液體化工碼頭中軟管架設(shè)計

喬劍華，朱培旺

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222；2.中油國際管道有限公司，北京 100010）

1 裝卸軟管作業(yè)的優(yōu)缺點

裝卸軟管是液體化工品碼頭常用的連接于船岸間管道的裝卸設(shè)備，分為金屬軟管和復(fù)合軟管，常用口徑為DN100～DN200，通常每根裝卸軟管由3～4節(jié)8～10 m的軟管通過法蘭連接而成[1]。

使用裝卸軟管進(jìn)行裝卸優(yōu)點如下：可以專管專用以確保貨物品質(zhì)[1-2]；安裝間距較小，可減小碼頭工作平臺尺度，以節(jié)省工程投資；軟管的價格較便宜，前期投資少等。

但因裝卸軟管易被破壞的原因，在安裝、使用時需要注意的事項較多，給使用造成了諸多不便，如：每次裝卸前后均需多人搬運軟管、拆卸法蘭，軟管需時時處于自然伸直或自然彎曲狀態(tài)，懸掛時應(yīng)使用專用吊具，應(yīng)避開碼頭護(hù)輪坎、船舶護(hù)欄等鋒利邊緣，裝卸時避免船舶晃動擠壓拉斷軟管等[1]。所以，使用裝卸軟管作業(yè)有如下缺點：軟管使用壽命較短且需定期檢查、檢測；操作人員勞動強(qiáng)度大；受裝卸軟管搬運的限制，常用的軟管口徑為DN200以下，裝卸效率較低。

2 軟管架設(shè)計方法

軟管架作為一種輔助軟管裝卸的新型港口設(shè)施，實現(xiàn)了利用機(jī)械吊運軟管，確保軟管在正常工況下工作，避免因軟管損壞而造成貨物泄漏、污染環(huán)境、甚至著火、爆炸等事故的發(fā)生。

2.1 軟管架組成及工作原理

軟管架是由軟管升降機(jī)系統(tǒng)、鋼制框架式結(jié)構(gòu)組成[3]。軟管升降機(jī)系統(tǒng)包括防爆電動機(jī)、減速器、鋼絲繩及卷筒、軟管掛架、電控系統(tǒng)等；將防爆電動機(jī)、減速器、鋼絲繩及卷筒安裝在鋼制框架式結(jié)構(gòu)的頂層，利用鋼絲繩將軟管掛架吊裝在鋼制框架式結(jié)構(gòu)內(nèi)，裝卸軟管安裝在軟管掛架內(nèi)，鋼制框架式結(jié)構(gòu)為升降機(jī)系統(tǒng)的安裝和裝卸軟管的吊裝提供空間；電控系統(tǒng)安裝在碼頭面上或鋼制框架式結(jié)構(gòu)底層。

裝卸軟管一端接工藝管道（固定端），穿過軟管掛架后，另一端連接船舶（自由端）；鋼絲繩一端連接軟管掛架，另一端纏繞在鋼絲繩卷筒上，用鋼絲繩將軟管掛架吊裝在鋼制框架式結(jié)構(gòu)內(nèi)，利用防爆電動機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的扭矩，驅(qū)動鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動，收、放鋼絲繩，可調(diào)整軟管掛架高度；當(dāng)軟管掛架高度的變化時，可將裝卸軟管接船端進(jìn)行提升或降低，實現(xiàn)接船端軟管的高度及長度適宜。

2.2 軟管架設(shè)計要點

軟管架的設(shè)計需要根據(jù)其工程條件、使用條件，合理確定其主要尺度及荷載，以確保裝卸作業(yè)安全可靠。

應(yīng)根據(jù)工程條件，首先確定軟管口徑及其平面布置、軟管架生根位置、軟管升降機(jī)安裝位置、軟管長度；然后根據(jù)軟管自由端包絡(luò)范圍、軟管升降機(jī)安裝及維修保養(yǎng)要求、與工藝管廊合理結(jié)合布置情況、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求等，確定軟管架的分層、各層高度、各層尺度；最后根據(jù)工藝布置，計算各層設(shè)備荷載，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 工程實例

在天津港大港港區(qū)（南港）泰奧石化倉儲物流項目碼頭一期工程中的4號泊位上建設(shè)軟管架1座[4]，以此為例說明軟管架的設(shè)計。

3.1 工程概況

項目建設(shè)規(guī)模為10 000 DWT泊位，設(shè)計船型為1 000～10 000 DWT油船和化工品船，裝卸貨種包括4種油品和12種化工品。油品分別為汽油、柴油、航煤、石腦油，運量為30萬t/a；化工品分別為苯、對二甲苯、苯酚、混二甲苯、甲苯、丙酮、乙酸乙酯、環(huán)已酮、苯乙烯、甲乙酮、辛醇、環(huán)氧丙烷，運量為40萬t/a，總運量為70萬t。碼頭岸線長度176 m。業(yè)主要求專管專用、專設(shè)備專用，每條工藝管道均設(shè)管道通球設(shè)施，貨種“苯”的工藝管道需要建3條，另外預(yù)留6條管道安裝位置。

3.2 工藝設(shè)計方案

根據(jù)各貨種到港船型的情況，確定汽油、柴油、航煤、石腦油的輸送管道口徑為DN350，其它化工品管道口徑均為DN200，根據(jù)環(huán)保要求另設(shè)3條DN200的VOCs氣體回收管道，共計新建工藝管道21條，并預(yù)留管道6條；裝卸設(shè)備全部選用裝卸軟管，初步確定軟管口徑為DN200；工藝管道上均設(shè)清管閥用于清管作業(yè)。

因本工程裝卸軟管的數(shù)量較多，且清管設(shè)施間要留有足夠的操作空間，即工藝管道平均間距不得小于1.5 m，如果工藝布置采用常規(guī)的平面布置，整個工藝操作區(qū)長度最少為42 m，因碼頭前沿放置軟管數(shù)量較多，碼頭工作平臺寬度為26 m。

如果采用軟管架，工藝管道采用在碼頭面和軟管架上各布置1層的雙層布置方案，工藝操作區(qū)長度24 m，碼頭工作平臺寬度22 m，可節(jié)省水工投資520萬元，但需增加軟管架建設(shè)投資約550萬元。經(jīng)綜合比較，最終采用軟管架建設(shè)方案。

3.3 軟管架設(shè)計

1）根據(jù)水工結(jié)構(gòu)為高樁梁板式碼頭的情況，軟管架的縱向跨度需與其一致，以便生根，確定軟管架縱向跨度為7.5 m一跨，根據(jù)工藝平面布置情況，確定共4跨。

2）進(jìn)行軟管掛架設(shè)計。軟管掛架由2塊三角形鋼板加5個定滑輪組成，在三角形鋼板上合理布置定滑輪位置并安裝固定，使裝卸軟管在掛架內(nèi)的彎曲狀態(tài)滿足其合理彎曲要求，并結(jié)合工藝管道接口向上安裝，使裝卸軟管的彎曲狀態(tài)較好，解決了裝卸軟管過度彎曲、遇鋒利邊緣破壞及被擠壓損壞等問題。

3）確定裝卸軟管口徑油品為DN250，化工品為DN200，軟管選用中間無接頭的整條軟管，總長度為28 m。確定軟管架總長為30 m，寬為7 m，第1層層高為3 m，總高度為18.5 m。為了節(jié)省空間和方便操作，將清管閥相向布置，使2個閥共用一個操作空間，并結(jié)合軟管架跨度，確定工藝管道間距分別為2.25 m（有操作空間）和0.75 m，具體管道布置情況詳見圖1。

圖1 一層工藝管道平面布置圖Fig.1 The layout plan of first layer processing pipeline

4）將防爆電動機(jī)、減速器、鋼絲繩及卷筒安裝在鋼制框架式結(jié)構(gòu)的頂層，裝卸軟管安裝在軟管掛架內(nèi)后，再將軟管掛架吊裝在鋼制框架式結(jié)構(gòu)內(nèi)，電控系統(tǒng)安裝在碼頭面上，詳見圖2。

圖2 軟管架立面圖Fig.2 The vertical view of loading hose tower

電控系統(tǒng)發(fā)出控制信號，帶有制動裝置的防爆電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動鋼絲繩卷筒，卷繞或釋放鋼絲繩，帶動軟管掛架提升或降下軟管，使其能穩(wěn)定、可靠的定位在預(yù)期位置，實現(xiàn)機(jī)械式移動、吊運軟管，輔助裝卸作業(yè)。圖3為現(xiàn)場實景。

3.4 軟管架與常規(guī)方案對比

1）減小碼頭工作平臺尺度，節(jié)省水工投資

因本工程工藝管道和裝卸軟管的數(shù)量較多，如采用常規(guī)的布置方案，需要的工作平臺尺寸為82 m×26 m，采用了軟管架方案后，工作平臺尺寸為64 m×22 m，水工投資節(jié)省了520萬元。

圖3 軟管架現(xiàn)場實景Fig.3 The site photo of loading hose tower

2）提高油品裝卸效率，節(jié)省油品作業(yè)時間

采用軟管架方案后，實現(xiàn)了利用機(jī)械吊運軟管，突破了因受搬運軟管困難而常選用DN200以下口徑的限制，本工程油品的裝卸軟管選用了DN250口徑，從而油品的裝卸效率從500 m3/h提高到850 m3/h。油品船舶到港船舶平均卸貨量為6 000 t/艘，要完成30萬t/a的運量時，年需裝卸船舶數(shù)量為50艘；完成1艘油船裝卸可節(jié)省作業(yè)時間約4 h，完成年運量時可節(jié)省作業(yè)時間共計200 h，如果利用此時間進(jìn)行油品裝卸，年可多裝卸油船11艘，可增加泊位通過能力約為7萬t/a，增加裝卸利潤約為120萬元/a。

3）減少操作人員，節(jié)省人員開銷

因為本工程選用的軟管是中間無接頭的整條軟管，且非裝卸時間吊裝在軟管架內(nèi)，從而無需操作人員進(jìn)行搬運、連接軟管中間接頭等工作。當(dāng)進(jìn)行船與岸連接時，只需2人用0.5 h即可完成，與常規(guī)的軟管作業(yè)需要5人用1 h完成連接相比，節(jié)省了大量人力和時間。本工程按四班三運轉(zhuǎn)計，可減少操作人員12人，人員工資按4 000元/人/月計算，可節(jié)省開銷約57萬元/a。

4）增加軟管架及其設(shè)備等投資，增加日常維修保養(yǎng)費用

采用軟管架方案后，因需建造鋼制框架式結(jié)構(gòu)及采購軟管升降機(jī)系統(tǒng)等，需要增加工程投資約550萬元。經(jīng)測算，這些設(shè)備的日常維修保養(yǎng)費用約為28萬元/a。

5）安全性對比

因為軟管受到過度彎曲、擠壓、過度拉扯、拖拽時容易破壞，給生產(chǎn)帶來較大的安全隱患。軟管架的使用，能確保軟管處于合理的彎曲狀態(tài)，且當(dāng)軟管移動時其受力為滑動摩擦力，避免了人工搬運軟管可能引起軟管受磨損、彎曲半徑過小而損壞的情況，可延長軟管的使用壽命，提升了碼頭作業(yè)的安全性；軟管架的使用，可使用中間無接頭的整條軟管，消除了常規(guī)軟管的中間法蘭泄漏的可能性，有利于作業(yè)安全。

綜上，從投資和運營成本方面分析，軟管架的建設(shè)可以帶來一些利潤；從其對作業(yè)安全方面分析，軟管架比較先進(jìn)，較大地提高了軟管作業(yè)的安全性。

3.5 現(xiàn)場使用情況

經(jīng)過將近1.5 a的試運營，共裝卸46條船，實際裝卸效率與設(shè)計的裝卸效率相當(dāng)，使用狀況良好，得到了業(yè)主的好評。

3.6 軟管架的優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）利用機(jī)械來移動、吊運軟管，再配合船吊，使船岸連接更加方便、快捷、省力，可減少作業(yè)人員；2）使裝卸軟管為一節(jié)長軟管（中間無連接）成為現(xiàn)實，改變常規(guī)的裝卸軟管由3～4節(jié)8～10 m的軟管通過法蘭連接而成的現(xiàn)狀，節(jié)省了人工連接法蘭的安裝時間，縮短輔助作業(yè)時間，并減小了泄漏的可能，有利于作業(yè)安全及環(huán)境保護(hù)；3）可用口徑為DN250的裝卸軟管進(jìn)行裝卸，以提高其輸送效率，增加泊位通過能力；4）能確保軟管處于合理的彎曲狀態(tài)，當(dāng)軟管移動時其受力為滑動摩擦力，避免了人工搬運軟管可能引起軟管受磨損、彎曲半徑過小而損壞的情況，延長軟管的使用壽命，提升了碼頭作業(yè)的安全性；5）將未作業(yè)的裝卸軟管整齊的吊垂在軟管架內(nèi)，使液體化工碼頭更加美觀、整潔。

缺點：由于需要采購軟管升降機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備、建造軟管架的鋼結(jié)構(gòu)，加大了工程投資；另外，軟管架是鋼制框架式結(jié)構(gòu)，需對其進(jìn)行防腐保護(hù)，軟管升降機(jī)系統(tǒng)也需定期進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)，增加了日常設(shè)備維修保養(yǎng)的工作量。

4 結(jié)語

軟管架是一種新型港口裝卸輔助設(shè)備，且操作方便，提升了液體化工碼頭裝卸工藝的機(jī)械自動化程度，改善了軟管的安裝、使用環(huán)境，減少了軟管泄漏點，可減少碼頭作業(yè)人員，一定程度上提升了液體化工碼頭的安全性。在液體化工碼頭中推廣使用，對提升碼頭機(jī)械自動化程度及碼頭安全性具有重要意義。本文介紹了軟管架的設(shè)計情況，可為同類工程設(shè)計提供參考。