超高鋼結構框架模塊化安裝的探討

【摘 要】超高鋼結構框架模塊化安裝，是指將超高鋼結構框架按標高分成若干框架節，分別在地面組框完成，設備安裝在相應的框架節中，再將管道分段并固定好后依次吊裝就位，在空中僅進行框架節及管道的組對，即完成了框架的整體安裝。這種安裝方法即大大降低了高空作業風險，又縮短了工期。本文通過對武漢80萬噸/年乙烯項目30萬噸/年高密度聚乙烯裝置反應框架模塊化施工的案例，與傳統分片散裝的方式進行比較，分析探討相關經驗。

【關鍵字】模塊化；超高鋼結構；吊裝；分片散裝

武漢乙烯項目30萬噸/年高密度聚乙烯裝置根據工藝要求，設備多布置于鋼結構框架內。框架安裝高度高，體量大。其中以反應框架最為復雜，該框架最高安裝高度66.7M，框架平面尺寸長×寬=12×8.5M，框架底部坐落在標高為11.3M的混凝土結構上，框架結構總重量332.74噸，框架內設備總重量68.33噸，框架內管道（管架及支架）總重量59.6噸。本次安裝工作采用模塊化安裝作業，具體施工方法如下：

施工準備：

（1）在完成圖紙會審及設計交底后，首先將整個設計圖紙轉化為模塊化施工圖紙，模塊化施工圖紙主要解決模塊劃分問題，在確定模塊的劃分點時應注意：模塊之間的劃分點一般取在平臺主梁和柱子的連接處，柱子的模塊劃分點取在柱子被平臺隔開的地方。而管道和設備安裝工程的模塊和模塊之間的節點處一般放在螺栓連接處，最后一個模塊的安裝帶一長度可調節的短管，以便補償安裝過程的偏差。根據結構形式特點以及現場的預制組裝條件將反應框架分兩個模塊：標高11.3M～42.7M（分段高度31.4M，重217.36噸）作為下段，標高42.7M～66.7M（分段高度24M，重243.31噸）作為上段，相應管道以此標高進行分界。

（2）確定劃分點的連接形式。在確定了劃分點后，需選用合理的劃分點連接形式，一方面保證高空對接精度及節點強度，另一方面減少對接作業量，本次框架柱連接處采取高強螺栓的連接方式（經過驗算腹板采用δ12補強板及12Φ22高強螺栓連接，翼緣板采用焊接并要求二級焊縫）；

（3）對框架吊裝進行詳細驗算。根據起吊物情況驗算相關吊車工況，本次吊裝擬用GS28000型履帶吊完成（原計劃此次吊裝采用750噸履帶吊即可完成，由于反應框架邊兩臺環管反應器需采用此吊車進行吊裝作業，借設備安裝期間進行框架吊裝，節省了進退場費及相關的場地處理費用，同時也減少了多臺吊車近距離作業相互干擾帶來的安全隱患）。在吊裝過程中需重點對吊裝點的設置及該處強度進行驗算：（因篇幅關系，計算從簡）

A.反應框架下段以A軸、6軸交點為坐標原點，A→B軸方向為X軸正方向，6→7軸方向為y軸正方向，垂直向上為z軸正方向，按照上述方法求得框架下段重心坐標為（4269，-6136，15）。同時利用CAD建模后計算重心進行驗證計算。

根據重心位置于反應框架EL+141.400標高處設置四個板式吊耳， 反應框架下段采用四根鋼絲繩分別與吊裝吊耳連接，根據反應框架下段重心位置及吊耳布置，

反應框架下段吊裝時采用一對φ90-6×37+1WR公稱抗拉強度1670Mpa的22m長壓制鋼絲繩扣及兩個120噸級卡環與7軸主吊耳連接，采用一對φ90-6×37+1WR公稱抗拉強度1670Mpa的24m長壓制鋼絲繩扣及兩個85噸級卡環與8軸主吊耳連接。通過鋼絲繩及卡環長度差的設置保證吊裝平衡。

每根鋼絲繩雙股受力，按最大受力校核，鋼絲繩安全系數計算如下：

故吊耳焊縫強度滿足吊裝要求

根據XCG28000吊車性能表，選用340噸轉臺平衡重+111噸車身平衡重+160噸超起平衡重，起重平衡重半徑為30米，則查得額定起重量為286噸。

選用650噸吊鉤，查得吊鉤重量為11噸，動載系數取1.1。

則吊裝反應框架下段模塊時，吊裝負荷率：（217.36+11）×1.1/286×100%=87.8%

符合大件吊裝規范要求。

B.反應器上段吊裝驗算：

反應框架上段及設備合計重量為243.31噸。反應框架上段以A軸、6軸交點為坐標原點，A→B軸方向為X軸正方向，6→7軸方向為y軸正方向，垂直向上為z軸正方向，按照上述反應框架下段重心的計算方法，求得反應框架下段重心坐標為（4303，-6686，1）。同時利用CAD建模后計算重心進行驗證計算。

根據重心位置在反應框架EL+166.400標高左右處設置四個板式吊耳，板式吊耳根據鋼絲繩長度要求在安裝位置高差上調整以保證吊裝平衡； 反應框架上段采用四根鋼絲繩分別與吊裝吊耳連接，根據反應框架下段重心位置及吊耳布置，

通過空間匯交力系分解計算鋼絲繩及吊耳受力情況可知7軸、B軸處吊耳、鋼絲繩受力最大，為93.0036噸。

反應框架上段吊裝時采用一對φ90-6×37+1WR公稱抗拉強度1670Mpa的22m長壓制鋼絲繩扣利用兩個120噸級卡環與7軸主吊耳連接，采用一對φ90-6×37+1WR公稱抗拉強度1670Mpa的24m長壓制鋼絲繩扣利用兩個85噸級卡環與8軸主吊耳連接。通過鋼絲繩及卡環長度差的設置保證吊裝平衡。

每根鋼絲繩雙股受力，按最大受力校核，鋼絲繩安全系數計算如下：

吊耳板根部焊縫拉應力為17.17MPa；吊耳板根部焊縫剪應力37.35MPa；吊耳板根部焊縫彎曲應力為58.73MPa；吊耳根部焊縫組合應力：

故吊耳焊縫強度滿足吊裝要求；

根據XCG28000吊車性能表，選用340噸轉臺平衡重+111噸車身平衡重+320噸超起平衡重，起重平衡重半徑為30米，則查得額定起重量為414噸，反應框架上段吊裝負荷率：（243+11+10）×1.1/286×100%=70.2%，符合大件吊裝規范及要求。

施工過程控制

（1）嚴格控制底層混凝土結構框架的軸線精度，對鋼框架預埋螺栓的安裝位置在混凝土澆筑前及澆筑后均認真測量，所得數據作為上部模塊預制控制尺寸，并以此為基礎進行框架梁的放樣制作；

（2）根據施工進展積極組織鋼構、設備及管線材料進場，在完成相應的交底及技術準備之后運至現場指定地點進行組裝，對于模塊制作組裝時，需注意制作模塊的平臺的平整度，模塊的尺寸偏差要求，為此在考慮預組裝場地混凝土抗壓強度下，在每根柱腳下墊30MM厚2M×2M鋼板一塊，鋼板鋪設完成后，進行找平，用型鋼進行連接固定，在鋼板上放線，結合現場實測基礎地腳螺栓的間距及施工圖尺寸，進行畫線，畫出六根鋼柱中心線位置，并復核對角線；

（3）梁柱預制后進行現場組裝，每根鋼柱在拼裝前先畫出1M標高線及中心線，先拼裝A-B-7-8軸形成穩定框架后，再組合6軸A-B片，同時在未形成框架時用纜風繩進行平衡固定，組裝完成后檢測標高、垂直度、中心線、兩柱間距、對角線尺寸均符合要求后進行螺栓緊固，并在吊裝前完成梯子平臺及欄桿等勞動保護，以便減少后期登高作業，同時減少高空作業安全風險；

（4）框架內設備在鋼構形成穩定框架的同時隨同平臺自下而上適時安裝。設備附屬的平臺結構，在設備就位后再行安裝，對于部分影響吊裝的鋼構，預先臨時固定在框架平臺上，待吊裝完成后再行安裝；

（5）管線安裝要求在預制廠進行深度預制，由預制廠運至現場后及時安裝以減少現場的材料堆放空間，又避免管件尤其是小管件的丟失，本次模塊化吊裝要求盡量將大管線（DN≥150）管線優先預制，安裝在框架后隨框架一起吊裝；

（6）模塊吊裝前對各項準備工作進行檢查驗收：按工序交接的要求，清理混凝土表面及預留剪切孔內雜物及積水，并放置足夠組數的墊鐵，除墊鐵區域外的砼表面需打出麻面以保證二次灌漿粘接性；對于鋼構按檢試驗計劃完成框架、節點及防腐的檢查，對接焊縫進行超探檢測，對于吊耳進行PT檢驗；對吊裝所用的吊車、索具、吊具認真檢查合格證及使用狀態，以及吊裝時的天氣情況（5級以上風力嚴禁吊裝），并在吊裝區域周圍劃出警界線，無關人員不得進場，各項檢驗合格后有關各方簽署吊裝令；

（7）模塊吊裝時，在起吊離地面500毫米左右停頓，檢查機具受力情況，同時檢查模塊是否平衡，有沒有大的超出允許的變形，一切正常后進行正式安裝，確保萬無一失。

模塊化安裝與分片散裝的比較：

反應框架從9月30日材料進場開始，直至11月17日上段安裝完成共計用時47天，其中XCG28000吊車11月13日進場開始吊裝下段，其余時間現場150T汽車吊一臺、50噸汽車吊兩臺，25噸吊車6臺配合框架地面組裝；如采用傳統分片散裝安裝方法：在預制場將組成鋼結構的柱子、平臺的各種梁等加工完畢，等土建施工完畢后運到安裝現場，單個構件一鉤鉤吊裝到相應位置進行安裝，待鋼結構安裝并驗收完畢后，專業單位將設備和管道運到施工場所里進行管道焊接及設備安裝，經筆者測算需耗時86天，現場除汽車吊數臺外，尚需270T履帶吊全程配合安裝，在此將兩種施工方法從各方面進行比較（以下內容分片散裝稱為方案一，模塊化安裝稱為方案二）：

（1）人工費的比較

目前國內石化施工行業工人的工資按5000元/人.月計算，方案一現場需投入人力月平均70人，直接人工費100.33萬元，方案二現場共投入施工人力月平均105人，直接人工費82.25萬元，兩者相差約18萬元；

（2）吊裝機械費的比較：

目前按國內石化行業機械費市場的標準，25T汽車吊車的價格為1250元/臺班，50T汽車吊車的價格2250元/臺班，270T履帶吊車的價格20000元/臺班，750T履帶吊車的價格50000元/臺班，方案一經測算機械費65.45萬元，方案二經測算機械費35.9萬元，兩者相差29.55萬元，同時現場經過合理布置，不會產生交叉吊裝，提高了機械利用效率，降低了成本；

（3）施工安全的比較

采用方案一，高空作業量大，安全風險高，安裝環境差，反應框架頂層高度66.7M，按規范需搭設超高腳手架；同時多臺吊車在同一地點交叉吊裝作業，安全管理難度大；框架在高空成框需考慮風力影響，需設置足夠數量的纜風繩，這樣對周邊的作業會產生影響，且工作在高處進行安裝作業，高空墜落風險較高，需配置大量防護網及生命線；采用方案二，組裝工作基本在地面進行，高空組對時各項勞動保護業已完善，大大改善了施工作業條件，減少大量的高處作業量和腳手架的作業量，場地經過合理布置各段安全不會相互影響，減輕了現場安全管理的負荷，降低了安全風險；

（4）質量方面的比較

方案一，高空進行框架成框時，由于風力影響，框架垂直度不易保證；同時高空進行焊接作業，需采取必要的防風措施，由于節點過程中平臺往往沒有形成，檢查人員需通過腳手架在框架上下移動也給質量檢驗帶來諸多不變。 方案二，通過分段及對接時的加強措施，減少了鋼構安裝過程產生的變形；地面安裝風力影響可以忽略不計，同時在地面進行深度化預制，可以使安裝過程最大限度的處于質量監控范圍內，減少了產生因高空作業而出現的質量控制盲區；

（5）進度方面的比較

從總工期來說，方案二比方案一用時減少39天，從現場施工的角度，在地面安裝的工效大大高于在高空進行安裝作業，同時模塊化安裝受天氣的干擾比后者小的多，這些都有利于施工進度控制；

經上述比較可以看出，采用模塊化安裝從質量安全方面都優于分片散裝方式，其中在安全方面尤其突出。在費用控制方面除了上述人工及機械費用以外，還節省了各項施工措施費，如超高腳手架、防風質量安全措施、高處作業安全防護等，這里不再一一贅述。

經驗：

1．模塊化安裝高聳鋼結構不僅是種施工方法，同時也是一種先進的施工理念，是從施工的角度不斷向上游的設計及采購延伸。在設計階段即建議設計在框架柱連接處采取高強螺栓的連接方式（腹板采用補強板及高強螺栓連接，翼緣采用焊接并要求二級焊縫）以減少分段對接時的作業量；在物資供應方面按照安裝順序及時催交相關設備及管道，保證鋼構自下而上安裝的流水作業。這種安裝方式也體現了現場的施工管理及協調水平。

2．鋼框架模塊化不僅體量大，重量重，同時由于有設備及管線的偏心受力存在，在計算時需關注吊裝重心，對偏心較大的需采取相應措施（如臨時增加鋼梁調整重心）以保證吊裝安全；

結論：

隨著裝置的大型化、臨界化，越來越多的大型超高鋼構框架被廣泛應用于化工裝置中，傳統分片散裝方式因其功效低、能耗高，將越來越不適應超高鋼構的安裝，而隨著國內大型、特大型吊車的研發和投入使用，優化大型鋼構框架深度模塊化安裝，確保現場的安全、質量，加快施工進度，降低施工成本變得非常重要，也是未來我國化工建設發展的方向。

參考文獻：

[1]《起重吊裝數據完全手冊》人民交通出版2002年2月

[2]《設備吊耳》 HG/T21574-94

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[4]《石油化工工程起重施工規范》SH/T3536－2002

[5]《化工工程建設起重施工規范》HG20201－2000