新型節(jié)能塔棚的研制和使用

孫秀梅，王建興，杜緒，劉建福，任曉順，曹艷麗

（河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 三河 065201）

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)地質(zhì)找礦進(jìn)入攻深找盲階段，取心鉆探深度不斷加大，鉆探裝備也朝著先進(jìn)、高效、安全、大型化、人性化方向發(fā)展。鉆探施工作為一項(xiàng)地下工程，具有投資大、施工難度大、工作條件艱苦、環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、事故多發(fā)性、不可預(yù)見(jiàn)性極強(qiáng)等特點(diǎn)。這一切均或多或少地孕育著不安全的隱患，需要從技術(shù)裝備等方面進(jìn)行保障。但長(zhǎng)期以來(lái)，在不怕臟、不怕苦、艱苦奮斗、樂(lè)于奉獻(xiàn)的鉆探精神和重視效率和效益，忽視人員工作條件的理念支配下，野外鉆探工作條件和安全條件多年以來(lái)都沒(méi)有大的改善，鉆探施工安全事故時(shí)有發(fā)生，甚至?xí)腥藛T傷亡等嚴(yán)重事故發(fā)生，給鉆探工作者的親人帶來(lái)極大痛苦，給鉆探施工單位也帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失，是一項(xiàng)需要引起重視的問(wèn)題。

鉆進(jìn)工作主要是設(shè)備安裝、鉆機(jī)操作、塔上摘掛提引環(huán)及維修、塔下擰卸組裝鉆具及泥漿處理工作。鉆探設(shè)備和器具種類較多，工作繁重，其干擾因素多，技術(shù)要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不安全因素多。鉆探機(jī)臺(tái)工作的不安全的原因除人員素質(zhì)、機(jī)臺(tái)管理等人為因素外，存在的客觀因素在形成機(jī)臺(tái)安全隱患中是應(yīng)該特別注意的。這包括光線因素、高空因素、天氣因素、噪聲因素、地面空間大小、平整度和設(shè)備布置格局等。

一直以來(lái)，搭建鉆棚和給鉆塔穿塔衣是適應(yīng)風(fēng)雪等惡劣天氣的手段，是提高機(jī)臺(tái)工作效率和安全性的方法。但多年來(lái)我國(guó)塔衣塔棚一直保持最初樣子，沒(méi)有和日新月異的新科技、新材料結(jié)合起來(lái)，在減小機(jī)臺(tái)工作危險(xiǎn)性和提高鉆探工作人性化程度方面發(fā)揮的作用較小。

1 現(xiàn)狀

目前鉆塔塔棚塔衣普遍使用普通賬蓬帆布材料（圖1），存在以下缺點(diǎn)：

（1）塔內(nèi)光線條件差

由于塔內(nèi)昏暗，給機(jī)臺(tái)人員操作帶來(lái)很大的不便和不安全因素。

（2）抗風(fēng)能力較弱

布質(zhì)材料容易兜風(fēng)，加大了鉆塔所受風(fēng)力負(fù)荷，也容易被強(qiáng)風(fēng)撕破。

（3）排水能力差

由于帆布料質(zhì)地柔軟，發(fā)生雨雪時(shí)塔棚易兜住雨雪，增加許多麻煩。

（4）保溫性能低

布料透風(fēng)透氣能力強(qiáng)，保溫性能低，冬季寒冷，夏季濕熱，使機(jī)臺(tái)工作條件極為不適。

（5）壽命低

普通的一付塔衣壽命一般1～2年。

上述普通塔棚的缺點(diǎn)主要是布制塔棚的不透光和質(zhì)地柔軟造成的。因此選用新型材料來(lái)制作塔棚塔衣，可克服上述缺點(diǎn)，增加機(jī)臺(tái)工人工作舒適度和安全性非常必要。

圖1 帆布塔棚

2 玻璃鋼材料的優(yōu)點(diǎn)

玻璃鋼學(xué)名玻璃纖維增強(qiáng)塑料，是以玻璃纖維及其制品（玻璃布、帶、氈、紗等）作為增強(qiáng)材料，以合成樹(shù)脂作基體材料的一種復(fù)合材料。根據(jù)采用的纖維不同分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（GFRP），碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（CFRP），硼纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料等。玻璃鋼具有下列優(yōu)點(diǎn)。

2.1 輕質(zhì)高強(qiáng)

相對(duì)密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1／4－1／5，可是拉伸強(qiáng)度卻接近，甚至超過(guò)碳素鋼，而強(qiáng)度可以與高級(jí)合金鋼相比，某些環(huán)氧FRP的拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度均能達(dá)到400MPa以上。因此，在宇宙飛行器、航空、火箭、高壓容器以及在其他需要減輕自重的制品應(yīng)用中，都取得了很好效果。

2.2 耐腐蝕

FRP是優(yōu)良的耐腐材料，對(duì)水、大氣和一般濃度的鹽、堿、酸以及多種油類和溶劑都有良好的抵抗能力，已應(yīng)用到防腐化工的各個(gè)方面，正在取代木材、碳鋼、不銹鋼、有色金屬等傳統(tǒng)材料。

2.3 電性能好

FRP是很好的絕緣材料，高頻下仍能保護(hù)良好介電性，可以制造絕緣體，用于雷達(dá)天線罩已很廣泛。

2.4 熱性能良好

FRP熱導(dǎo)率低，室溫下為1.25～1.67kJ／（m·h·K），只有金屬的1／100～1／1000，是優(yōu)良的絕熱材料，同時(shí)在瞬時(shí)超高溫情況下，是理想的熱防護(hù)和耐燒蝕材料，能保護(hù)宇宙飛行器承受高速氣流的沖刷。

2.5 可設(shè)計(jì)性好

（1）設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要，靈活地設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)來(lái)滿足使用要求，產(chǎn)品形狀能夠多樣化，從而使產(chǎn)品有很好的整體性。由于生產(chǎn)工藝不復(fù)雜，可以根據(jù)產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途及數(shù)量來(lái)靈活地選擇成型工藝，尤其對(duì)形狀復(fù)雜、不易成型的數(shù)量少的產(chǎn)品，更突出它的工藝優(yōu)越性。

（2）能充分選擇材料來(lái)滿足產(chǎn)品的性能，如耐腐、耐瞬時(shí)高溫、高介電性，還能通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品某方向上有特別高強(qiáng)度。

綜上，F(xiàn)RP的透光性、高強(qiáng)度及絕熱性均可達(dá)到鉆探機(jī)臺(tái)場(chǎng)棚所要求的性能，探索用FRP材料設(shè)計(jì)機(jī)臺(tái)場(chǎng)所棚有很大可行性。

圖2 玻璃鋼冷卻塔

3 玻璃鋼材料的缺陷及野外應(yīng)用的適應(yīng)性

FRP也存在一些不足，這就要求結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境，配合其它基架材料進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。

（1）彈性模量低、剪切強(qiáng)度低

FRP的彈性模量比木材大兩倍，但比鋼（E＝2.1E5）小10倍，因此在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中常感到剛性不足，容易變形。為此需做成薄殼結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)來(lái)提高整體剛性，也可通過(guò)高模量纖維或者做加強(qiáng)筋等形式來(lái)彌補(bǔ)。對(duì)于機(jī)臺(tái)場(chǎng)棚承受的一般為雨雪壓力和風(fēng)力，通過(guò)設(shè)計(jì)可加強(qiáng)排水和提高結(jié)構(gòu)密度，從而減少平面受力，完全可以能滿足場(chǎng)棚強(qiáng)度需求。

（2）長(zhǎng)期耐溫性差

盡管一般FRP不能在高溫下長(zhǎng)期使用，通用聚酯FRP在50℃以上強(qiáng)度就明顯下降，一般只在100℃以下使用；通用型環(huán)氧FRP在60℃以上，強(qiáng)度有明顯下降。野外鉆塔只需滿足大氣溫度范圍，玻璃鋼完全滿足使用要求。

（3）老化現(xiàn)象

FRP仍屬于塑料范疇，存在一定老化現(xiàn)象，紫外線、風(fēng)沙雨雪、化學(xué)介質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力等作用會(huì)導(dǎo)致性能有所下降。但與目前常用粉煤灰質(zhì)塔衣原料相比，調(diào)查顯示其性能下降并不突出，完全可以滿足使用。事實(shí)上，F(xiàn)RP已廣泛用于大氣環(huán)境中，壽命并不亞于某些金屬材料，因?yàn)楹笳哐趸P蝕現(xiàn)象也是較大難題。所以FRP的老化現(xiàn)象對(duì)其用來(lái)作為場(chǎng)棚材料負(fù)面影響不大。

4 新型鉆塔的研制

為滿足鉆探需求，改善機(jī)臺(tái)作業(yè)條件，針對(duì)目前常見(jiàn)塔棚的缺陷，我院利用玻璃鋼這種新型材料，通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和科學(xué)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了新型玻璃鋼塔棚與SGB－13四角鉆塔匹配。該新型塔棚以滿足鉆探操作為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)形式如下：

（1）基架采用鍍鋅管材通過(guò)榫卯結(jié)構(gòu)將橫梁與立柱90°丁字結(jié)合方式，將上圈梁、下圈梁、立柱等形成剛性基架，以薄壁不銹鋼管做成格扇框，將玻璃鋼板鑲嵌固定到上面玻璃鋼窗格扇，這樣既通過(guò)增加格扇框橫格數(shù)可靈活提高格扇整體強(qiáng)度，還可根據(jù)基架不同位置確定每個(gè)窗格扇的大小，在塔棚中有的格扇長(zhǎng)達(dá)6m多，有的不足3m，有的呈梯形，有的呈方形，充分利用了玻璃鋼易于切割特性和不銹鋼強(qiáng)度高的特性，使格扇做得很大，前后十幾米場(chǎng)棚只用十幾片。格扇通過(guò)拼合，相鄰格扇疊壓拼接，安裝十分簡(jiǎn)便。

（2）前后場(chǎng)頂呈斜坡形，由天梁、上圈梁形成基架，一面與鉆塔前后門(mén)上頂梁固定頂棚呈對(duì)稱梯形，上下間如屋瓦鋪排，較高處的壓住較低處的，保證了排水良好，設(shè)計(jì)的頂格扇探出側(cè)墻形成屋檐，保證排水注到塔棚墻基一定距離外。

（3）場(chǎng)棚以鉆塔為基體，上下圈梁中心和中心立柱均由鉆塔大梁承擔(dān)，保證塔棚穩(wěn)定性，棚前后端最高處均高于四角塔前后門(mén)，可靠保證長(zhǎng)鉆具的提拉擺放。

5 野外使用效果

新型塔棚在河北省灤縣司家營(yíng)鐵礦預(yù)查和灤縣黃莊子鐵礦預(yù)查中進(jìn)行了三年的試用試驗(yàn)，取得了較好效果，得到了機(jī)臺(tái)的認(rèn)可。在使用上具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）塔棚防水、排水效果好，棚內(nèi)不漏雨，棚頂棚邊不積水，保證了雨季塔棚內(nèi)施工正常。

（2）采光效果好。新型塔棚比常用塔棚內(nèi)采光效果提高數(shù)倍，大大提高了操作的精準(zhǔn)性和安全性，同時(shí)棚內(nèi)空間利用率也有效提高，節(jié)約了用電。

（3）保溫性能有較大提高，由于玻璃鋼保溫好、日照充足，棚內(nèi)溫度比常規(guī)提高很多，塔內(nèi)空氣流動(dòng)性好，夏季塔內(nèi)不悶熱，鉆工喜稱為太陽(yáng)宮，使野外可施工期比以往延長(zhǎng)近兩個(gè)月。

（4）新式塔棚外觀美觀，符合標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)臺(tái)建設(shè)要求。

綜上，玻璃鋼是一種實(shí)用性強(qiáng)的新型鉆塔材料，值得廣泛推廣。

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