10萬m3儲罐滑車改為防腐作業(yè)移動平臺的力學(xué)分析

黃立新，郭道厚，王寶春

大慶油田建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江大慶163712

云南石化1300萬t/a的煉油項(xiàng)目中，10萬m3原油儲罐采用在罐下集中除銹防腐、罐上刷中間漆和面漆的施工方法，且本項(xiàng)目儲罐的安裝采用內(nèi)腳手架的組裝方法，罐外壁未搭腳手架。因此若在罐外壁刷漆時(shí)再沿罐周搭設(shè)腳手架，則費(fèi)用較高，因而最后決定將罐壁組裝時(shí)使用的滑車改造成移動防腐作業(yè)平臺，用于罐外壁的防腐作業(yè)。為保證使用安全和正確改造，對移動平臺使用時(shí)的受力情況進(jìn)行了分析。

1 移動平臺的結(jié)構(gòu)

移動平臺的上部安裝一對特制的行走輪，能夠在罐壁最上面的包邊角鋼上行走，下部繞過罐壁上的抗風(fēng)圈、加強(qiáng)圈等附件一直延伸到最下面的一圈壁板上，并在下部設(shè)置一對支撐輪使移動平臺保持平衡，移動平臺的結(jié)構(gòu)示意見圖1。

2 平臺受力分析

移動平臺在豎直平面上受到3個(gè)外力的作用，分別為行走輪A點(diǎn)受到包邊角鋼的作用力F（單位N）、平臺自身的重力G（重心設(shè)在D點(diǎn)，單位N）、支撐輪受到罐壁B點(diǎn)的支撐力N（單位N），見圖1。

2.1 外力分析

由靜力平衡[1]得到：

其中支撐力N和重力G的方向分別為水平向右和豎直向下方向，且兩力相互垂直，作用力F分解為分別與G和N方向相反的兩個(gè)分力F1和F2。

圖1 移動平臺結(jié)構(gòu)示意

由此得到如下結(jié)果：

通過外力分析可知，滑車頂部的行走輪受到儲罐包邊角鋼的一個(gè)指向罐內(nèi)的橫向分力F1的作用，此分力的大小等于平臺下部支撐輪受到的支撐力N，此分力同時(shí)產(chǎn)生了兩個(gè)影響移動平臺使用的負(fù)面因素：

（1）使移動平臺行走時(shí)容易發(fā)生脫軌，從而存在從罐壁上掉落的危險(xiǎn)。

（2）移動平臺行走時(shí)，使行走輪的輪緣與壁板的壓力加大，增大了移動平臺的行走阻力。

由力矩平衡得到：

移項(xiàng)后得到：

由式（3）可以看出，減少F1的方法有三種：

（1）減小平臺與罐壁板之間的距離，使平臺的重心盡量靠近罐壁。

（2）減少滑車及滑車內(nèi)載人、載物的重量。

（3）支撐輪盡量靠下，使行走輪與支撐輪之間的距離AB最大。

2.2 內(nèi)力分析

通過內(nèi)力分析，找出移動平臺內(nèi)力最大的截面，以便于移動平臺的選材制作和進(jìn)行材料強(qiáng)度的核算。以圖2中EF為截面，將移動平臺分為頂部平臺和下部架體兩部分，分別分析其彎矩和剪力情況，得出移動平臺的內(nèi)力如圖2所示。通過對移動平臺的內(nèi)力分析，得出頂部平臺的危險(xiǎn)截面在E處，架體的危險(xiǎn)截面在EF處。

圖2 移動平臺彎矩剪刀圖

3 移動平臺的制作及材料強(qiáng)度核算

3.1 移動平臺制作

（1）移動平臺的頂部平臺采用14#槽鋼作為框架，上鋪厚2 mm鋼板，并安裝護(hù)欄，質(zhì)量為144 kg。

（2）下面架體的上半部分長3.2 m，其中4根豎向主筋采用8#槽鋼，橫向連接采用∠50×5角鋼，與兩側(cè)間距400 mm，中間間距800 mm，質(zhì)量180 kg。

（3）下面架體的下半部分長17 m，其中4根豎向主筋采用∠50×5角鋼，橫向連接采用∠50×5角鋼，與兩側(cè)間距400 mm，中間間距800 mm，質(zhì)量397 kg。

（4）上下架體連接部分采用12#槽鋼，移動平臺自身質(zhì)量721 kg（各部分的尺寸見圖1），材質(zhì)均選用Q35B鋼，設(shè)計(jì)載質(zhì)量400 kg。

3.2 材料強(qiáng)度計(jì)算

3.2.1 平臺外力計(jì)算

由式（3）得：

式中：mi為移動平臺各部分的質(zhì)量，kg；xi為移動平臺上各部分的質(zhì)心與A點(diǎn)的距離，m。

其中載荷產(chǎn)生的力矩取在架體上部時(shí)的值，此時(shí)產(chǎn)生的力矩最大。

3.2.2 平臺各部位主要受力面的強(qiáng)度計(jì)算[2-3]

（1）對于頂部平臺，計(jì)算兩根14#槽鋼主梁在最大彎矩處E點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度：

式中：M為每根梁所受彎矩，N·m；f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，本項(xiàng)目為215 N/mm2；γx為截面塑性發(fā)展系數(shù)，無量綱，本項(xiàng)目取1.05；Wax為凈截面抵抗矩，cm3。

（2）對于架體，計(jì)算在彎矩最大處EF截面的強(qiáng)度，計(jì)算其內(nèi)側(cè)兩根8#槽鋼主筋的抗拉強(qiáng)度，計(jì)算外側(cè)兩根8#槽鋼的壓彎穩(wěn)定。

內(nèi)側(cè)2根8#槽鋼主筋抗拉強(qiáng)度：

外側(cè)2根8#槽鋼主筋按壓彎穩(wěn)定計(jì)算，壓桿長度按0.4 m計(jì)算：

式中：a為強(qiáng)度折減系數(shù)，按GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中3.4.2條規(guī)定取0.9；N為每根槽鋼所受的壓力，N；A為每根槽鋼的橫截面積，mm2，取1024；準(zhǔn)為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，無量綱。

計(jì)算：

式中：λ為長細(xì)比，無量綱；L為每一格構(gòu)內(nèi)主筋的長度，mm；i為回轉(zhuǎn)半徑，mm。

查GB 50017-2003附表3，得出準(zhǔn)=0.987。

計(jì)算：

（3）對上下架體連接處，計(jì)算兩根12#槽鋼的抗彎強(qiáng)度：

4 移動平臺使用情況

改造后移動平臺行走順暢，安全可靠，用于外浮頂罐外壁的防腐保溫和附件安裝，免去了腳手架搭拆工作，使用效率高，成本低，已分別用于云南石化1300萬t/a煉油項(xiàng)目原油罐區(qū)10萬m3儲罐的施工（見圖3）和冀東油田5萬m3儲罐的施工。

圖3 改造后移動平臺在現(xiàn)場的使用情況

5 結(jié)束語

通過對移動平臺的力學(xué)分析，保證了移動平臺的正確制作和安全使用，擴(kuò)大了大型儲罐在正裝法施工時(shí)的罐壁組裝機(jī)具滑車的使用范圍，免去了在施工大型儲罐罐外壁時(shí)搭設(shè)腳手架的工作，既降低了成本，又提高了效率，在同行業(yè)中有很好的應(yīng)用前景。