原煤儲運裝置鋼結構施工技術

祁志兵

中國化學工程第九建設有限公司 遼寧盤錦 124000

1 項目簡介

浙江巴陵恒逸己內酰胺有限責任公司傳統煤制氫提標改造及副產合成氨聯合裝置技改項目，是在已建成投產的50 萬t/ a 己內酰胺產能項目的基礎上，使用新型煤化工技術淘汰落后煤制氫工藝，新建的50000Nm3/ h 新型煤制氫裝置。包括新建一套配套原煤儲運裝置，包括兩座煤筒倉、3 座轉運站、1 座破碎樓，并通過7 部分的鋼棧橋連接，鋼結構工程總量約1860t。周邊區域較為復雜，施工場地狹小，吊裝區域有限，同時工期緊張，施工難度較大。原煤儲運棧橋與周圍舊有設施模型示意圖如圖1 所示。

圖1 原煤儲運棧橋與周圍舊有設施模型示意圖

2 施工方案

為在有限的工期內，克服各種施工困難，根據以往經驗及現場情況，首先制定了切實可行的施工方案。其主要流程：預制場地整理→鋼柱材料卸貨→場外預制成榀→現場臥式成框→整體/ 分段吊裝→空中組焊→棧橋桁架材料卸貨→場外預制成榀→現場成框→樓面鋪板及彩板封閉→吊裝集中規劃→吊耳安裝→吊裝就位→廊道貫通→全線封閉。

本方案的主要特點包括：

（1）采用場外預制成榀，現場成框的預制分段方案；

（2）地面施工到彩板封閉后再吊裝；

（3）長直棧橋段采用雙機三段連續吊裝。

3 預制組裝

所有鋼結構散件采用工廠化預制，包括主梁、次梁、腹桿等。由于鋼立柱及鋼棧橋桁架截面尺寸均大于運輸車輛尺寸，屬于超限運輸，若拼裝后運輸，成本巨大，且無法整體運輸至安裝現場，因此采用散件打包運輸。由于現場施工區域受限，所以在項目場外臨近空地規劃預制場地。在此場地，有限度地對散件進行批量拼裝，主要拼裝為榀式結構，長構件分段拼裝，大大提高了施工進度，提高了場地利用率。

3.1 鋼立柱組裝

設計包含11 座鋼立柱，最低頂標高6m，最高49m，最重89.1t。具體參數見表1。

表1 鋼立柱參數表

鋼立柱結構型式簡單，包括立柱、橫梁、水平和垂直斜撐。根據設計尺寸、原材尺寸、運輸限制，每個構件最長不超過12m。通過分析，在場外預制場成榀拼裝，每榀不超過12m，采用普通運輸車輛可同時轉運兩榀。將各立柱根據以上原則分解，預制場采用批量拼裝，流水作業，提高了效率，節約了工期。

每榀轉運至現場后，對其進行組裝成框式結構，根據場地及大吊車性能，對框式結構進行分段，每段不超過24m。

場內進度與場外進度相結合，兩處預制進度連貫起來，最終將整體立柱流水預制完成。該方法節約了場地，提高了場地利用率，通過集中進行大型吊裝，大大降低了成本，保證了工期。

3.2 棧橋桁架組裝

棧橋采用鋼桁架結構，共分7 座棧橋，通過14 個分段，從筒倉、卸煤庫、轉運站、破碎樓，最終到達氣化框架終點，具體參數見表2。

表2 棧橋尺寸及重量參數

棧橋桁架結構水平方向采用H 型鋼材料，垂直方向采用鋼管作為腹桿材料，拼裝精度較高。在地面拼裝時，用H 型鋼做好組裝平臺，保證支撐穩定及拼裝精度。鋼桁架在深化時充分考慮原材、運輸及現場拼裝，對各構件尺寸進行充分考慮。

以桁架立面為榀式單元，根據現場條件進行分段，中轉至現場后組裝成完整的立面結構；將兩立面結構定位后，連接上下水平方向主梁、次梁，最終將桁架結構拼裝完成。

主體結構拼裝完成后，繼續在地面完成樓面鋪裝、檁條安裝、彩板封閉等工序，大大減少了空中作業，降低安全風險。樓面鋪裝工藝采用花紋板，相比混凝土樓面，施工速度快，重量輕，施工質量有保證。檁條采用鍍鋅C 型鋼，提前根據深化結構圖紙進行下料、鉆孔、編號、打包，根據相應位置快速安裝，減少現場加工工序，提高了施工速度。彩鋼板同樣采用廠家加工完畢，現場直接安裝的方法，減少現場工作量，加快施工速度。

對各結構的重量進行精確計算，作為吊裝計算的重要依據。

4 吊裝部署

由于場地限制、終點標高較高，設計采用了回旋式結構，導致棧橋穿行區域場地十分狹小，現場施工難度極大。由于構件就位高、重量大，必須采用大型吊車，但受周圍管廊等影響，無法采用履帶吊，只能選用全地面汽車式起重機，選擇最大起重量300～650t 之間的型號。

綜上，吊裝部署的原則為：在充分保證吊裝安全的前提下，對立柱進行分段，現場桁架拼裝位置見縫插針，安排各段拼裝先后順序及各段的吊裝時間，綜合考慮吊車型號，充分利用吊車臺班，降低吊裝費用。

吊裝部署以大型吊車為主線，其選型及使用時機為部署的重點依據。首先進行吊車的選型，然后進行核算，最后根據各段結構的拼裝完成時間及現場場地條件，規劃各型吊車的進場時間。本項目選擇了300t、400t、500t、650t 四種全地面汽車式起重機。

4.1 吊車選型

首先進行吊車選型，選型的最基礎參數為構件的計算載荷（Qj），其計算公式見式（1）。

式中：Q——吊裝載荷，包括構件重量和吊、鎖具重量；

k1——動載荷系數，取1.1；

k2——不均衡載荷系數，取1.1。

吊車選型總結為三圖一表法，三圖即平面布置圖、立面布置圖、吊車性能曲線，一表即吊車性能表。

首先根據吊裝平面布置圖（圖2）確定作業半徑。采用CAD 文件格式精確繪制立柱、桁架的位置及幾何尺寸，必要時精確繪制吊車外形輪廓，包括車體及支腿打開的邊線。在鄰近空曠區域布置吊車占位，占位區域地基穩固，周邊無障礙。占位確定好后，測量吊車回轉中心與起吊中心，以及與就位中心的距離，二者最大距離為作業半徑。

圖2 吊裝平面布置圖

然后查看各吊車性能表，選擇大致吊車型號，在作業半徑范圍內查找一定主臂長度下的額定起重量，確定能否滿足計算載荷。若滿足，復查該型號吊車支腿展開后是否碰撞周圍結構，作業半徑內是否碰撞其他物體。

結合吊車性能曲線圖，繪制吊裝立面布置圖，檢查此作業半徑及主臂長度下是否有碰撞；然后繪制吊裝立面圖，詳見圖3。

圖3 吊裝立面圖

4.2 安全核算

安全核算主要包括兩部分：一部分為最終所選額定起重量能否滿足計算載荷，計算其負載率能否滿足規范安全要求；另一部分為鋼絲繩核算，確定鋼絲繩型號規格，保證滿足相應安全系數。

4.2.1 額定起重量核算

額定起重量為在確定回轉半徑和起升高度后，起重機能安全起吊的重量。額定起重量應大于計算載荷。采用多臺起重機抬吊時，多臺起重機抬吊所受合力不應超過各臺起重機單獨操作的額定載荷。采用雙機抬吊時，宜選用同類型或性能相近的起重機，負載分配應合理，通常單機載荷不得超過額定起重量的80%。

4.2.2 鋼絲繩核算

鋼絲繩核算的是確定其安全系數是否滿足要求，吊裝用鋼絲繩的安全系數一般應大于或等于6。單機吊裝一般采用四吊點系掛，雙機吊裝一般采用兩吊點系掛，系掛通過專門吊耳及卸扣將鋼絲繩進行連接。鋼絲繩驗算是通過力的分解，最終計算單股鋼絲繩的破斷力是否滿足安全要求。采用2 個以上吊點起吊時，每點的鋼絲繩與水平線的夾角不宜小于60°。吊裝用鋼絲繩一般選用6×37S+FC（IWR）型號。以一段棧橋四吊點系掛為例，進行鋼絲繩核算。

（1）主視圖方向分析：計算此平面內沿繩方向拉力，先畫出受力分析圖，利用杠桿原理對力進行分解，取得該平面內鋼絲繩的拉力。計算式見式（2）—式（4）。主視圖方向鋼絲繩受力示意圖見圖4。

圖4 主視圖方向鋼絲繩受力示意圖

式中：F1-1——主視平面長繩垂直向上分解的拉力，kN；

F2-2——主視平面短繩垂直向上分解的拉力，kN；

G——計算載荷，kN；

F1——主視平面長繩沿繩分解的拉力，kN；

F2——主視平面短繩沿繩分解的拉力，kN。

（2）側視圖方向分析：畫出側視圖方向受力分析圖（圖5），再次對力進行分解，取得該平面內鋼絲繩實際方向上的拉力。計算式見式（5）和式（6）。

圖5 側視圖方向受力分析

（3） 根據以上分析，主吊鋼絲繩選擇φ56- 6×61M- 1770 兩根，每根36m，單股最大受力212.9kN；主吊鋼絲繩選擇φ60- 6×61M- 1770 兩根，每根29m，單股最大受力225.8kN。查GB T20118- 2017《鋼絲繩通用技術條件》，可知相應規格的鋼絲繩單根破斷力分別為1570kN 和1800kN，則這兩種規格的鋼絲繩的安全系數分別為：

均符合《石油化工大型設備吊裝工程規范》要求的安全倍率。

4.3 雙機抬吊的安全核算

單臺起重機吊裝棧橋，施工簡單，臺班數量少，但從安全性、快速性上看，雙機抬吊更有優勢。因為采用雙機，有兩處吊點，兩處吊點宜選擇棧橋桁架兩端的結構連接處。比如主、次梁與立面腹桿的連接處，此處節點較多、剛性較大，可在此處設置吊點

盡量選擇雙機抬吊，可以靈活調整兩邊吊機的出繩距離，有利于帶斜度棧橋的快速、精確就位。而單機吊裝斜棧橋，對鋼絲繩選擇具有極大的考驗。

以7HJ5 段計算為例，其雙機抬吊受力分析圖見圖6。

圖6 雙機抬吊受力分析圖

根據起重機的吊裝計算載荷，見式（7）。

式中：G——構件重量；

q——吊具、索具重量之和；

根據杠桿原理：F1×L1=F2×L2

且，F1+F2=71.42t

可得，F1=38.19t；F2=33.23 t

考慮動載系數和不平衡系數，起重機的受力P1=F1×1.1×1.1=46.2t ；P2=F2×1.1×1.1=40.2t。

500t 汽車吊在14m 作業半徑、64.7m 主臂下額定起重量為63t，在18m 作業半徑、59.8m 主臂下額定起重量為56t，吊車負載率分別為：η1=46.2÷63=73.3%＜80%；η2=40.2÷56=71.8%＜80%

滿足雙機抬吊時，單機載荷不超過額定起重量的80%。

4.4 吊裝占位

由于全地面汽車起重機準備及拆卸工作較長，平均每個臺班只能在一個位置進行吊裝。因此，應充分利用每次占位，盡量就近吊裝多段。對長度較長的多段棧橋，充分利用各次大吊車占位，采用雙機三段連續甚至四段吊裝，極大地節約了吊車臺班。雙機三段連續吊裝，即兩臺單機各自吊裝1 段和3 段，最后雙機抬吊2 段，兩臺吊車占位后不需要移動。詳見圖7—圖9。

圖7 雙機三段連續吊裝立面示意圖

圖8 雙機三段連續吊裝平面示意圖

圖9 雙機三段連續吊裝

4.5 筒倉上部鋼結構吊裝

筒倉頂蓋一般有兩種結構型式，即混凝土與鋼結構。與混凝土結構相比，鋼結構具有施工快、成本低的優勢，因此本項目頂蓋結構采用鋼結構加壓型復合樓板。鋼結構采用井字型式，理想情況下，應在地面拼裝完主體井字結構后整體吊裝。但因現場無場地，所以對井字結構分解，一共14 根梁，全部位于40m 標高處，其中最小重8.1t、最大重14.9t。對吊車占位進行優化，在兩個筒倉西側場外區域進行吊車占位，吊車作業半徑可覆蓋兩個筒倉，吊車占一次位，將14 根大梁全部吊裝就位。圖10 為雙筒倉上部鋼結構吊裝現場。

圖10 雙筒倉上部鋼結構吊裝

5 棧橋連接貫通

為方便施工及吊裝，各段棧橋段部預制到立柱軸線處，導致立柱上部的棧橋均未連接，此部位需要空中作業施工。為保證作業安全，在各段棧橋吊裝前，在其端部設置架管封閉，同時作為此部位貫通的安全措施。首先，對樓面梁進行聯通，將樓面鋪裝完成，創造作業條件；其次，對屋面梁連接，將主框架結構施工完成，然后對腹桿進行安裝；最后將彩板封閉完成。棧橋連接處需要做好高處作業保護措施。

6 人員組織

鋼結構施工主要包括鉚工、焊工、起重工、小工等工程。針對本工程，將其劃分3 個作業區域，同時配套3 支經驗豐富的作業隊。作業人員在施工過程中不斷調整，優化。最終經統計，合計配置70 名作業人員，其中鉚工8 名、焊工32 名、小工26 名、起重工4 名。

7 結語

本項目棧橋施工從材料進場到吊裝就位，最終完全貫通，實際工期105d。過程中克服場地交叉、生產區域降效、高處作業等不利因素，最終取得了各方共同認可的成績。通過以上對人、材、機等環節的總結，得出受限空間內的儲運裝置鋼結構的施工思路及吊裝部署，對今后類似工程提供一定的借鑒意義。