覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐壁板吊裝機(jī)具的改造及應(yīng)用

錢(qián)惠杰，吳道凡，張 坤

中石化河南油建工程有限公司，河南南陽(yáng) 473132

1 覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐概況

覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐有受環(huán)境溫度影響較小、蒸發(fā)損耗小、延緩油品變質(zhì)且對(duì)空隱蔽等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)家戰(zhàn)略物資儲(chǔ)備油庫(kù)。隨著油品儲(chǔ)量的不斷增加，覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐容積日趨大型化。由于此類工程多為保密工程，導(dǎo)致行業(yè)間的技術(shù)交流相對(duì)較少?，F(xiàn)依托國(guó)內(nèi)某國(guó)儲(chǔ)項(xiàng)目覆土庫(kù)區(qū)擴(kuò)建工程，對(duì)1 萬(wàn)m3覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐壁板吊裝專用機(jī)具的改造及應(yīng)用進(jìn)行探究。

目前覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，儲(chǔ)罐外壁距離混凝土罐室內(nèi)壁有效間距僅為1 m，從而在室內(nèi)儲(chǔ)罐安裝過(guò)程中，因室內(nèi)空間受限，操作空間封閉，無(wú)法使用吊裝設(shè)備，這給室內(nèi)儲(chǔ)罐安裝工作帶來(lái)較大困難。同時(shí)，因通風(fēng)不暢，施工過(guò)程中如何保障施工人員的人身安全，滿足HSE 管理標(biāo)準(zhǔn)要求，這也是施工組織需考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。

圖1 覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐主要結(jié)構(gòu)形式示意

目前覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐安裝主要采用邊柱倒裝法施工工藝，采用手動(dòng)葫蘆、電動(dòng)葫蘆或液壓頂升裝置提升，其施工順序一般為：罐底安裝→罐頂安裝→罐壁安裝。與常規(guī)室外鋼制儲(chǔ)罐安裝相比，其罐底、罐頂安裝工藝基本一致，但在罐壁板安裝過(guò)程中由于室外儲(chǔ)罐安裝可依托吊車(chē)進(jìn)行圍板、組對(duì)，而室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐安裝則因受空間限制，吊裝機(jī)械無(wú)法使用，壁板圍板的組對(duì)安裝基本上是通過(guò)自制吊具進(jìn)行的，存在工效低和安全隱患等問(wèn)題。

2 覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐安裝工藝和特點(diǎn)

覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐安裝工藝主要有兩種：邊柱倒裝液壓頂升法、邊柱倒裝倒鏈提升法。

2.1 邊柱倒裝液壓頂升法

邊柱倒裝液壓頂升法的工序?yàn)閇1]：罐板預(yù)制→底板鋪設(shè)→底板焊接→壁板倒運(yùn)→第一節(jié)壁板安裝→子午線托圈定位機(jī)構(gòu)安裝→罐頂安裝→液壓裝置就位→罐頂桅桿就位→罐壁安裝→附件安裝→充水試驗(yàn)→驗(yàn)收、移交。

其主要特點(diǎn)是：其一，采用倒裝提升施工，改高處作業(yè)為地面作業(yè)，提高了施工的安全性；其二，改頂升施工方式為提升方式，使系統(tǒng)由受壓變?yōu)槭芾黾恿讼到y(tǒng)的穩(wěn)定性；其三，由過(guò)去的機(jī)械式倒鏈提升機(jī)構(gòu)改為液壓提升機(jī)構(gòu)，體積小，勞動(dòng)強(qiáng)度低；其四，改連續(xù)提升為步進(jìn)提升，提升高度理論上不受限制。

2.2 邊柱倒裝倒鏈提升法

邊柱倒裝倒鏈提升法的工序?yàn)閇2]：罐板預(yù)制→罐底鋪設(shè)→底板焊接→壁板倒運(yùn)→包邊角鋼安裝→罐頂安裝→安裝提升裝置→罐壁安裝→附件安裝→充水試驗(yàn)→驗(yàn)收、移交。

其主要特點(diǎn)是：其一，倒裝提升施工改高處作業(yè)為地面作業(yè)，確保了施工安全；其二，調(diào)整了包邊角鋼施工順序，罐底施工完畢后，在邊緣板上放線和點(diǎn)焊限位板，安裝包邊角鋼，然后進(jìn)行罐頂板施工，待罐頂和包邊角鋼焊接完畢后，整體起升，安裝頂圈壁板；其三，儲(chǔ)罐安裝主要工作能夠在地面進(jìn)行，罐體橢圓度容易控制；其四，可加大預(yù)制深度減少受限環(huán)境內(nèi)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，所有安裝所需材料均在罐外預(yù)制完畢減少罐內(nèi)作業(yè)，罐頂安裝前所有壁板倒運(yùn)進(jìn)罐，按照排版圖及使用順序貼混凝土罐內(nèi)壁立直擺放。

3 儲(chǔ)罐壁板常用吊裝機(jī)具及存在的問(wèn)題

在受限空間內(nèi)的罐壁板吊裝施工一般采用自制移動(dòng)吊裝支架專用機(jī)具。常用的自制吊裝機(jī)具結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，該工裝機(jī)具主要包括安裝于罐底的卷?yè)P(yáng)機(jī)以及安裝于罐頂?shù)妮S向移動(dòng)支架、橫擔(dān)、吊裝機(jī)構(gòu)等。

圖2 吊裝機(jī)具結(jié)構(gòu)示意

該機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)制作方便，但也存在以下問(wèn)題：一是卷?yè)P(yáng)機(jī)行程較長(zhǎng)，工效較低；二是移動(dòng)支架結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中壁板易擺動(dòng)，存在脫落隱患；三是機(jī)具在罐頂周向移動(dòng)為人工牽引，工效較低且存在安全隱患；四是吊裝機(jī)具在移動(dòng)過(guò)程中，橫擔(dān)容易擺動(dòng)，影響罐壁吊裝就位。

4 罐壁板吊裝機(jī)具的改造

現(xiàn)有自制罐壁板吊裝機(jī)具多采用卷?yè)P(yáng)機(jī)、人工牽引等方式，存在安全隱患，工作效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。需要針對(duì)現(xiàn)有吊裝機(jī)具存在的主要問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，使吊裝專用機(jī)具集遙控吊裝、電動(dòng)行走于一體，并在儲(chǔ)罐安裝工程中應(yīng)用和完善，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本文依托實(shí)際工程對(duì)吊裝機(jī)具結(jié)構(gòu)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)和改造。

4.1 調(diào)整卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝位置并增加行走小車(chē)功能

將吊裝移動(dòng)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，安裝卷?yè)P(yáng)機(jī)、信號(hào)接收器、減速器等設(shè)備，匹配電氣線路控制，使吊裝移動(dòng)支架具備遙控吊裝、行走、支撐、移動(dòng)于一體的功能。主要改造方案：

（1） 將卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝位置由罐底安裝調(diào)整為安裝在罐頂行走橫擔(dān)支架上，并對(duì)罐頂安裝位置受力情況進(jìn)行校核。

（2） 為吊裝提升用卷?yè)P(yáng)機(jī)增加遙控功能，為便于壁板就位及操作，還需增加與該功能匹配的信號(hào)接收器及用電線路。

（3） 為移動(dòng)支架增加遙控行走功能。對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)整，以便于安裝行走電機(jī)等設(shè)備，同時(shí)增加車(chē)輪、信號(hào)接收器及減速器，匹配相關(guān)用電線路。

改造后的行走小車(chē)整體結(jié)構(gòu)布置和卷?yè)P(yáng)機(jī)位置調(diào)整方案見(jiàn)圖3，罐頂?shù)跹b機(jī)具遙控裝置配線見(jiàn)圖4。

圖3 罐頂遙控行走小車(chē)總體結(jié)構(gòu)布置示意

圖4 罐頂小車(chē)遙控裝置配線

4.2 提升用卷?yè)P(yáng)機(jī)的選用與安裝

在罐底安裝卷?yè)P(yáng)機(jī)需要在罐頂進(jìn)行開(kāi)孔或預(yù)留鋼絲繩進(jìn)出套管，導(dǎo)致鋼絲繩牽引過(guò)長(zhǎng)，功率損耗較多，工效降低，同時(shí)增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。為此，選擇將罐底的卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝在罐頂橫擔(dān)鋼管上的方式；為保證其穩(wěn)定性，對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)底座進(jìn)行了加固處理。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，卷?yè)P(yáng)機(jī)提升速度選擇7 ～12 m/min，并選用結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的機(jī)型；由于卷?yè)P(yáng)機(jī)需頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，因此必須保證吊裝過(guò)程中能迅速剎車(chē)。卷?yè)P(yáng)機(jī)功率選擇計(jì)算如下。

（1） 卷?yè)P(yáng)機(jī)傳動(dòng)裝置的總效率：

式中：η1為聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；η2為滾動(dòng)軸承效率；η3為閉合齒輪傳動(dòng)效率；η4為聯(lián)軸器效率；η5為傳動(dòng)滾筒效率。

（2） 卷?yè)P(yáng)機(jī)工作所需的輸入功率：

式中：Pd1為卷?yè)P(yáng)機(jī)提升速度為7 m/min 時(shí)所輸入功率，kW；Pd2為卷?yè)P(yáng)機(jī)提升速度為12 m/min 時(shí)所輸入功率，kW；F 為卷?yè)P(yáng)機(jī)所需牽引力，kN，因在該項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐安裝中需要吊裝的最重單塊鋼板的質(zhì)量為1 876 kg，故F=1 876 kg×9.8 m/s2=18 385 N=18.385 kN；V1、V2為卷?yè)P(yáng)機(jī)提升速度，m/min。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選擇輸入功率5 kW 以上的卷?yè)P(yáng)機(jī)能滿足施工要求。結(jié)合以上分析和計(jì)算，為了安全考慮，選擇YZR160L-6 型卷?yè)P(yáng)機(jī)，其主要參數(shù)如下：整機(jī)外形尺寸1 545 mm×1 290 mm×850 mm，質(zhì)量為1 250 kg，功率為11 kW，轉(zhuǎn)速為950 r/min，液壓推桿制動(dòng)器型號(hào)為YWZ-300/45，總傳動(dòng)比為152.49。

4.3 卷?yè)P(yáng)機(jī)配用鋼絲繩校核

YZR160L-6 卷?yè)P(yáng)機(jī)使用的配套鋼絲繩規(guī)格為6×37-21.5 mm，額定拉力50 kN，鋼絲直徑1.0 mm，額定速度9 m/min。對(duì)鋼絲繩受力進(jìn)行分析。

（1） 鋼絲繩破斷拉力：

式中：F0為鋼絲繩破斷拉力，kN；K′為鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)，取值0.33；D 為鋼絲繩直徑，mm；R0為鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，取1 870 MPa。

（2） 鋼絲繩許用拉力Fb：

Fb=F0/K=285/5.5 =51.8（kN） ＞18.385 kN（需吊裝的最重單塊鋼板的重量）

式中：K 為傳動(dòng)安全系數(shù)，取值5.5。

經(jīng)核算，YZR160L-6 卷?yè)P(yáng)機(jī)配套的鋼絲繩可滿足該項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐的安裝要求。

4.4 周向行走小車(chē)改造

在覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐壁板的安裝過(guò)程中，由于受空間制約，一般在罐頂安裝周向行走小車(chē)，主要功能為支撐、行走、吊裝。為提高工效及安全系數(shù)，對(duì)行走小車(chē)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，在行走支架上增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器、遙控接收器等。罐頂遙控周向行走小車(chē)的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖5。

圖5 罐頂遙控周向行走小車(chē)結(jié)構(gòu)示意

（1） 周向行走小車(chē)輪胎角度調(diào)校。因行走小車(chē)放置在罐頂，其行走軌跡為周向圓形，若行走小車(chē)前后輪胎均安裝成直線，不考慮偏差角度，在使用過(guò)程中行走小車(chē)會(huì)出現(xiàn)輪胎打滑現(xiàn)象，加劇輪胎的磨損。結(jié)合實(shí)踐，對(duì)小車(chē)前后輪胎角度進(jìn)行調(diào)校，將輪胎沿徑向內(nèi)偏3°，使輪胎在行程范圍內(nèi)與罐頂板的接觸面較大，防止輪胎打滑，減緩輪胎磨損。

（2） 增加電機(jī)護(hù)板。罐壁板吊起后易產(chǎn)生搖擺，會(huì)造成行走小車(chē)的電機(jī)及齒輪損壞。為保護(hù)吊裝機(jī)具，避免因罐頂板在吊裝過(guò)程中擺動(dòng)造成齒輪損壞，將吊裝機(jī)具的傳動(dòng)鏈條置于外側(cè)，并在電機(jī)側(cè)加裝護(hù)板，有效地保護(hù)了設(shè)備。

（3） 增加行走小車(chē)前后輪間距，加固橫擔(dān)，提高橫擔(dān)行走穩(wěn)定性。行走小車(chē)前后移動(dòng)操作，罐頂橫擔(dān)會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，為減少晃動(dòng)，橫擔(dān)鋼管需用DN150 管，并進(jìn)行加固支撐。行走電機(jī)與減速器的連接采用鏈傳動(dòng)，將傳動(dòng)比控制在1∶3，可保證橫擔(dān)與行走小車(chē)在移動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

（4） 行走小車(chē)受力校核。

第一，最大均布荷載：

式中：W 為20#槽鋼的截面模數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取值178 cm3；b 為Q235B 碳素鋼結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力，取值14 000 N/cm2；L 為槽鋼的有效長(zhǎng)度，取值200 cm；G′為理論均布重量，2.577 N/cm。因此在200 cm 有效跨度內(nèi)，小車(chē)能承受的最大重量為500.977×200=100 195.4（N）＞18 385 N。

第二，集中載荷Pj：

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，行走小車(chē)在使用過(guò)程中最大承重小于集中載荷Pj和最大均布載荷G，故行走小車(chē)支撐結(jié)構(gòu)安全可靠。為加強(qiáng)行走小車(chē)支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在立桿兩側(cè)增加斜支撐，在槽鋼之間增加豎向支撐（見(jiàn)圖5）。

（5） 行走小車(chē)的安裝就位。將罐頂遙控行走小車(chē)按圖6 所示安裝就位于罐頂，周向小車(chē)就位于距離罐頂板邊緣2 m 處（環(huán)形筋板上方）。橫擔(dān)長(zhǎng)度伸出罐壁200 mm，以便于罐壁吊裝、圍板。

圖6 罐頂遙控行走小車(chē)實(shí)物

4.5 罐頂?shù)姆€(wěn)定性校核

遙控行走小車(chē)安裝在罐頂位置，在起重吊裝過(guò)程中其受力全部作用于罐頂，為保證罐頂板在承受外力時(shí)的穩(wěn)定性和不變形，需對(duì)罐頂板承壓部位進(jìn)行計(jì)算分析。

（1） 罐頂板折算厚度計(jì)算[5]：

式中：t1m、t2m為緯向肋/徑向肋與頂板組合截面的折算厚度，mm；h1、h2為緯向肋/經(jīng)向肋寬度，mm；b1、b2為緯向肋/經(jīng)向肋有效厚度，mm；L1S、L2S為緯向肋/經(jīng)向肋在經(jīng)向/緯向的間距，mm；n1、n2為緯向肋/經(jīng)向肋與頂板在經(jīng)向/緯向的面積折算系數(shù)；e1、e2為緯向肋/經(jīng)向肋與頂板在經(jīng)向/緯向的組合截面形心到頂板中面的距離，mm；th為罐頂板的有效厚度，mm。

結(jié)合所依托項(xiàng)目的設(shè)計(jì)圖紙得：

（2） 罐頂穩(wěn)定性復(fù)核。查閱《機(jī)械手冊(cè)》：E 為設(shè)計(jì)溫度下鋼材的彈性模量，206×103MPa；罐頂鋼板材質(zhì)為Q235B，罐頂折算厚度為24 mm。經(jīng)ANSYS 軟件網(wǎng)格建模分析得圖7 ～10。

圖7 罐頂載荷分布示意

圖8 罐頂應(yīng)力分布

圖9 罐頂Y 向變形示意

圖10 受載罐頂穩(wěn)定性系數(shù)

從以上分析計(jì)算可知，當(dāng)小車(chē)吊起重物后，罐頂最大應(yīng)力為12.408 MPa，罐頂最大Y 向變形量為0.719 53 mm，安全系數(shù)為31.664，即在吊裝行走小車(chē)受力作用下罐頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)變形失穩(wěn)。

4.6 施工期間安全防護(hù)措施

（1） 對(duì)改造后罐頂遙控行走小車(chē)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提升能力、點(diǎn)動(dòng)剎車(chē)、遙控性能等進(jìn)行檢查，確認(rèn)其完好、安全、性能滿足要求后方可投入使用。

（2） 儲(chǔ)罐安裝作業(yè)都在混凝土罐室內(nèi)進(jìn)行，采光不好，通風(fēng)不佳，應(yīng)設(shè)置好照明設(shè)施。為保證施工作業(yè)安全，應(yīng)在儲(chǔ)罐外側(cè)罐壁均布安裝12 個(gè)50 W LED 防爆燈，在儲(chǔ)罐內(nèi)側(cè)均布安裝6 個(gè)100 W LED 防爆燈，要求均使用36 V 以下安全電壓。

（3） 應(yīng)設(shè)置通風(fēng)排塵設(shè)施，在罐內(nèi)底板均布4 臺(tái)3 kW 的軸流風(fēng)機(jī)，在混凝土罐室頂部安裝4臺(tái)5 kW 的軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制抽風(fēng)，確保施工作業(yè)人員處于一個(gè)安全的施工環(huán)境中。

（4） 確保提升用卷?yè)P(yáng)機(jī)接線與安裝滿足要求：電源接通前，應(yīng)檢查臨時(shí)用電設(shè)施及接地線良好情況,以防觸電事故；鋼絲繩應(yīng)從卷筒下方繞入卷?yè)P(yáng)機(jī)，以保證卷?yè)P(yáng)機(jī)的穩(wěn)定；鋼絲繩不許打結(jié)、扭撓，并應(yīng)使鋼絲繩繞入卷筒的方向在卷筒中部與卷筒軸線垂直，以保證卷?yè)P(yáng)機(jī)受力對(duì)稱，嚴(yán)禁超載使用。

5 應(yīng)用效果

6 臺(tái)1 萬(wàn)m3覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐的安裝證明，該吊裝機(jī)具使用方便，操控靈活，安全可靠。安裝效率與同工程使用的2 臺(tái)傳統(tǒng)施工機(jī)具安裝相比，每圈壁板吊裝所要時(shí)間節(jié)省了一倍，而且罐板的提升吊裝和小車(chē)移動(dòng)都可以在地面位置精準(zhǔn)遙控操作，施工作業(yè)人員安全得到了保證，儲(chǔ)罐組裝整體安裝工效提高至原來(lái)的1.22 倍，縮短了施工工期，節(jié)省了施工成本，有效降低了受限空間內(nèi)儲(chǔ)罐安裝作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)今后安裝此類覆土儲(chǔ)罐有非常好的借鑒作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐安裝工作中存在的無(wú)法依托施工機(jī)械設(shè)備等問(wèn)題，本文介紹了一種覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐壁板吊裝機(jī)具的改造制作方案及應(yīng)用情況。在項(xiàng)目應(yīng)用驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，改造了一種用于覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐安裝的罐頂遙控行走吊裝專用機(jī)具，并在6 臺(tái)1 萬(wàn)m3覆土儲(chǔ)罐上成功應(yīng)用，在顯著提高作業(yè)工效的同時(shí)，節(jié)省了施工成本，有效降低了受限空間內(nèi)儲(chǔ)罐安裝作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，解決了覆土罐室內(nèi)鋼制儲(chǔ)罐安裝無(wú)適用吊裝機(jī)具的問(wèn)題，該工裝機(jī)具在同類項(xiàng)目施工中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。