拱頂儲(chǔ)罐內(nèi)壁板防腐自動(dòng)化施工裝備穩(wěn)定性分析與研究

郭奇超

中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北廊坊 065000

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和油氣管網(wǎng)的逐步完善，儲(chǔ)罐工程建設(shè)迎來了新的高潮。儲(chǔ)罐工程的防腐施工質(zhì)量和難度對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)水平提出了更高要求。拱頂儲(chǔ)罐內(nèi)壁板防腐自動(dòng)化施工裝備作為一種新型設(shè)備在施工質(zhì)量和技術(shù)上能夠滿足現(xiàn)場施工要求，但這種裝備的升降機(jī)構(gòu)采用多節(jié)桁架結(jié)構(gòu)，長細(xì)比較大，柔性增加，其穩(wěn)定性成為能否滿足安全生產(chǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，整體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮運(yùn)用模擬仿真分析和抗傾覆力學(xué)計(jì)算，校核整機(jī)穩(wěn)定性。

1 設(shè)備組成

拱頂儲(chǔ)罐內(nèi)壁板防腐自動(dòng)化施工裝備由機(jī)架、回轉(zhuǎn)裝置、工作裝置、動(dòng)力系統(tǒng)組成，如圖1所示。整機(jī)穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)重量輕，所有零部件能夠通過人孔進(jìn)入罐內(nèi)，且方便搬運(yùn)、起吊及安裝。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

機(jī)架由立柱式升降導(dǎo)軌和底座組成。立柱式導(dǎo)軌架用多節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拼裝而成（見圖2），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)（見圖3）由D50 mm圓形無縫鋼管和角鋼等組合而成，呈三角框架結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上安裝有齒條，多節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)用螺栓連接。為了保證立柱式導(dǎo)軌的穩(wěn)定性，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上分別設(shè)置了縱向和橫向可調(diào)斜撐。底部采用球形萬向節(jié)與底座連接，形成穩(wěn)定的機(jī)架結(jié)構(gòu)。

圖2 多節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拼裝而成的桁架結(jié)構(gòu)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)示意

回轉(zhuǎn)裝置由八字形鋼結(jié)構(gòu)組件拼裝而成，頂端采用回轉(zhuǎn)軸承支撐，底端左右兩側(cè)分別安裝減速機(jī)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)，整個(gè)裝置可根據(jù)儲(chǔ)罐直徑由螺旋伸縮機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)長度，使回轉(zhuǎn)支撐與儲(chǔ)罐中心準(zhǔn)確定位。

工作裝置包括除銹打磨系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在升降滑架內(nèi)，通過齒輪與立柱式導(dǎo)軌架上的齒條相嚙合，實(shí)現(xiàn)升降滑架上下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)壁板橫、立焊縫的除銹打磨和噴涂。

動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)組和空壓機(jī)給整臺(tái)設(shè)備提供動(dòng)力。其中，回轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)、工作裝置的升降由電力驅(qū)動(dòng)控制，工作裝置除銹打磨系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 模型建立

儲(chǔ)罐內(nèi)壁板防腐自動(dòng)化施工裝備主要由八字形鋼架、多節(jié)桁架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、可調(diào)撐桿以及滾刷打磨機(jī)等部分組成。利用ANSYS軟件建立該設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖4所示。

2.2 工況模擬仿真

如圖4所示，關(guān)鍵點(diǎn)1為整機(jī)的旋轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工況在分析時(shí)約束了X、Y、Z三個(gè)方向的位移自由度，以及繞X、Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度；而關(guān)鍵點(diǎn)2、3、11、12為鋼架上行走輪所處位置。在啟動(dòng)及停止工況時(shí)，設(shè)備整體處于靜止的臨界狀態(tài)，因此，這幾個(gè)位置約束Y、Z兩個(gè)方向的位移自由度。在正常工作狀態(tài)下，設(shè)備保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并且立架對(duì)于鋼架的相對(duì)位移才是最需要關(guān)注的，因此這幾個(gè)位置也約束Y、Z兩個(gè)方向的位移自由度[1-2]。

圖4 整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2.1 設(shè)備啟動(dòng)和停止

設(shè)備啟動(dòng)階段，驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)設(shè)備從靜止加速到工作速度2 m/min，加速時(shí)間為1 s，整機(jī)所受載荷包括自身重力以及啟動(dòng)時(shí)加速度產(chǎn)生的慣性力。

設(shè)備啟動(dòng)過程加速度a=Δv/Δt=2/60=1/30（m/s2）。

直接從ANSYS內(nèi)部讀取所建模型各部分的質(zhì)量，底面八字形鋼架質(zhì)量為1 357.73 kg，桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量為425.52 kg，長可調(diào)撐桿質(zhì)量為264.65 kg，短可調(diào)撐桿質(zhì)量為92.41 kg。滾刷打磨一體機(jī)及升降滑架總質(zhì)量為500 kg，將其自重和慣性力以載荷的形式施加在桁架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置。根據(jù)公式F=m·a得出各部分結(jié)構(gòu)的慣性力。

立架慣性力F1=m1·a=425.52×1/30=14.18（N）；其中，m1為立架質(zhì)量，kg。

滾刷打磨一體機(jī)慣性力F2=m2·a=500×1/30=16.67（N）；其中，m2為滾刷打磨一體機(jī)質(zhì)量，kg。

底部八字形鋼架慣性力F3=m3·a=1357.73×1/30=45.24（N）；其中，m3為底部鋼架質(zhì)量，kg。

長可調(diào)撐桿慣性力F4a=m4a·a=264.65×1/30=8.82（N）；其中，m4a為長可調(diào)撐桿質(zhì)量，kg。

短可調(diào)撐桿慣性力F4b=m4b·a=92.41×1/30=3.08（N）；其中，m4b為短可調(diào)撐桿質(zhì)量，kg。

考慮最危險(xiǎn)情況，按照滾刷打磨一體機(jī)及其相關(guān)設(shè)備位于立架頂部（距地面約15.8 m）的情況施加載荷。ANSYS計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5為設(shè)備整體變形云圖，最大變形為2.46 mm，出現(xiàn)在立架最上端。圖6為立架的總體變形云圖，最大變形為2.46 mm。其中Z向變形0.51 mm，X向變形2.37 mm。設(shè)備整體最大應(yīng)力為10.69 MPa，出現(xiàn)在立架底部[2]。

圖5 設(shè)備總體變形云圖（工況一、二）

圖6 立架總體變形云圖（工況一、二）

通過計(jì)算結(jié)果可知設(shè)備啟動(dòng)工況下最大應(yīng)力為10.69 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力（420 MPa），因此整機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足使用要求。設(shè)備啟動(dòng)工況下最大變形出現(xiàn)在立架最上端，最大變形量為2.46 mm，而整個(gè)立架的總高度約為16.6 m，變形率僅為0.15‰，因此滿足使用要求。由于整機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的速度僅為0.033 m/s，因此整機(jī)結(jié)構(gòu)啟動(dòng)工況下的慣性力較小，計(jì)算得到的整機(jī)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大變形很小，完全滿足使用要求。設(shè)備在停止時(shí)的受力情況與啟動(dòng)時(shí)類似，慣性力大小相同、方向相反，設(shè)備停止工況下整機(jī)結(jié)構(gòu)也滿足強(qiáng)度及剛度要求。

2.2.2 滑架在立架底部，打磨機(jī)啟動(dòng)和停止

該工作狀態(tài)下，設(shè)備整體繞旋轉(zhuǎn)定位支撐點(diǎn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度ω=0.048 rad/s。

此工況下打磨位置距地面約0.71 m。由于打磨機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)與儲(chǔ)罐壁面是不接觸的，所以立架只受到打磨機(jī)和滑架本身的重力，不受壓力和摩擦力，因此，將打磨機(jī)啟動(dòng)和停止的工況合并在一起計(jì)算，ANSYS計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7為設(shè)備整體變形云圖，最大變形為9.29 mm，出現(xiàn)在長可調(diào)支撐桿中部。圖8為立架的總體變形云圖，最大變形為2.06 mm，出現(xiàn)在立架中部靠上位置。其中Z向最大變形0.02 mm，X向最大變形2.00 mm。設(shè)備整體最大應(yīng)力為14.30 MPa，出現(xiàn)在立架底部。整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求。

圖7 設(shè)備整體變形云圖（工況三、四）

圖8 立架總體變形云圖（工況三、四）

2.2.3 滑架在立架底部，打磨機(jī)工作

此工況下除了打磨機(jī)及滑架自重外，打磨機(jī)所受壓力為49 N，由壓力所產(chǎn)生的摩擦力f=u·F=0.3×49=15（N）。ANSYS計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。圖9為設(shè)備整體變形云圖，最大變形9.29 mm，出現(xiàn)在長可調(diào)支撐桿中部。圖10為立架的總體變形云圖，最大變形為2.06 mm，出現(xiàn)在立架中部靠上位置。其中Z向最大變形0.23 mm，X向最大變形1.99 mm。設(shè)備整體最大應(yīng)力為14.45 MPa，出現(xiàn)在立架底部。整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求。

圖9 設(shè)備整體變形云圖（工況五）

圖10 立架總體變形云圖（工況五）

2.2.4 滑架在立架中部，打磨機(jī)啟動(dòng)及停止

此工況下打磨機(jī)位置距地面約8.76 m，其余條件均與工況三、四相同。ANSYS計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12所示。圖11為設(shè)備整體變形云圖，最大變形為9.39 mm，出現(xiàn)在長可調(diào)撐桿中部。圖12為立架總體變形云圖，最大變形2.28 mm，出現(xiàn)在立架中部靠上位置。其中Z向最大變形0.05 mm，X向最大變形2.2 mm。設(shè)備整體最大應(yīng)力為14.45 MPa，出現(xiàn)在立架底部。整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求。

圖11 設(shè)備整體變形云圖（工況六、七）

圖12 立架總體變形云圖（工況六、七）

2.2.5 滑架在立架中部，打磨機(jī)工作

此工況下打磨位置距地面約8.76 m，其余條件均與工況五相同。ANSYS計(jì)算結(jié)果如圖13、圖14所示。圖13為設(shè)備整體變形云圖，最大變形9.36mm，出現(xiàn)在長可調(diào)撐桿中部。圖14為立架總體變形云圖，最大變形為2.13 mm，出現(xiàn)在立架最上端。其中Z向最大變形0.11 mm，X向最大變形2.06 mm。設(shè)備整體最大應(yīng)力為35.85 MPa，出現(xiàn)在立架中部打磨機(jī)所在位置。整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求。

圖13 設(shè)備整體變形云圖（工況八）

圖14 立架總體變形云圖（工況八）

2.2.6 滑架在立架頂部，打磨機(jī)啟動(dòng)和停止

此工況下打磨機(jī)位置距地面約15.8 m，其余條件均與工況三、四相同。ANSYS計(jì)算結(jié)果如圖15、圖16所示。圖15為設(shè)備整體變形云圖，最大變形為9.43 mm，出現(xiàn)在長可調(diào)撐桿中部。圖16為立架總體變形云圖，最大變形為2.46 mm，出現(xiàn)在立架最上端。其中Z向最大變形0.04 mm，X向最大變形2.37 mm。整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求。

圖15 設(shè)備整體變形云圖（工況九、十）

圖16 立架總體變形云圖（工況九、十）

2.2.7 滑架在立架頂部，打磨機(jī)工作

此工況下打磨機(jī)位置距地面約15.8 m，其余條件均與工況五相同。ANSYS計(jì)算結(jié)果如圖17、圖18所示。圖17為設(shè)備整體變形云圖，最大變形為9.42 mm，出現(xiàn)在長可調(diào)撐桿中部。圖18為立架總體變形云圖，最大變形為2.45 mm，出現(xiàn)在立架最上端。其中Z向變形為0.49 mm，X向變形為2.31 mm。設(shè)備總體最大應(yīng)力為11.77 MPa，出現(xiàn)在立架底部。整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求[3-4]。

圖17 設(shè)備總變形云圖（工況十一）

圖18 立架總體變形云圖（工況十一）

2.2.8 工況總結(jié)

11種工況下整機(jī)結(jié)構(gòu)及立架最大變形情況匯總?cè)绫?所示。

表1 不同工況下整機(jī)結(jié)構(gòu)及立架最大變形

由表1可看出，設(shè)備工作中相對(duì)剛啟動(dòng)以及停止工況時(shí)，長可調(diào)撐桿的變形要大一些，而且主要是X方向位移變大，這是由于工作過程中設(shè)備有角速度，導(dǎo)致支撐桿有一個(gè)沿X軸正方向的離心力，從而使得撐桿變形增加，但這個(gè)離心作用對(duì)立架的作用仍然很小。

3 抗傾覆分析

對(duì)于工作或非工作時(shí)有可能發(fā)生整體傾覆的起重工作機(jī)構(gòu)，應(yīng)通過計(jì)算來校核其整體抗傾覆穩(wěn)定性所需滿足的條件。儲(chǔ)罐內(nèi)壁板防腐自動(dòng)化施工裝備由于其整機(jī)高度達(dá)17.4 m，滾刷打磨一體機(jī)質(zhì)量達(dá)500 kg，因此需要對(duì)其整體抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析。參考《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 3811—2008）8.1.3節(jié)中塔式起重機(jī)整體抗傾覆穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核計(jì)算[5-6]。

在結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算中，當(dāng)穩(wěn)定力矩的代數(shù)和大于傾覆力矩的代數(shù)和時(shí)，則認(rèn)為該施工裝備結(jié)構(gòu)整機(jī)是穩(wěn)定的。由自重載荷產(chǎn)生穩(wěn)定力矩，由除自重載荷外的其他載荷產(chǎn)生傾覆力矩，它們都是對(duì)所規(guī)定的特定傾覆線計(jì)算的結(jié)果。儲(chǔ)罐內(nèi)壁板防腐自動(dòng)化施工裝備在啟動(dòng)和停止工況下，由于整機(jī)結(jié)構(gòu)在加速度的作用下產(chǎn)生的慣性力為傾覆力矩，因此在這兩種工況下需要驗(yàn)證其抗傾覆穩(wěn)定性。前面已經(jīng)分析過啟動(dòng)、停止兩種工況承受的慣性力載荷大小相等、方向相反，因此只需要對(duì)啟動(dòng)工況下整機(jī)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析即可，為了考慮最危險(xiǎn)工況，整機(jī)啟動(dòng)時(shí)滾刷打磨一體機(jī)位于立架的最上端。

立架穩(wěn)定力矩M1=m1·g·L1=425.52×9.8×2.24=9 341（N·m）；其中L1為立架力臂，m。

滾刷打磨一體機(jī)穩(wěn)定力矩M2=m2·g·L2=500×9.8×2.4=11 760（N·m）；其中L2為滾刷打磨一體機(jī)力臂，m。

底部鋼架穩(wěn)定力矩M3=m3·g·L3=1 357.73×9.8×1.57=20 890（N·m）；其中L3為底部鋼架力臂，m。

斜撐桿穩(wěn)定力矩 M4=m4a·g·L4a+m4b·g·L4b=264.65×9.8×（1.14+2.59）+92.41×9.8×（1.14+3.19）=9 674+3 921=13 595（N·m）；其中，L4a為長可調(diào)撐桿力臂，m；L4b為短可調(diào)撐桿力臂，m。

穩(wěn)定力矩M0=M1+M2+M3+M4=55 586（N·m）。

傾覆力矩M為整機(jī)結(jié)構(gòu)慣性力產(chǎn)生的力矩，M=m1·a·h1+m2·a·h2+m3·a·h3+2 m4a·a·h4=425.52×0.033×8.722+500×0.033×16.9+1 357.73×0.033×0.11+2×264.65×0.033×6.9=122.5+278.9+4.9+120.5=526.8（N·m）；其中，h1為立架慣性力臂，m；h2為滾刷打磨一體機(jī)慣性力臂，m；h3為底部鋼架慣性力臂，m；h4為斜撐桿慣性力臂，m。

通過計(jì)算可知：傾覆力矩僅為穩(wěn)定力矩的1%（M＜＜M0），這主要是由于整機(jī)結(jié)構(gòu)啟動(dòng)或停止工況下的加速度很小，因而整體慣性力產(chǎn)生的傾覆力矩遠(yuǎn)小于整體重力所產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩。因此，整機(jī)裝備在正常工作狀態(tài)時(shí)完全能夠通過抗傾覆穩(wěn)定性校核。

4 結(jié)論

通過運(yùn)動(dòng)模擬仿真和力學(xué)計(jì)算校核，儲(chǔ)罐內(nèi)壁板防腐自動(dòng)化施工裝備在多種工況下，其應(yīng)力和形變均在安全范圍內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗傾覆能力，能夠滿足現(xiàn)場施工對(duì)穩(wěn)定性和安全性的要求。