿组合衬砌环向方向均匀布置的预留孔一，预留孔一的开孔方向为组合衬砌高度方向。

7、在一个实施例中，所述圆拱顶板和圆拱底板包括半球壳内钢板、半球壳外钢板以及填充于两者之间的夹层混凝土二。

8、在一个实施例中，所述半球壳内钢板外壁和半球壳外钢板内壁设置有双向交错布置的开孔肋板，沿开孔肋板长度方向均匀布置有预留孔二。

9、在一个实施例中，所述内钢板和半球壳内钢板采用不锈钢、低碳钢或者不锈钢复合板，所述外钢板和半球壳外钢板，采用普通高强钢，钢板厚度不低于10mm，且不高于40mm。

10、在一个实施例中，所述夹层混凝土一和夹层混凝土二厚度不小于200mm，为轻质陶粒混凝土，超高性能混凝土(uhpc)、自密实混凝土和普通混凝土。

11、在一个实施例中，所述榫卯法兰节点包括设置若干个榫头的上法兰板、设置若干个l形榫槽的下法兰板、沿组合衬砌环向方向均匀布置的高强螺栓以及橡胶密封垫，所述下法兰板顶部焊接有与其外径相同的环形顶紧肋板。

12、在一个实施例中，所述榫头焊接于上法兰板底部，所述l形榫槽焊接于下法兰板顶部，且榫头与l形榫槽沿组合衬砌环向方向均匀布置。

13、本发明的第二方面，通过了第一方面所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构的施工方法，包括：

14、1)，在工厂，在内钢板外壁和外钢板内壁焊接环向开孔肋板，在半球壳内钢板外壁和半球壳外钢板内壁焊接开孔肋板；

15、2)，在工厂或现场，浇筑夹层混凝土一和夹层混凝土二，完成圆拱顶板、圆拱底板和若干个组合管片的加工，将组合管片环向焊接完成组合圆管段的加工；

16、3)，在现场，焊接上法兰板和下法兰板，相邻各段通过榫卯法兰节点组装完成组合衬砌的加工，在组合衬砌和外部围岩之间回填混凝土。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1)施工便捷

19、双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构构造形式简单，组合衬砌沿轴向分段组装，相邻各段通过榫卯法兰节点连接。内、外钢板充当浇筑混凝土的模板，无需支模拆模，缩短施工周期，提高施工效率。所有部件均在工厂标准化生产，现场采用榫卯法兰节点连接，施工方便，连接可靠。

20、2)性能提升

21、双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构充分利用材料的性能优势，内钢板采用不锈钢、低碳钢或者不锈钢复合板，避免发生氢脆现象，且防腐性能好，外钢板为普通高强钢，与内钢板及夹层混凝土联合承载，提高组合衬砌的承载能力、耐久性和抗冲击性能。内、外钢板设置开孔肋板，加强钢板与混凝土的协同工作能力。榫卯法兰节点承载能力高，刚度大，密封性能好。

22、3)造价低廉

23、双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构采用内、外钢板与混凝土共同受力，减少钢板用钢量，降低钢板强度等级，竖井衬砌顶板和底板采用圆拱设计方案，保证结构稳定的同时大幅减少材料用量，显著降低建造成本。

24、总体来说，一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构构造形式简单，内钢板采用不锈钢、低碳钢或者不锈钢复合板，外钢板为普通高强钢，提高组合衬砌的承载能力、耐久性和抗冲击性能，内、外钢板充当浇筑混凝土的模板，缩短施工周期，提高施工效率。榫卯法兰节点密封性能好，施工方便，连接可靠。竖井衬砌顶板和底板采用圆拱设计方案，大幅减少材料用量，显著降低建造成本，具有广阔的工程应用场景。

技术特征：

1.一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，包括组合衬砌(1)；设置于组合衬砌(1)顶部的氢气输送管道(2)；以及设置于组合衬砌(1)外侧和外部围岩(3)内侧之间的回填混凝土(4)；

2.根据权利要求1所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，所述组合圆管段(7)由若干个弧形的组合管片(9)环向焊接而成；所述组合管片(9)包括内钢板(10)、外钢板(11)、左右两端的侧板(12)以及填充于内外钢板和左右侧板之间的夹层混凝土一(13)。

3.根据权利要求2所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，所述内钢板(10)外壁和外钢板(11)内壁设置有若干个环向开孔肋板(14)，所述环向开孔肋板(14)沿组合衬砌(1)高度方向等间距布置，且设置有沿组合衬砌(1)环向方向均匀布置的预留孔一(15)，预留孔一(15)的开孔方向为组合衬砌(1)高度方向。

4.根据权利要求2所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，所述圆拱顶板(5)和圆拱底板(6)包括半球壳内钢板(16)、半球壳外钢板(17)以及填充于两者之间的夹层混凝土二(26)。

5.根据权利要求4所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，所述半球壳内钢板(16)外壁和半球壳外钢板(17)内壁设置有双向交错布置的开孔肋板(18)，沿开孔肋板(18)长度方向均匀布置有预留孔二(27)。

6.根据权利要求2或3或4或5所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，所述内钢板(10)和半球壳内钢板(16)采用不锈钢、低碳钢或者不锈钢复合板，所述外钢板(11)和半球壳外钢板(17)，采用普通高强钢，钢板厚度不低于10mm，且不高于40mm。

7.根据权利要求2或3或4或5所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，所述夹层混凝土一(13)和夹层混凝土二(26)厚度不小于200mm，为轻质陶粒混凝土，超高性能混凝土(uhpc)、自密实混凝土和普通混凝土。

8.根据权利要求1所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，所述榫卯法兰节点(8)包括设置若干个榫头(19)的上法兰板(20)、设置若干个l形榫槽(21)的下法兰板(22)、沿组合衬砌(1)环向方向均匀布置的高强螺栓(23)以及橡胶密封垫(24)，所述下法兰板(22)顶部焊接有与其外径相同的环形顶紧肋板(25)。

9.根据权利要求8所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，其特征在于，所述榫头(19)焊接于上法兰板(20)底部，所述l形榫槽(21)焊接于下法兰板(22)顶部，且榫头(19)与l形榫槽(21)沿组合衬砌(1)环向方向均匀布置。

10.根据权利要求1至9任一项所述一种双钢板-混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构的施工方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种双钢板‑混凝土组合结构的地下高压储氢竖井衬砌结构，包括组合衬砌，氢气输送管道，组合衬砌与外部围岩间的回填混凝土；组合衬砌为双钢板混凝土组合结构，沿高度方向分段预制，包括圆拱顶板、圆拱底板和若干个组合圆管段，各段之间采用榫卯法兰节点进行组装。本发明充分利用材料的性能优势，内钢板材料可避免发生氢脆现象，且防腐性能好，外钢板与内钢板及夹层混凝土联合承载，提高组合衬砌的承载能力、耐久性和抗冲击性能。钢板充当浇筑混凝土的模板，提高施工效率。榫卯法兰节点密封性能好，施工方便，连接可靠。竖井衬砌顶板和底板采用圆拱设计方案，大幅减少材料用量，显著降低建造成本，具有广阔的工程应用场景。技术研发人员：杨勇,张树琛,刘享阳,李梦婷,马银科受保护的技术使用者：西安建筑科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20