鋼板倉常見故障分析及設計優(yōu)化

竇 玲

內(nèi)蒙古通遼市自來水公司設計室，內(nèi)蒙古通遼 028000

0 引言

近年來鋼板倉的應用日見增加，與傳統(tǒng)的鋼筋砼倉體相比，其具有建設工期短、建設費用低、維護費用低等優(yōu)勢。在容量5000m3～50000m3范圍內(nèi)，尤其具有優(yōu)勢。

鋼板倉由基礎、倉壁、倉頂和配套的進料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)等組成。目前進倉和出倉多采用氣力輸送，配合一定的倉底結構，其出料率可達90%以上甚至達到98%～99.9%，且結構簡單，使用成本低。如圖1。鋼板倉建設工期一般在120天以內(nèi)。

但是，由于多方面的原因，國內(nèi)鋼板倉發(fā)生故障甚至事故的情況時有發(fā)生，不僅造成人員傷亡和設備損失，還使用戶對鋼板倉的可靠性和優(yōu)點產(chǎn)生懷疑，對鋼板倉的推廣應用極為不利，因此很有必要進行相應的分析與設計完善，使鋼板倉真正發(fā)揮其優(yōu)勢。

圖1 鋼板倉立面圖

圖2 單廊道出料斷面圖

1 板倉設計概述

1）基礎設計：為了降低建設費用，多采用允許沉降的鋼筋砼筒殼薄壁整體基礎，對地基的均勻性和倉內(nèi)載荷的均勻性要求高；2）倉壁設計：多采用鋼板搭接形式，按空倉在內(nèi)外均壓下保持穩(wěn)定設計，即不受外壓，倉壁鋼板按滿倉的內(nèi)壓強度要求設計；3）倉頂設計：多采用球面薄殼拱頂，內(nèi)設支撐弦桿；4）進料設計：多為氣力輸送的管道從倉頂中央進料，基本體保證對倉底對稱下料；5）出料設計：多為氣動流化和物料自重流動結合，配合相應的倉底基礎表面形狀和下料口分割，這一部分目前有以下模式：

圖3 雙廊道出料斷面圖

圖4 雙廊道4點出料庫底圖

圖5 三廊道出料斷面圖

圖6 三廊道9點出料庫底圖

（1）單點單廊道出料；（2）多點單廊道出料（可為2點、3點、4點下料，很少采用）；（3）多點雙廊道出料（可為4點或6點、8點下料），如圖3，4；（4）多點三廊道出料（可為9點、11點、14點下料），如圖5，6。

各鋼板倉設計單位在這部分的處理也相互差別較大，但各種下料方法也各有利弊。單點單廊道出料具有防止倉內(nèi)偏載、控制簡單等優(yōu)點，但中心沖擊壓力大，需要設置減壓錐，并且出料率比多點出料略低，且流化運行成本略高。多點多廊道出料的出料率高，運行成本低，但控制復雜，且容易發(fā)生倉內(nèi)偏載而導致倉體傾斜等故障。

2 鋼板倉的常見故障及其原因

2.1 鋼板倉的常見故障

1）出料困難：倉內(nèi)物料無法正常出料；鋼板倉傾斜：基礎不均勻沉降使倉體傾斜；3）鋼板倉開裂：倉壁鋼板或倉頂鋼板本身或焊縫開裂；4）鋼板倉垮塌：外壓過大倉頂或倉壁鋼板失穩(wěn)塌陷。

2.2 出料困難的原因

物料板結，由于物料長期有存放積壓板結，或基礎裂紋滲水、倉內(nèi)結露、受潮等。

為防止此問題發(fā)生，要定期進行了流化操作，并在基礎設計、施工中嚴格執(zhí)行防水要求。施工時地基處理要按最不利情況考慮。此外，也有可能是倉內(nèi)堆料偏載導致基礎受力不均而出現(xiàn)裂紋使潮氣進入倉內(nèi)。其他還有氣力輸送的空氣干燥不足、倉內(nèi)外的氣壓平衡系統(tǒng)空氣干燥不足、鋼板倉建好后其氣密性不符合要求等原因。

如果物料板結使倉內(nèi)大量物料不能出庫，將導致停產(chǎn)，而且清庫工作量大且難以進行，屬于比較大的故障，因此必須絕對避免板結。

此外下料口故障等原因也可引起出料困難，但處理比較容易。

2.3 倉體傾斜的原因

1）倉內(nèi)物料堆積偏心或出料不均勻造成偏載；

2）地基局部浸泡或地基土質(zhì)不均勻。

其中第一種情況以多點出料的鋼板倉為主。后一種情況則各類鋼板倉均有可能發(fā)生。傾斜有可能導致倉體垮塌。傾斜發(fā)現(xiàn)后，可采取一些糾偏措施進行矯正。

2.4 倉體開裂的原因

1）偏載引起倉壁局部超載失穩(wěn)而開裂；

2）焊接強度不足或焊接有缺陷，造成焊縫開裂，屬施工質(zhì)量問題；

3）疲勞開裂，由于長期進出料引起倉內(nèi)的壓力反復變化，或者溫度變化導致倉體膨脹、收縮造成倉內(nèi)壓力變化，導致板材或焊縫疲勞開裂。

2.5 倉體垮塌

1）倉頂塌陷：因外部風、雪載荷作用，或因氣壓平衡不足，出料太快在倉內(nèi)產(chǎn)生負壓，將倉頂壓垮；

2）倉壁塌陷：因外部風載荷作用，或因氣壓平衡不足，出料太快在倉內(nèi)產(chǎn)生負壓，將倉壁壓垮?；蛭锪隙逊e偏斜引起失穩(wěn)開裂、進而垮塌。

3 鋼板倉的設計優(yōu)化

1）出料困難：設計完善的基礎防水結構，嚴格的地基處理要求，氣力輸送和氣壓平衡的空氣必須經(jīng)過嚴格的干燥，倉壁氣密性要嚴格控制。并盡量使出料廊道底面處于地下水位之上。必須設計下料口發(fā)生故障難以排料時的封料閥門，以實現(xiàn)下料口的維修與更換。并設計備用的緊急出料通料，以便安全清庫，處理意外板結等出料困難故障；

2）倉體傾斜：優(yōu)先采用剛性地基和剛性基礎，保證入料均勻堆放，并優(yōu)先采用單點出料方式。多點出料雖然有其優(yōu)點，但由于人為操作失誤或某些下料口發(fā)生故障時，易于導致物料偏斜。多點出料雖然可以配合相應的稱量、計量系統(tǒng)以保證各點出料量相同，進而防止物料偏載，但由于統(tǒng)計等誤差的累積，和人為誤操作，偏載的可能性實際是很高的，其主要優(yōu)點是由于不會發(fā)生各下料口同時發(fā)生故障而導致大量物料存于倉內(nèi)，有利于減少清庫工作量和難度，這對于單點出料來說有突出優(yōu)勢。此外多點出料的出料率較高。在土質(zhì)偏軟、或地基處理費用大的情況下可以采用允許沉降的基礎，但在土壤承載力較高的地區(qū)，應采用剛性不沉降基礎。

因此，如果采用允許沉降的基礎，則必須配套單點出料系統(tǒng)，以防止倉內(nèi)偏載，并設置緊急出料通道和系統(tǒng)。如果采用剛性不沉降基礎，則可以采用多點、多廊道出料系統(tǒng)，也需配有清庫通道。無論何種出料方式，均應優(yōu)先采用重力自流為主的出料方式，以減少使用能耗和維護費用，而以氣力流化出料為輔；

3）倉體設計應留著足夠的安全余量，并進行溫度應力與進出料壓力變化的疲勞驗算，要考慮物料偏斜的極限情況下倉體的穩(wěn)定性和強度要求。倉體應按受一定微負壓，最大雪載荷，最大風載荷、內(nèi)部物料偏斜存放這四種載荷共同作用進行設計，只有這樣才是安全的。正常情況，由于氣壓平衡的作用，倉內(nèi)不會出現(xiàn)負壓超標情況，但由于氣壓平衡系統(tǒng)的故障可能發(fā)生，且不易及時覺察，即使有檢測報警裝置也難免長期之后工作不良，而造成事故。因此，應當按照最不利的載荷組合進行設計。

倉壁應按筒殼設計，即設置環(huán)向和軸向加勁肋，加勁肋優(yōu)先采用T型截面，以提高倉壁的承載能力，并節(jié)省鋼材。在施工中必須優(yōu)先保證其環(huán)向加勁肋的完整性；

4）倉頂設計應采用加勁球殼并配有弦桿，應至少設計3個均壓閥，并配套干燥裝置。安排人員定期檢查，有故障及時修復，以確保倉壁內(nèi)外的壓力平衡。應在庫頂設置人工觀察的監(jiān)視孔，配合外部照明光源定期檢查庫內(nèi)物料的情況，以及時發(fā)現(xiàn)偏庫存放的情況，及時處理。此外，倉頂必須配有補壓裝置，保持倉內(nèi)總是處于微正壓狀態(tài)。否則一旦倉內(nèi)出現(xiàn)負壓，即使低于0.01N/mm2的負壓，也很有可能將倉體、倉頂壓垮；

5）為了防止晝夜、冬夏倉體溫度變化太大而產(chǎn)生應力和疲勞、以及倉內(nèi)結露等問題，倉體必須進行外保溫設計，可采取聚苯板、聚氨酯等保溫材料進行保溫、防腐。

4 其他措施

鋼板倉建設完畢，必須進行氣密性試驗，嚴格要求達標，不達標要，徹底處理。

在生產(chǎn)使用中，應根據(jù)物料的性質(zhì)確定時間間隔，定期對倉內(nèi)物料進行活化操作，以防止倉內(nèi)物料長期存放發(fā)生板結，造成出料困難。且每年至少清庫一次，進入庫內(nèi)將所有流化系統(tǒng)部件進行全面檢查與試驗，并更換有故障的器件。

根據(jù)地質(zhì)情況定期進行鋼板倉的周圈均布8點的沉降測量，以及時發(fā)現(xiàn)傾斜等問題。

5 結論

采取以上的設計優(yōu)化和措施，將使建設費用比目前通常的設計有所增加，但屬于一次性投資，將避免和減少鋼板倉發(fā)生故障和事故。與發(fā)生故障、事故所造成的設備損失、人員損失、停產(chǎn)損失、恢復處理費用等相比，顯然是經(jīng)濟的。因此，針對具體的鋼板倉建設環(huán)境，對應選取以上優(yōu)化措施以實現(xiàn)避免和減少鋼板倉使用故障，而不是單純考慮建設費用的控制，將為用戶帶來更好的效益，也必將有利于鋼板倉的廣泛應用。

[1]編委會.鋼結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]徐灝主編.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[3]周承倜編.薄殼彈塑性穩(wěn)定性理論[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979.