大型儲(chǔ)罐電動(dòng)葫蘆群提升倒裝法施工技術(shù)研究

向海濤 XIANG Hai-tao

（中鐵二十五局集團(tuán)第四工程有限公司，柳州 545007）

0 引言

石油化工類大型儲(chǔ)罐通常采用提升倒裝法施工。倒裝法工藝的關(guān)鍵在于罐體的提升，其具體工藝及配套設(shè)備有多種類型，但均或多或少存在提升同步一致性差、系統(tǒng)成本高、工效低、系統(tǒng)維護(hù)難度大、勞動(dòng)強(qiáng)度高及微小調(diào)整困難等問題。本項(xiàng)目部在進(jìn)行大型儲(chǔ)罐制造時(shí)，采用電動(dòng)葫蘆群提升倒裝法制作法，以新型的電動(dòng)葫蘆作為提升設(shè)備，并在控制系統(tǒng)中增設(shè)微調(diào)電路。該系統(tǒng)具有提升平穩(wěn)、同步性好、施工速度快、設(shè)備成本低、工效高和良好的安全自鎖功能、安裝質(zhì)量控制容易等優(yōu)點(diǎn)。在大型儲(chǔ)罐施工中，該工法有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況及重點(diǎn)及難點(diǎn)

本項(xiàng)目進(jìn)行120 萬(wàn)噸/年南海凝析油及輕烴綜合利用生產(chǎn)基地及創(chuàng)新中心建設(shè)項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐制作安裝。儲(chǔ)罐數(shù)量及規(guī)格為：5 臺(tái)內(nèi)浮頂20000m3儲(chǔ)罐為φ40500mm（直徑）×17852mm（高度），單臺(tái)罐本體質(zhì)量約為517t；5 臺(tái)內(nèi)浮頂10000m3儲(chǔ)罐為φ30000mm（直徑）×16664mm（高度），單臺(tái)罐本體質(zhì)量約為285t；20 臺(tái)內(nèi)浮頂2000m3儲(chǔ)罐為φ14500mm（直徑）×14264mm（高度），單臺(tái)罐本體質(zhì)量約為97t。儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)由罐頂板（網(wǎng)殼）、罐壁、罐底、平臺(tái)、盤梯、碳鋼浮盤幾大部份組成，其中罐底邊緣板采用了弓形板結(jié)構(gòu)，中輻板之間采用對(duì)接焊，罐壁由帶板組成，儲(chǔ)罐主體材料為Q345R/Q235B。

2 大型儲(chǔ)罐施工方法研究

大型儲(chǔ)罐具有外形尺寸大、罐頂高及頂部高空施工作業(yè)量大等特點(diǎn)。儲(chǔ)罐制造是本項(xiàng)目的重難點(diǎn)，在以往類似項(xiàng)目施工時(shí)，通常采用手拉葫蘆提升或液壓千斤頂提升倒裝的施工方法。但第1 種手拉葫蘆提升倒裝法存在人工勞動(dòng)強(qiáng)度高、工效低及頂升同步誤差大及施工安全方面的一些問題。第2 種液壓千斤頂頂升倒裝法存在機(jī)械設(shè)備投入大，頂升系統(tǒng)維護(hù)困難，液壓系統(tǒng)一旦出故障，維修困難，造成整體停工等問題。也有采用自動(dòng)焊接機(jī)器人正裝法制造此類大型儲(chǔ)罐，但該方法存在設(shè)備投入大，拱頂施工困難、高空作業(yè)工程量多，安全隱患大等不利素。結(jié)合中鐵二十五局集團(tuán)第四工程有限公司的施工實(shí)踐，采用電動(dòng)葫蘆群提升倒裝法制作法，同時(shí)對(duì)提升控制系統(tǒng)的電路進(jìn)行了改進(jìn)，解決了以上幾種提升工法存在的問題。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工實(shí)踐，對(duì)其施工步驟及關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行詳盡闡述如下，以期該法在大型儲(chǔ)罐的施工中得到推廣應(yīng)用及完善技術(shù)。

3 施工工法原理

完成儲(chǔ)罐的底板后，施做罐頂及第1 圈壁板，并在壁板下部設(shè)置臨時(shí)脹緊、并與壁板固定的提升梁。在儲(chǔ)罐內(nèi)部，沿罐體內(nèi)邊緣均勻布設(shè)提升立柱，立柱上掛設(shè)電動(dòng)葫蘆，電動(dòng)葫蘆下端勾連提升梁上的吊耳。然后所有電動(dòng)葫蘆同步將提升梁、罐頂及第1 圈壁板提升至合適高度，組焊第2 圈壁板。然后通過(guò)操作電動(dòng)葫蘆升降。使第1 圈壁板、第2 圈壁板豎向?qū)φ?，并焊接成型。再將提升梁松開，降至第2 圈壁板下部并與壁板固定。第3 圈壁板組焊完成后，再次提升、對(duì)正。按此工序循環(huán)施做，直至組焊完成最底端的壁板，即完成儲(chǔ)罐主體結(jié)構(gòu)的制造。

該工法主要施工順序：鋪設(shè)儲(chǔ)罐底板→組焊第1 圈壁板→施作罐頂→罐頂開天窗（便于提升立柱穿出）→提升機(jī)構(gòu)安裝及調(diào)試、組焊第2 圈壁板（預(yù)留外側(cè)立縫1 條不焊）→提升第1 圈壁板及頂板至預(yù)定高度的一半，檢查及調(diào)整提升效果→繼續(xù)提升至預(yù)定高度→調(diào)整環(huán)縫間隙及錯(cuò)邊，收緊第2 圈壁板合口→完成所有環(huán)縫、立縫的焊接→提升機(jī)構(gòu)下落→重復(fù)上述提升，完成最底端壁板。施工流程及順序見表1 所示。

表1 提升倒裝法施工流程及順序表

4 施工步驟概述、機(jī)具選擇及工法要點(diǎn)

4.1 壁板組焊平臺(tái)施做

首先組焊大型儲(chǔ)罐的鋼底板。然后沿著儲(chǔ)罐壁板的圓弧上按間距80cm 設(shè)置[20a 槽鋼墊梁，槽鋼墊梁長(zhǎng)度為50cm，墊梁中心線與圓形儲(chǔ)罐的圓徑線重合。并在墊梁上設(shè)置壁板的限位板。

4.2 組焊儲(chǔ)罐最頂?shù)娜Π濉⒐绊?/h3>

在槽鋼墊梁組成的平臺(tái)上組焊儲(chǔ)罐第1 圈壁板，架立中心傘架，施做儲(chǔ)罐的拱形頂部。

該工法相當(dāng)于在地面施做儲(chǔ)罐的拱部，不僅減少了高空作業(yè)量，避免了搭設(shè)高大支架，且質(zhì)量易于控制，大幅降低了施工成本。

4.3 電動(dòng)葫蘆提升裝置安裝

往常施工時(shí)，將提升吊耳直接焊接在壁板上，該方式常導(dǎo)致吊耳處壁板拉應(yīng)力過(guò)大而變形。本項(xiàng)目采用設(shè)置提升梁焊接吊耳的方法。即在壁板下部設(shè)置由兩根[30a槽鋼對(duì)扣而成的提升梁，兩側(cè)按間距1m 加綴板焊接而成，提升梁卷弧成外緣與罐體內(nèi)徑相同的弧形。提升梁分成數(shù)段，每節(jié)提升梁對(duì)應(yīng)安裝2 根提升立柱。在提升梁的綴板上焊接壁板對(duì)接的限位鋼擋板。提升梁上的吊耳焊接在提升立柱的正下方。在吊耳兩側(cè)各1m 長(zhǎng)度內(nèi)的提升梁增設(shè)綴板加強(qiáng)。提升梁采用龍門卡具連接儲(chǔ)罐壁板。龍門卡具設(shè)置位置不宜距吊耳太近，以免壁板受拉變形，距離太遠(yuǎn)則易使提升梁扭曲變形。提升梁處局部構(gòu)造見圖1所示。

圖1 倒升法提升梁處局部構(gòu)造詳圖

提升機(jī)構(gòu)由提升立柱、中心柱、電動(dòng)葫蘆及平衡繩構(gòu)成。

提升立柱采用鋼管制作，頂部焊有吊耳，柱底焊有柱腳，柱腳再與儲(chǔ)罐底板焊接固定。

提升立柱沿儲(chǔ)罐內(nèi)側(cè)圓周均勻布設(shè)。提升立柱的斷面尺寸及立柱數(shù)量根據(jù)施工需要及承載驗(yàn)算而定。立柱盡量靠近罐壁而立，但需確保電動(dòng)葫蘆不與罐體結(jié)構(gòu)相觸碰。立柱垂直安裝，當(dāng)柱腳與儲(chǔ)罐底板有空隙，用加墊薄鋼板契緊后焊接固定。

平衡繩為拉緊在提升立柱與中心柱、相鄰提升立柱之間的鋼絲繩，其起到平衡提升立柱水平分力的作用。在通過(guò)平衡繩的聯(lián)結(jié)，使提升機(jī)構(gòu)形成了受力封閉的整體。

本項(xiàng)目平衡繩采用D19 鋼繩，平衡繩與中心柱之間設(shè)置M25 花籃螺栓以張拉平衡繩及調(diào)節(jié)平衡繩長(zhǎng)度。以確保提升立柱的垂直度。

5 改進(jìn)電動(dòng)葫蘆的微調(diào)電路

在中心立柱旁設(shè)置電動(dòng)葫蘆控制柜，電源線沿著平衡繩布設(shè)。由專人指揮提升及操作控制柜。因電動(dòng)葫蘆群的同步提升不可避免存在不一致性，為了必要時(shí)能夠僅對(duì)單個(gè)電動(dòng)葫蘆進(jìn)行提升高度的調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)、同步的將罐體提升。本項(xiàng)目對(duì)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，安裝了能夠啟動(dòng)單個(gè)葫蘆的微調(diào)電路。該項(xiàng)改進(jìn)不僅能夠根據(jù)需要控制單個(gè)葫蘆，使提升更安全及受控。也便于對(duì)環(huán)縫組對(duì)的間隙進(jìn)行調(diào)整，避免組對(duì)變形，確保了儲(chǔ)罐焊接質(zhì)量和外形美觀。

6 提升關(guān)鍵技術(shù)及控制點(diǎn)

提升系統(tǒng)完成安裝后，對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行空載運(yùn)行試驗(yàn)。先啟動(dòng)同步提升，觀察全部葫蘆升降是否同步，是否出現(xiàn)扭卡現(xiàn)象或其它問題。然后進(jìn)行單個(gè)葫蘆控制電路的試運(yùn)行。確認(rèn)全部正常后，方可進(jìn)行正式提升。

在罐體提升時(shí)，派專人對(duì)電動(dòng)葫蘆、起重鏈、提升梁及罐體等進(jìn)行安全狀況監(jiān)視，出現(xiàn)異常立即停止提升。通常提升至預(yù)定高度的一半時(shí)暫停。檢查提升同步性、受力均勻性。對(duì)各處提升高度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)滯后倒鏈實(shí)施微調(diào)至整體同步。調(diào)整完成后按間距100cm 焊接內(nèi)擋板。然后再次提升，提升壁板下緣高出圍板上緣后，立即停止整體提升。采取啟動(dòng)單個(gè)或幾個(gè)葫蘆對(duì)環(huán)縫間隙進(jìn)行微調(diào)。對(duì)正后將圍板合口收緊并焊接壁縫，下移提升梁，完成一個(gè)提升循環(huán)，提升施工見圖2 所示。

圖2 提升示意圖

完成前丙圈壁板的提升安裝后，儲(chǔ)罐頂板結(jié)構(gòu)已高出提搞立柱，封堵罐頂天窗，采用平衡繩聯(lián)結(jié)相鄰提升立柱、提升立柱與中心柱。重復(fù)提升過(guò)程，直至完成各圈壁板組焊。

7 提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算

本項(xiàng)目以20000m3儲(chǔ)罐的提升系統(tǒng)為例說(shuō)明設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法。

20000 m3儲(chǔ)罐沿罐內(nèi)周邊均勻設(shè)置了40 個(gè)提升立柱，立柱采用壁厚為6mm 的Φ219 鋼管。電動(dòng)葫蘆40 臺(tái)，單臺(tái)提升動(dòng)力為10t。提升立柱柱腳與儲(chǔ)罐底板焊接固定，單根立柱設(shè)2 根[14 槽鋼呈八字形支撐，提升梁吊耳與立柱頂部吊耳正對(duì)設(shè)置。

7.1 提升系統(tǒng)的工藝參數(shù)和計(jì)算數(shù)值

儲(chǔ)罐主體總重量G總=420t；

底圈壁板和罐底板重量：G1=150t；

提升梁和定位板重量：G2≈5t；

實(shí)際提升最大重量：G實(shí)=G總-G1+G2=275t。

Q235B 鋼材抗拉、抗壓、抗彎允許應(yīng)力[σ]=205MPa，剪切允許應(yīng)力[τ]=125MPa。

7.2 電動(dòng)葫蘆提升能力驗(yàn)算

電動(dòng)葫蘆的倒鏈為斜向承力，當(dāng)提升最后一圈壁板至對(duì)接高度后，承受最大荷載。此時(shí)，電動(dòng)葫蘆的倒鏈與立柱的夾角為21°。電動(dòng)葫蘆承受的全部拉力為275/（COS21°）=294.6t。

本項(xiàng)目采用10t 電動(dòng)葫蘆，電動(dòng)葫蘆提升有效系統(tǒng)取0.8，則需要設(shè)置的葫蘆臺(tái)數(shù)為：294.6/（0.8×10）≈37 臺(tái)，本項(xiàng)目設(shè)置40 臺(tái)10t 電動(dòng)葫蘆提升罐體符合20000m3儲(chǔ)罐提升工藝要求。

7.3 提升立柱承載能力驗(yàn)算

提升立柱采用長(zhǎng)450cm 的φ219×6mm 鋼管，為軸向受壓桿件，全部立柱承受的最大荷載為275t。

其慣性矩為：I=π（21.94-20.74）/64=2277.6cm4

截面積為：A=π（21.92-20.72）/4=40.13cm2

其柔度λ=μL/（I/A）1/2=0.7×450/（2277.6/40.13）1/2=41.8

由歐拉公式計(jì)算其臨界應(yīng)力為：

σcr=π2E/λ2=3.142×200×106/41.82=1128591N=115.162t

穩(wěn)定安全系數(shù)取3，單根提升立柱的承載能力115.162/3=38.38t＞275/40=6.9t，故承載安全。

7.4 吊耳承載能力驗(yàn)算

①吊耳。

吊耳采用2 層12mm 鋼板對(duì)焊，最小截面長(zhǎng)度為50mm，承受的荷載為電動(dòng)葫蘆的拉力為294.6/40=7.4t。

σ=74000/（50×12×2）=61.7MPa≤[σ]

②角焊縫。

吊耳采用高度12mm 的角焊縫與提升梁焊接。焊縫共4 條，單條長(zhǎng)度為220mm。

焊縫最大應(yīng)力τ=74000/（220×12×0.7×4）=10.0MPa＜[τ]=125MPa。

故吊耳選擇2 塊δ=12mm 鋼板對(duì)焊，完全滿足起重需要，能保證起重工作的安全。

7.5 同理可計(jì)算出10000m3、2000m3 儲(chǔ)罐所需電動(dòng)葫蘆和提升立柱數(shù)量如表2 所示。

表2 不同類型儲(chǔ)罐提升系統(tǒng)配置表

8 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行本項(xiàng)目大型儲(chǔ)罐施工時(shí)采用了提升倒裝法，并對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)和提高，采用電動(dòng)葫蘆代替手動(dòng)葫蘆加快速度、降低成本和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)控制系統(tǒng)加設(shè)了微調(diào)電路，解決了倒裝施工偏吊難以調(diào)整的難題，確保本項(xiàng)目成功完成所有大型儲(chǔ)罐的制造。

但在電動(dòng)葫蘆提升倒裝的施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)還有較多需要完善及改進(jìn)的方面。比如提升機(jī)構(gòu)需要的立柱、電動(dòng)葫蘆數(shù)量多，立柱及中心柱體積大、重量大，安裝及后期拆運(yùn)出罐的難度大；提升過(guò)程及質(zhì)量控制還是以人工為主。展望在今后的施工實(shí)踐中，結(jié)合智能化、信息化的科學(xué)前沿，使該工法向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。