大型儲罐倒裝法施工風載荷分析及抗風裝置的設(shè)計運用

楊建強

(新疆石油建設(shè)有限責任公司，新疆 克拉瑪依市 834000)

大型儲罐倒裝法施工風載荷分析及抗風裝置的設(shè)計運用

楊建強

(新疆石油建設(shè)有限責任公司，新疆 克拉瑪依市 834000)

大型儲罐倒裝法施工的風力分析和抗風裝置的設(shè)計，是大型儲罐倒裝法施工技術(shù)安全控制的關(guān)鍵。通過儲罐風力受力分析計算，找出系統(tǒng)的薄弱點，并設(shè)計運用了抗風裝置，保證了系統(tǒng)的安全。這些計算分析和經(jīng)驗對大型儲罐的倒裝法施工有很大的借鑒意義。

儲罐；倒裝；施工；風載荷；抗風

0 前言

新疆石油建設(shè)有限責任公司在發(fā)展大型儲罐倒裝法施工技術(shù)時，首先考慮的是安全問題，重點是罐體液壓提升和提升過程中的風載荷受力。新疆是多風地區(qū)，施工過程中經(jīng)常遇到8、9級大風，在提升過程中，大風帶來了很大的安全隱患。因此查閱了大量資料，通過在罐體提升過程的風力計算，并設(shè)計了儲罐抗風裝置，并在50 000 m3和100 000 m3外浮頂儲罐倒裝法施工中成功應用。

1 倒裝法液壓提升過程中橫向風力對罐體的受力分析

采用倒裝法施工，儲罐的抗風圈、加強圈在提升前就已經(jīng)安裝到位，罐體本身的抗風能力已達到設(shè)計要求，罐體不會出現(xiàn)失穩(wěn)變形。需要對提升過程中風力作用在罐體發(fā)生傾覆的危險性進行分析。在此以50 000 m3外浮頂儲罐為例分析計算(倒裝法液壓提升安裝最底圈壁板時的風力分析)。

如圖1所示，在罐施工提升過程中，側(cè)向風力對罐體產(chǎn)生橫向力，可以分解為轉(zhuǎn)矩M和下部橫向力P，下面對轉(zhuǎn)矩M和下部橫向力P分別進行分析計算。

首先，按照施工工地歷史最大風速計算罐體受力(選用阿拉山口歷史最大風速44 m／s)：橫向力P＝60 m(直徑)×19.3 m(罐體總高)×0.86 kPa＝995.88 kN (折合101.92 t)。

[2]《圓柱形金屬油罐設(shè)計》風壓高度變化系數(shù)KZ，如表1所示。

表1 風壓高度變化系數(shù)KZ

圖1 風力作用受力示意

由表1加權(quán)平均(罐高19.3 m)：

考慮到儲罐的抗風圈等附件受風力的作用和罐體上部風速大于下部風速等因素，可認為受力點在罐高10 m處。

轉(zhuǎn)矩M＝101.92 t×10 m＝1019.2 t／m

1.1 轉(zhuǎn)矩M對罐體的受力分析

轉(zhuǎn)矩M作用在罐體，將使迎風側(cè)液壓缸承受升力(提升力減小)，另一側(cè)液壓缸承受壓力(提升力增加)。如圖1中所示，最大受力位置是罐體背風側(cè)頂端的液壓缸o點，受力值oα；為了計算的簡化，因罐體是筒體結(jié)構(gòu)，有較大剛度，將罐體按剛體考慮，受力分析如圖1所示，受力大小成線性，最大值oα＇。

只需計算oα＇值對系統(tǒng)的安全性，因oα＇＞oα，實際受力oα也是安全的。

50000m3外浮頂儲罐直徑60m，采用40個液壓缸提升，液壓缸間距4.67m，液壓缸圍圓直徑59.5m。

計算液壓缸最大受力oα＇值，根據(jù)

式中 M為風力轉(zhuǎn)矩；Fi為液壓缸受力；Xi為Fi到y(tǒng)軸的距離。

取1／4罐壁圓周為例，可認為Fi有無窮個，從而問題轉(zhuǎn)化為積分形式，由數(shù)學方法解答：Xi＝Rcosθ；Fi與Xi成正比，于是一段弧長的Fi可以表示為

式中 δ為待定系數(shù)。

則

最大Fi，F(xiàn)max在x軸處，即o點。

式中 L為液壓缸間距。

按前面分析，實際最大力小于1.712 t，選用的液壓缸單缸提升力25 t，提升安裝最后一圈時，單個液壓缸的提升力不到13 t，有足夠的安全余量。轉(zhuǎn)矩M對儲罐系統(tǒng)不會產(chǎn)生危險。

對于100 000 m3外浮頂儲罐，由于高徑比小于50 000 m3外浮頂儲罐，所以系統(tǒng)也是安全的。

1.2 橫向力P對罐體的受力分析

儲罐倒裝法施工有先圍下層壁板再提升罐體和先提升罐體再圍下層壁板兩種施工順序。采用先圍下層壁板，再提升罐體的施工順序，因為下層壁板和壁板上端焊接的限位板能夠承擔罐體的橫向風力，不會產(chǎn)生危險。但是采用先圍下層壁板，再提升罐體的施工順序，抗風圈、加強圈的安裝高度較高，且不利于罐壁板自動焊的使用。采用先提升罐體，再圍下層壁板的施工順序，抗風圈、加強圈的安裝高度只有1 m多高，且所有罐壁板焊縫可以采用自動焊接，但是罐體提升后，所有的受力只能由液壓缸和液壓缸的斜撐桿來承擔。經(jīng)過測試，選用北京昌平液壓機械廠的雙行程同步液壓缸，在最大承載受力情況下(液壓缸提升高度2.5 m)，液壓缸的側(cè)向承載力只有1.5 t，不能完全承載橫向力，會發(fā)生危險。由于安裝精度的影響，并不能保證所有液壓缸都有效承載，系統(tǒng)對橫向風載荷還應該有足夠的安全余量。

2 抗風裝置的設(shè)計原理和應用

抗風裝置包括斜撐桿和豎直桿。斜撐桿下端與罐底板用鉸接連接在一起，斜撐桿上端與豎直桿上端用鉸接連接在一起，豎直桿下端與罐底板用鉸接連接在一起，豎直桿的上部與脹圈的內(nèi)側(cè)安裝在一 起，設(shè)計圖如圖2、圖3所示。

圖2 抗風裝置的組裝設(shè)計

圖3 抗風裝置的部件設(shè)計

抗風裝置采用鉸接結(jié)構(gòu)，部件一采用鉸接的開口，充分考慮了承擔風載荷能力和便于安裝拆除等因素?？癸L裝置依據(jù)罐體直徑、提升高度、工地最高歷史風速等因素確定具體的安裝數(shù)量，安裝時沿罐內(nèi)側(cè)均布。例如100 000 m3外浮頂儲罐，從第四圈提升時安裝4個，逐級增加，到最后一圈提升時，增加到16個。

使用要求：立柱(部件二)安裝時，要求垂直；罐體提升結(jié)束后，或者遇到大風提升停止時，在立柱與脹圈上護瓦間隙內(nèi)插入方銷子，每處至少2個，正對脹圈處的兩側(cè)，保證抗風裝置能有效承載。抗風裝置的現(xiàn)場安裝如圖4、圖5所示。

3 結(jié)論

圖4 抗風裝置的現(xiàn)場安全實物

圖5 抗風裝置的現(xiàn)場安全實物(局部)

大型儲罐倒裝法施工的風力分析是該技術(shù)的安全重點。特別是新疆的阿拉山口和鄯善地區(qū)，是我國最大的兩個風口，2005年，新疆石油建設(shè)有限責任公司在阿拉山口用倒裝法建造了1座50 000 m3外浮頂儲罐，2008年和2009年，在鄯善用倒裝法建造了10座100 000 m3外浮頂儲罐。

Design of wind torque analysis of wind load and wind resistance device for large storage tank with the upside-down construction technology

YANG Jian-qiang
(Xinjiang Petroleum Engineering Construction Co.，Ltd.，Karamay 834000，China)

The design is the key technology for safety control of large storage upside-down construction technology，including wind torque analysis and wind resistance device.By results of calculating of wind torque stress analysis，find out the weak spots of the system，design and apply the wind resistance device，ensure the safety of the system.The calculating analysis and experience on large storage upside-down construction can be used for reference.

storage tank；upside-down construction；construct；wind load；wind resistant

TG404

B

1001-2303(2011)09-0040-03

2011-03-09

楊建強(1974—)，男，甘肅渭通人，高級工程師，碩士，主要從事儲罐焊接質(zhì)量管理工作。