兗煤榆林項目氣化框架頂層鋼結構模塊化施工應用

高 亮 王 超

中國天辰工程有限公司 天津 300400

兗州煤業榆林能化有限公司50 萬t/ a 聚甲氧基二甲醚項目氣化裝置共設置3 臺氣化爐、2 臺全激冷氣化爐和1 臺多噴嘴對置式半廢鍋水煤漿氣化爐。其中多噴嘴對置式半廢鍋水煤漿氣化爐是一種新型的結構型式，作為世界首臺應用于實際工程建設和生產創效的半廢鍋氣化爐，具有工業示范意義。考慮到氣化爐吊裝后的工程建設，氣化框架采用砼框架和鋼結構框架相結合的型式。

半廢鍋氣化爐就位標高49.2m，在項目執行過程中，考慮場地受限等諸多不利因素，尤其是本項目第一階段2臺激冷氣化爐已成功投運，若采用傳統的施工工藝，將與已投運系統深度交叉作業。同時，鋼結構框架吊裝屬于超高作業，存在極大安全隱患的同時還不利于項目的進度、質量把控。為加快項目的進度，保證施工質量，減少高空作業，降低施工過程的安全風險，同時借助3200t 履帶吊車在現場吊裝氣化爐的有利條件，現場施工管理組決定氣化框架的上部鋼結構采用模塊化預制和安裝。

為確保該結構施工的安全性及進度，綜合考慮后決定應用鋼結構模塊化安裝施工工藝。在施工中，為確保框架結構內部設備吊裝及框架結構吊裝順利，將鋼結構框架劃分為上下兩部分，在地面進行框剪單元模塊組裝，組裝完成后進行交錯吊裝，完成結構框架施工。

1 設計、施工優化

考慮到項目施工場地狹小，半廢鍋氣化爐的交付時間滯后，且系統施工時全激冷氣化爐系統已經投入運行。現場施工管理組提前對3200t 吊車的占位、行走、大臂起桿爬桿和設備現場擺放位置進行了詳細、全面的策劃，并對現場條件進行反復確認，最終提出如下建議：

1.1 優化設計

氣化框架南側的管廊，最初圖紙上顯示為東西貫通的用于聯通煤漿給料的管道、電氣儀表橋架、電纜等。經過施工管理組在現場的反復確認，并會同大件吊裝公司多次研究后，確定該管廊位置會影響吊車占位及設備擺放。若按原設計執行，則需將此部分場地進行預留。但煤漿給料作為氣化裝置生產流程中的重要一環，起到承接煤漿制備和氣化框架的重要作用，若不能投入運行，將對氣化裝置一系列激冷流程的投運造成影響。

經過和項目部、設計部室的多次溝通，最終確定由設計部室對管廊進行調整、優化，最終更改了管廊位置，將原本貫通的管廊分段設計，解決了吊裝占位及設備擺放問題。具體調整方案如圖1 所示。

圖1 管廊位置調整前（a）后（b）對比圖

1.2 施工預留

施工管理組同大件吊裝公司確定3200t 履帶吊超起回轉半徑為32m，吊車行走路線及超起回轉半徑區域地面以上不得有影響作業的障礙物。考慮到第3 臺氣化爐的到場時間及第一系列2 臺全激冷氣化爐的投料時間，經與業主、監理、大件吊裝公司和鋼結構安裝單位多次研究論證，決定將氣化框架西南側的磨煤排放池上部框架進行預留，僅對地下水池部分進行施工，煤漿給料單元及氣化框架第一系列氣化爐的排放、沖洗、泄漏等都轉送到業主一期的磨煤排放池中（本項目為擴建項目，一期已投用）。并對磨煤排放池及其外圍區域進行如下處理：

（1）3200t 履帶吊站位于磨煤池處，池底用沙土進行回填，距地面1500mm 之間用3∶7 灰土進行分層回填夯實，每層厚度不大于300mm，總厚度需超過池壁高度。

（2）對于磨煤排放池以外的3200t 履帶吊站位區域，一般情況下，將原沙土地面下挖700mm，先對場地進行原土夯實及水墜處理；然后采用3∶7 灰土分層回填夯實，每層厚度不大于300mm，總厚度1000mm；最后面層鋪設厚度100mm、粒徑為50mm 的碎石，機械壓平壓實。要求接地比壓不小于0.25MPa。

1.3 吊裝簡介

氣化框架砼框架共9 層，高56m；鋼結構框架共4 層，位于砼框架屋面上，高度24m，總高度80m。鋼結構截面尺寸26m×25.2m，框架總重量532t。根據結構特點和吊裝重量，每兩層作為一個模塊，共計兩個模塊，下段重292t，上段重397t。

為了充分利用3200t 吊車的起重能力，并減少后續設備、管道安裝高空作業的難度，在鋼結構模塊化拼裝執行過程中，不斷優化方案，加大了鋼結構在地面上組裝深度，框架上附屬的管道、設備、彩板維護、涂漆防腐等工作一同在地面上完成。

2 施工重點和難點

2.1 場地條件

由于鋼結構模塊施工時占用現場施工作業范圍廣，而且大型吊機3200t 進場拼裝及就位要占用道路。而現場施工場地很狹小，需要做好整個鋼結構模塊吊裝施工的場地布局工作，其設計方案要精確測量及放線，才能確保拼裝位置及吊裝位置不互相妨礙。

2.2 吊裝協調工作

氣化框架頂層鋼結構模塊的吊裝需要與鎖渣斗、氣化爐、廢鍋汽包和電梯機頭的吊裝作業交叉實施，施工節拍緊湊，各項準備工作需嚴謹科學。具體吊裝按照圖2 進度計劃進行。

圖2 氣化爐及其附帶設備吊裝進度計劃

2.3 吊裝重心控制

受風力、本身重心偏移等因素影響，給鋼結構模塊的對接就位帶來很大難度，需要設置專項吊裝工藝及輔助工裝件幫助完成。同時，若重心選取不當，還會產生擠壓力造成鋼結構局部形變。模塊內包含了工字鋼、輕型設備、樓梯和管道等。模塊的相關參數如表1 所示。

表1 鋼結構模塊參數表

根據構件布置圖、軸架立面布置圖、設備布置圖、管道布置圖和樓梯布置圖等詳細圖紙，可得到鋼結構模塊內各部件的規格、位置、重量，結合力學計算公式[式（1）]可得到表格《氣化框架上部鋼結構模塊重心計算- x 方向》、《氣化框架上部鋼結構模塊重心計算- y 方向》。

式中：Gx——模塊內各部件的重量；

Lx——模塊內各部件重心與參考線的距離；

G′——模塊內各部件總的重量；

L′——模塊重心位置。

計算x 方向的重心時，以鋼結構模塊的“5 軸”中心線作為重心計算參考線，各部件重心與“5 軸”中心線的距離為Lx的數值。計算y 方向的重心時，以鋼結構模塊的“B軸”中心線作為重心計算參考線，各部件重心與“B 軸”中心線的距離為Ly的數值。

2.4 鋼結構模塊吊耳設置

在確定鋼結構吊裝重心后，吊耳的承載力計算、位置選取和數量選擇對整體吊裝的穩定性極為重要。

吊耳材料選用Q345C，其抗拉強度（бb）為470MPa，屈服極限（бs）為325MPa，安全系數（n）取1.34。則許用拉應力[б]=бs/ n=325/ 1.34=242.5MPa。

δ＜16～35mm 時，采用自動焊、半自動焊和E50 型焊條的手工焊，對接焊縫，抗拉強度[f]=190MPa。2.4.1 下段吊耳應力計算

下段模塊總重300t，吊耳設計1.5 倍安全系數，共12個吊點，單個吊耳吊重為300×1.5/ 12=37.5t。吊耳1、吊耳2 耳板厚δ=35mm，耳板焊縫長L=500mm，外徑R=250mm，內徑r=60mm。

吊耳受力夾角a=60°，即F1sina=37.5t，則載荷F1=37.5/ sina=43.35t。因此，校核時按名義載荷43.35t進行校核計算，以下對吊耳1、吊耳2 進行受力分析。

吊耳焊縫拉應力：

f1=F1/（Lδ）=43.35×103×10N/（500×35）mm2

=24.77N/ mm2=24.77MPa＜[f]=190MPa；

吊耳拉應力：

б1=F1/ [（L- 2r）δ]=43.35×103×10N/ [（500- 120）×35]mm2=32.59N/ mm2=32.59MPa＜[б]=242.5MPa。

因此，吊耳安全。

2.4.2 上段吊耳應力計算

上段模塊總重400t，吊耳設計1.5 倍安全系數，共12個吊點，單個吊耳吊重為400×1.5/ 12=50t。吊耳1 耳板厚δ=35mm，焊縫長L=500mm，外徑R=250mm，內徑r=60mm；吊耳3 耳板厚δ=35mm，耳板焊縫長L=700mm，外徑R=365mm，內徑r=60mm。

吊耳受力夾角a=60°，即F2sina=50t，則載荷F2=75/ sina=57.8t。因此，校核時按名義載荷57.8t 進行校核計算。

吊耳1 焊縫拉應力：f2=F2/ （Lδ）=57.8×103×10N/（500×35）mm2=33N/ mm2=33MPa＜[f]=190MPa；

吊耳1 拉應力：

б2=F2/ [（L- 2r）δ]=57.8×103×10N/ [（500- 120）×35]mm2=43.45N/ mm2=43.45MPa＜[б]=242.5MPa。

因此，吊耳1 安全。

吊耳3 焊縫拉應力：F3=F2/（Lδ）=57.8×103×10N/（700×35）mm2=23.6N/ mm2=23.6MPa＜[f]=190MPa；

吊耳3 拉應力：б3=F2/ [（L- 2r）δ]=57.8×103×10N/ [（700- 120）×35]mm2=28.47N/ mm2=28.47MPa ＜[б]=242.5MPa。因此，吊耳3 安全。

所有吊耳材質均為Q345C，開雙面55°坡口，采用對接焊接型式。吊耳與相鄰橫梁、立柱之間均采用對接焊縫焊接，要求無夾渣、氣孔等缺陷；立柱和橫梁受力部位加筋肋板，采用角焊縫焊接，焊角高度不小于最薄件厚度，焊條均為J507。焊接完成后，對所有焊縫須進行磁粉或滲透檢測，以Ⅰ級為合格。

2.5 鋼結構整體穩定性

鋼結構在設計之初是按照鋼結構組裝考慮的，鋼結構柱坐落在砼框架上，因此僅承受上部外力及附屬管道、設備的重量。但在模塊化整體吊裝過程中，有如下受力：

（1）不僅要受到上部鋼結構、管道、設備所帶來的重力，還要承受自身的重力。

（2）因為吊耳的設置，鋼絲繩作用在吊耳處所產生的反作用力，不僅有豎直力，而且還有水平力。水平力相互作用可以抵消一部分，但是仍有部分水平力對鋼梁會產生額外的壓力。

（3）鋼結構在整體起吊過程中，會產生一定的加速度。根據牛頓力學原理，加速度也會對鋼結構造成額外的豎直力。

基于以上考慮，吊裝前需要對鋼結構進行整體穩定性核算，以確保吊裝過程的安裝可靠。

施工管理組通過仔細研究圖紙，查閱相關圖集，最終確定柱、梁及柱梁節點的剪力及彎矩的受力極限。與柱、梁及柱梁節點的受力進行比較后，確認安全合格。在施工過程中，現場專工也加強了對柱梁節點螺栓、焊接的質量檢查，從理論和實際兩方面保證模塊化整體吊裝的安全性。

2.6 鋼結構柱腳組對安裝

鋼結構上段、下段組對是鋼結構整體吊裝的重要一環，尤其對上、下段在地面拼裝測量的精度要求極高。在地面拼裝過程中，施工管理部積極組織安裝單位進行驗收，對每根柱子的安裝位置進行測量，確保柱腳位置在合理范圍內。然而在實際吊裝過程中，受到鋼絲繩拉力、框架重力等影響，會使框架柱的位置發生偏移。對于偏移的柱腳，施工管理部與安裝單位充分發揮現場的主觀能動性與現場管理經驗，采用現場制作頂偏裝置的方式，確保了上下段鋼結構的最終順利組對。

3 經驗總結

模塊化安裝高聳鋼結構不僅是一種施工方法，而且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和管道，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與協調水平。

鋼框架模塊化不僅體量大、重量重，而且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，特別對偏心較大的要采取相應措施（如臨時增加鋼梁調整重心）以保證吊裝安全。

鋼結構模塊化施工需要因地制宜，如果強行進行模塊化施工反而會適得其反。模塊化安裝需要具備如下條件：

（1）鋼結構模塊化施工適用于工期緊、任務重的項目，同時該項目鋼結構安裝高度大于50m 及以上，具備模塊化拼裝場地及大吊車的使用資源，可采用模塊化安裝，以便于費用、進度、質量和安裝等協調管理。

（2）現場預制拼裝的鋼結構模塊宜控制在2—3 層，或每個模塊的高度控制在20～30m。鋼結構模塊太低就失去了模塊化施工的意義；太高則加大了吊裝風險，而且因受到較大壓力，對鋼結構模塊本身易造成損傷。

（3）前期進行精細化策劃，將可以安裝的設備、管道、電氣儀表橋架、防腐等工作，在地面上鋼結構模塊化施工的同時進行施工，可減少后續倒料、安裝的高空風險。

4 結語

在當前日益講求安全、高效的工程建設背景下，模塊化制造安裝作為一種新興的施工方法，成為大型項目的一種有效執行方式。本項目模塊化作業的成功實施，作為天辰公司采用模塊化安裝的一次探索和嘗試，為后續類似項目的實施提供了寶貴經驗。