大型儲罐電動葫蘆群提升倒裝法施工技術(shù)研究

向海濤 XIANG Hai-tao

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，柳州 545007）

0 引言

石油化工類大型儲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)維護難度大、勞動強度高及微小調(diào)整困難等問題。本項目部在進行大型儲罐制造時，采用電動葫蘆群提升倒裝法制作法，以新型的電動葫蘆作為提升設(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。在大型儲罐施工中，該工法有較高的推廣應用價值。

1 工程概況及重點及難點

本項目進行120 萬噸/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)項目儲罐制作安裝。儲罐數(shù)量及規(guī)格為：5 臺內(nèi)浮頂20000m3儲罐為φ40500mm（直徑）×17852mm（高度），單臺罐本體質(zhì)量約為517t；5 臺內(nèi)浮頂10000m3儲罐為φ30000mm（直徑）×16664mm（高度），單臺罐本體質(zhì)量約為285t；20 臺內(nèi)浮頂2000m3儲罐為φ14500mm（直徑）×14264mm（高度），單臺罐本體質(zhì)量約為97t。儲罐結(jié)構(gòu)由罐頂板（網(wǎng)殼）、罐壁、罐底、平臺、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)，中輻板之間采用對接焊，罐壁由帶板組成，儲罐主體材料為Q345R/Q235B。

2 大型儲罐施工方法研究

大型儲罐具有外形尺寸大、罐頂高及頂部高空施工作業(yè)量大等特點。儲罐制造是本項目的重難點，在以往類似項目施工時，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強度高、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械設(shè)備投入大，頂升系統(tǒng)維護困難，液壓系統(tǒng)一旦出故障，維修困難，造成整體停工等問題。也有采用自動焊接機器人正裝法制造此類大型儲罐，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第四工程有限公司的施工實踐，采用電動葫蘆群提升倒裝法制作法，同時對提升控制系統(tǒng)的電路進行了改進，解決了以上幾種提升工法存在的問題。本文結(jié)合現(xiàn)場實際施工實踐，對其施工步驟及關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行詳盡闡述如下，以期該法在大型儲罐的施工中得到推廣應用及完善技術(shù)。

3 施工工法原理

完成儲罐的底板后，施做罐頂及第1 圈壁板，并在壁板下部設(shè)置臨時脹緊、并與壁板固定的提升梁。在儲罐內(nèi)部，沿罐體內(nèi)邊緣均勻布設(shè)提升立柱，立柱上掛設(shè)電動葫蘆，電動葫蘆下端勾連提升梁上的吊耳。然后所有電動葫蘆同步將提升梁、罐頂及第1 圈壁板提升至合適高度，組焊第2 圈壁板。然后通過操作電動葫蘆升降。使第1 圈壁板、第2 圈壁板豎向?qū)φ⒑附映尚?。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，即完成儲罐主體結(jié)構(gòu)的制造。

該工法主要施工順序：鋪設(shè)儲罐底板→組焊第1 圈壁板→施作罐頂→罐頂開天窗（便于提升立柱穿出）→提升機構(gòu)安裝及調(diào)試、組焊第2 圈壁板（預留外側(cè)立縫1 條不焊）→提升第1 圈壁板及頂板至預定高度的一半，檢查及調(diào)整提升效果→繼續(xù)提升至預定高度→調(diào)整環(huán)縫間隙及錯邊，收緊第2 圈壁板合口→完成所有環(huán)縫、立縫的焊接→提升機構(gòu)下落→重復上述提升，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、機具選擇及工法要點

4.1 壁板組焊平臺施做

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

4.2 組焊儲罐最頂?shù)娜Π?、拱?/h3>

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

該工法相當于在地面施做儲罐的拱部，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 電動葫蘆提升裝置安裝

往常施工時，將提升吊耳直接焊接在壁板上，該方式常導致吊耳處壁板拉應力過大而變形。本項目采用設(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)提升梁對應安裝2 根提升立柱。在提升梁的綴板上焊接壁板對接的限位鋼擋板。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 長度內(nèi)的提升梁增設(shè)綴板加強。提升梁采用龍門卡具連接儲罐壁板。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

提升機構(gòu)由提升立柱、中心柱、電動葫蘆及平衡繩構(gòu)成。

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

提升立柱沿儲罐內(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)施工需要及承載驗算而定。立柱盡量靠近罐壁而立，但需確保電動葫蘆不與罐體結(jié)構(gòu)相觸碰。立柱垂直安裝，當柱腳與儲罐底板有空隙，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。在通過平衡繩的聯(lián)結(jié)，使提升機構(gòu)形成了受力封閉的整體。

本項目平衡繩采用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)平衡繩長度。以確保提升立柱的垂直度。

5 改進電動葫蘆的微調(diào)電路

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

6 提升關(guān)鍵技術(shù)及控制點

提升系統(tǒng)完成安裝后，對提升系統(tǒng)進行空載運行試驗。先啟動同步提升，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。然后進行單個葫蘆控制電路的試運行。確認全部正常后，方可進行正式提升。

在罐體提升時，派專人對電動葫蘆、起重鏈、提升梁及罐體等進行安全狀況監(jiān)視，出現(xiàn)異常立即停止提升。通常提升至預定高度的一半時暫停。檢查提升同步性、受力均勻性。對各處提升高度進行測量，對滯后倒鏈實施微調(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。采取啟動單個或幾個葫蘆對環(huán)縫間隙進行微調(diào)。對正后將圍板合口收緊并焊接壁縫，下移提升梁，完成一個提升循環(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。重復提升過程，直至完成各圈壁板組焊。

7 提升系統(tǒng)設(shè)計驗算

本項目以20000m3儲罐的提升系統(tǒng)為例說明設(shè)計驗算方法。

20000 m3儲罐沿罐內(nèi)周邊均勻設(shè)置了40 個提升立柱，立柱采用壁厚為6mm 的Φ219 鋼管。電動葫蘆40 臺，單臺提升動力為10t。提升立柱柱腳與儲罐底板焊接固定，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設(shè)置。

7.1 提升系統(tǒng)的工藝參數(shù)和計算數(shù)值

儲罐主體總重量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；

實際提升最大重量：G實=G總-G1+G2=275t。

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

7.2 電動葫蘆提升能力驗算

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

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

7.3 提升立柱承載能力驗算

提升立柱采用長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

由歐拉公式計算其臨界應力為：

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 吊耳承載能力驗算

①吊耳。

吊耳采用2 層12mm 鋼板對焊，最小截面長度為50mm，承受的荷載為電動葫蘆的拉力為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，單條長度為220mm。

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

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

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

表2 不同類型儲罐提升系統(tǒng)配置表

8 結(jié)束語

在進行本項目大型儲罐施工時采用了提升倒裝法，并對工藝進行改進和提高，采用電動葫蘆代替手動葫蘆加快速度、降低成本和降低勞動強度。對控制系統(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，確保本項目成功完成所有大型儲罐的制造。

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