大型立式拱頂油罐的施工方法分析

林 屹

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

大型立式拱頂油罐的施工方法分析

林 屹

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

本文主要介紹了大型立式拱頂油罐罐頂采用空間三角形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性以及油罐拱頂?shù)寡b法施工的主要環(huán)節(jié)和特點，同時通過對具體建造方法優(yōu)缺點的比較，驗證倒裝法施工的正確性和有效性。

拱頂； 空間三角形網(wǎng)殼； 倒裝法； 電動葫蘆； 脹圈

0 引言

為滿足工廠燃油鍋爐和發(fā)電的需要，某鎳鈷冶

煉廠區(qū)設(shè)計了一座二級石油庫，總庫容量為5.25萬m3，由4個立式拱頂油罐組成，結(jié)構(gòu)形式基本類似，有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 罐容表

上述罐容中25 000 m3重油罐為大型立式圓筒形拱頂儲罐，直徑跨度為42 m，罐體總重為525 t。該重油罐直徑較大，罐頂采用了空間三角形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場組裝采用倒裝法。

該項目所在地為南太平洋的國家，經(jīng)濟(jì)落后，公路、水、電供應(yīng)等基礎(chǔ)設(shè)施匱乏，尤其是當(dāng)?shù)毓I(yè)基礎(chǔ)十分薄弱，基本沒有建設(shè)協(xié)作能力，物資極度短缺，建設(shè)和生產(chǎn)的絕大部分物資通過海運運抵。貨物從中國運抵項目地約需20天，運輸周期比較長。綜上所述，當(dāng)?shù)氐膶嶋H條件很大程度上制約了本項目的正常建設(shè)，為保證項目建設(shè)的正常進(jìn)行，在同時兼顧經(jīng)濟(jì)效益的原則下，如何合理的設(shè)置重油罐的施工方法，具有很大的挑戰(zhàn)性。

根據(jù)現(xiàn)場的條件結(jié)合海運的物流費并考慮到工程總工期等各方面的因素，鑒于重油罐直徑較大，最終采用在國內(nèi)制作成構(gòu)件并進(jìn)行預(yù)拼裝，根據(jù)裝配要求驗收合格后，綁扎打捆，經(jīng)海運到現(xiàn)場，然后在現(xiàn)場進(jìn)行組裝焊接。

1 重油罐結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

(1) 重油罐屬于常壓容器類別，其制造、安裝和質(zhì)量檢驗按規(guī)范《GB50128立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規(guī)范》和 GB50236《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》執(zhí)行。

(2) 設(shè)計裝油容積25 000 m3。

(3) 罐頂設(shè)計外載荷：正壓2 000 Pa、負(fù)壓1 200 Pa。

(4) 重油罐設(shè)計風(fēng)壓：450 Pa。

(5) 罐頂試驗壓力：正壓2 200 Pa、負(fù)壓1 320 Pa。

(6) 罐頂結(jié)構(gòu):空間三角形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

(7) 重油罐罐底結(jié)構(gòu)：環(huán)形邊緣板結(jié)構(gòu)。

重油罐主要構(gòu)成，見圖1。

1.罐底板 2.罐壁 3.保溫層 4.加熱盤管 5. 盤梯及附件 6.罐頂圖1 重油罐組

2 空間三角形網(wǎng)殼拱頂特點

目前，國內(nèi)大型常壓拱頂油罐的罐頂主要采用兩種結(jié)構(gòu)形式：空間三角形網(wǎng)殼和子午線網(wǎng)殼。其中空間三角形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)從安全角度方面更占優(yōu)勢，且此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性較好，對罐頂受力均勻，對罐壁的成型及穩(wěn)定性極為有利，且方便施工。而子午線網(wǎng)殼從設(shè)計到制造都需更嚴(yán)格的質(zhì)量控制，施工組織比較復(fù)雜，綜合眾多因素，該重油罐最終采用空間三角形網(wǎng)殼。兩種結(jié)構(gòu)的性能對比見表2，結(jié)構(gòu)形式見圖2、圖3。

表2 直徑42 m罐頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的方案對比

圖2 空間三角形網(wǎng)殼

圖3 子午線網(wǎng)殼

從現(xiàn)場施工組織來看，空間三角形網(wǎng)殼的確有其獨特優(yōu)勢，現(xiàn)場僅用一臺25 t汽車吊吊裝施工材料進(jìn)場外，不需要任何大型機(jī)械，即可組織施工，且可同時組織多點施工，滿足進(jìn)度要求，施工簡單快捷。該重油罐空間三角形網(wǎng)殼拱頂，在現(xiàn)場8個人僅用了26天就把整個罐頂組裝完畢，施工完的罐頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有藝術(shù)性。采用子午線網(wǎng)殼，設(shè)計部門需要對廠家的制造方案進(jìn)行必要的校核計算，且對廠家制造過程質(zhì)量要嚴(yán)格把關(guān)，才能確保產(chǎn)品質(zhì)量。綜上來看，本項目罐頂選用空間三角形網(wǎng)殼方案的確優(yōu)于子午線網(wǎng)殼方案。

3 罐壁倒裝法分析

重油罐施工法可分為正裝法和倒裝法。正裝法的順序是從罐底向上至罐頂，即罐底→罐壁→罐頂→盤梯和附件，施工時由底板做起，由底層殼板自下而上的焊接，最后裝焊頂蓋。此法的缺點是：隨著罐體殼板逐漸焊接升高，施工作業(yè)面也隨之升高，大部分作業(yè)面處于高空作業(yè)，安全系數(shù)低，施工難度大，另外要搭設(shè)很高的棚架，其工裝投入必然會增加工程成本，并且施工全工程都要有較大型的吊車配合吊裝。

倒裝法的順序是：罐底→最上層壁板→罐頂→依次提升下一層壁板,主體施工全部在地面上進(jìn)行，罐頂平臺，扶手欄桿等都在地面上完成。具體做法是先從頂蓋做起，自上而下的裝焊殼板，每焊裝完上一層殼板，就把罐體提升至一個適當(dāng)?shù)母叨?，接著再裝焊下一層殼板，采用這種施工方法后，無論罐體多高，工人始終是在地面裝焊殼板，這樣把裝焊作業(yè)由空中作業(yè)轉(zhuǎn)化為地面作業(yè)，高空作業(yè)的難題得以避免，不僅安全、工效高，而且省去了大型吊車、角手架等設(shè)施。倒裝法施工中最重要的是要設(shè)計一種提升罐體的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)既要安全可靠，又要簡單易行。倒裝法中的提升系統(tǒng)主要由電動葫蘆、立柱、中心柱和脹圈構(gòu)成。

正裝法和倒裝法的比較見表3。

表3 正裝法和倒裝法比較

經(jīng)過對兩種施工工藝進(jìn)行對比分析，結(jié)合施工現(xiàn)場情況，決定采用倒裝法工藝進(jìn)行施工，并制定出切實可行的制作拼裝方案。

3.1 壁板預(yù)加工

本項目重油罐罐壁按照設(shè)計圖紙分為11個環(huán)帶，每個環(huán)帶板的寬度為1 800 mm，弧段長度為6 000 mm。在國內(nèi)預(yù)制下料為若干塊鋼板，對每塊鋼板進(jìn)行編號，然后綁扎打捆，形成鋼板構(gòu)件，具體見圖4。

1.槽鋼C16 2.槽鋼C16 3.絲桿及螺母墊圈圖4 鋼板包裝圖

包裝時，按照包裝要求進(jìn)行標(biāo)號，并注意包裝時要按照焊接順序進(jìn)行。運送鋼板構(gòu)件時，要采取合理措施防止構(gòu)件變形，不可拖動，以避免油漆劃傷，構(gòu)件放置在地面時，應(yīng)設(shè)置木墊，人員不允許在構(gòu)件上走動。對于在構(gòu)件出廠運輸過程中產(chǎn)生的變形,要在施工現(xiàn)場配備2臺卷板機(jī)(型號W11S- 25×2500)進(jìn)行矯形。

3.2 電動葫蘆的選擇和使用

電動葫蘆作為起升裝置，其數(shù)量的確定不僅與工作負(fù)荷有關(guān)，還要考慮到罐體的直徑，因為在起升過程中是整體同步向上起升，平衡和起升點的同步動作是關(guān)鍵，如果電動葫蘆的數(shù)量過少，則單個裝置的負(fù)荷較大，且在大直徑的情況下不易掌握平衡。如果起升裝置過多，起升過程中同步性協(xié)調(diào)比較困難。根據(jù)施工經(jīng)驗以及實際計算結(jié)果，起升裝置可以如下選擇：

Q=(M1+M2)×180%

(1)

式中Q—起升負(fù)荷，t；

M1—罐頂重量，145 t(包括網(wǎng)殼、蓋板等重量)；

M2—罐壁重量，242t。

Q=(M1+M2)×180%=

(145 t+242 t)×180%=696.6 t

所需電動葫蘆的數(shù)量N=Q/q

q-電動葫蘆的額定負(fù)荷，此處選擇為20 t；

N=Q/q=692.6/20=34.8，取N=36。

本項目使用36臺20 t的電動葫蘆在圓周內(nèi)對稱均勻布置，同時根據(jù)現(xiàn)場條件配置一個控制箱來同時控制36臺電動葫蘆，控制箱為提升裝置的配套設(shè)備，能夠遠(yuǎn)距離地控制葫蘆的上升、下降及停止三個動作，見圖5。

1.電動葫蘆 2.立柱 3.脹圈(槽鋼) 4.已完工壁板 5.待圍壁板 6.罐底板圖5 電動葫蘆的布置圖

3.3 立柱和中心柱

立柱在罐壁提升過程中起著支撐作用。立柱均勻布置在罐壁內(nèi)側(cè),盡量靠近壁板以便工作時不碰上面的包邊角鋼為原則。安裝時用線錘測量，立柱安裝要垂直于平面。由于立柱的穩(wěn)定性影響整個罐體提升穩(wěn)定性，必須平穩(wěn)垂直固定，常規(guī)做法是：立柱上焊兩根斜支撐和一根連到中心的徑向水平拉桿，并把所有立柱呈輻射形式與中心柱通過鋼絲繩連接在一起。這種布置方式可使單個立柱有足夠的剛度，又使所有立柱形成封閉系統(tǒng)，充分保證提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，詳見圖6。

1.立柱 2.中心柱 3.鋼絲繩 4.罐壁圖6 立柱和中心柱布置示意圖

本項目施工設(shè)中心柱1根，立柱36根，立柱和中心柱通過鋼絲繩連接成一個封閉系統(tǒng)。在立柱三個方向焊接斜撐以保持其穩(wěn)定性和垂直度。立柱高度應(yīng)保證在頂圈壁板提升后，立柱能在罐內(nèi)豎起來，并有一定的提升余量，可按下式選擇制造：

H=H1+H2+H3

(2)

式中H—立柱高度，m；

H1—提升壁板最大高度，根據(jù)環(huán)帶板寬度確定，一般取1.5～2.0 m；

H2—電動葫蘆安裝高度，m；

H3—提升余量，一般取0.2～0.3 m；

H=H1+H2+H3=

1.8+1.2+0.3=3.3 m

另外，立柱的間距過大，會造成脹圈局部變形，一般不宜大于8 m。

通過驗算，立柱間的弧長S=L/N=3.14×42/36≈3.7 m，滿足上述要求。

此次安裝設(shè)計作為起升裝置的立柱為(Φ219×8 mm)焊接鋼管，桿長4 m，桿的3.8 m處焊接吊耳(20 mm厚鋼板)，在底板上焊制底座，且加強(qiáng)三角斜支撐(Φ114× 4 mm焊接鋼管)，以增強(qiáng)立柱的強(qiáng)度。中心柱為(Φ219×14 mm)焊接鋼管，桿長4 m。

3.4 脹圈

脹圈在倒裝法施工中起著防止罐體變形和傳遞垂直力的作用。此次施工的重油罐脹圈采用分段制作，然后用螺栓連接成一大節(jié)，每節(jié)之間用螺旋千斤頂進(jìn)行脹頂，確保了壁板圓度和焊縫質(zhì)量，各項質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到較高水平，施工質(zhì)量優(yōu)良。特別是圓度誤差在±10 mm之內(nèi)，為罐體上下層壁板對接創(chuàng)造了較好的施工條件。罐體質(zhì)量檢測結(jié)果見表4。

表4 重油罐罐體拼裝技術(shù)要求及檢測結(jié)果

4 倒裝法的施工驗證

采用倒裝法施工具有以下突出特點：

(1)保證合同周期，縮短建造時間。本工程實際投入裝焊工30人，在2輛25t汽車吊配合下，進(jìn)場僅用了190天就完成了4個油罐的裝焊作業(yè)，比計劃工期縮短了1/3。

(2)節(jié)約成本。本工程用2輛25t汽車吊配合施工，完成了4個油罐裝焊作業(yè)，節(jié)約了吊車費用和工裝投入近40萬元人民幣。

(3)工人作業(yè)條件和勞動強(qiáng)度從根本上得到了改善，從而保證了工程施工質(zhì)量。采用機(jī)械提升裝置，隨機(jī)性好，隨時可以提升，受外界環(huán)境、場地、氣候影響較小，可全天候施工，且大部分工作都是在底板上作業(yè)，減少了高空作業(yè)，大大降低了高空作業(yè)的危險性。

5 結(jié)束語

油罐拱頂采用空間三角形網(wǎng)殼，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工方便快捷，且具有藝術(shù)性。油罐倒裝法施工安全可靠，不需要大型機(jī)械，作業(yè)效率高。由于罐體的直徑較大，現(xiàn)場吊裝能力和電力供應(yīng)等限制，如果采用正裝法比較費時，且不易施工，按合同規(guī)定的工期完成建造任務(wù)有一定的難度，結(jié)合國內(nèi)外對大型槽罐的施工經(jīng)驗采用倒裝法進(jìn)行組裝，可節(jié)省大量的人力物力，且能在更短的時間內(nèi)，完成施工任務(wù)。

Research of Construction Method of Large Vertical Dome Roof Tank

LIN Yi

This paper mainly introduces the advantages of the reticulated shells of triangle structure, the main link and characteristics of inversion method in construction of large vertical dome roof tank, compares the advantages and disadvantages of the concrete construction method, and verifies the correctness and effectiveness of the inversion method.

dome roof； reticulated shells of triangle； inversion method； electric hoist; expander ring

2015-01-16

林 屹(1973-)，男，山東牟平人，工程師，大學(xué)本科，主要從事工業(yè)爐、機(jī)修、壓力容器等設(shè)計工作。

TE972

B

1003-8884(2015)04-0011-04