大型儲(chǔ)罐倒裝法施工風(fēng)載荷分析及抗風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)運(yùn)用

楊建強(qiáng)

(新疆石油建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依市 834000)

大型儲(chǔ)罐倒裝法施工風(fēng)載荷分析及抗風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)運(yùn)用

楊建強(qiáng)

(新疆石油建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依市 834000)

大型儲(chǔ)罐倒裝法施工的風(fēng)力分析和抗風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)，是大型儲(chǔ)罐倒裝法施工技術(shù)安全控制的關(guān)鍵。通過(guò)儲(chǔ)罐風(fēng)力受力分析計(jì)算，找出系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，并設(shè)計(jì)運(yùn)用了抗風(fēng)裝置，保證了系統(tǒng)的安全。這些計(jì)算分析和經(jīng)驗(yàn)對(duì)大型儲(chǔ)罐的倒裝法施工有很大的借鑒意義。

儲(chǔ)罐；倒裝；施工；風(fēng)載荷；抗風(fēng)

0 前言

新疆石油建設(shè)有限責(zé)任公司在發(fā)展大型儲(chǔ)罐倒裝法施工技術(shù)時(shí)，首先考慮的是安全問(wèn)題，重點(diǎn)是罐體液壓提升和提升過(guò)程中的風(fēng)載荷受力。新疆是多風(fēng)地區(qū)，施工過(guò)程中經(jīng)常遇到8、9級(jí)大風(fēng)，在提升過(guò)程中，大風(fēng)帶來(lái)了很大的安全隱患。因此查閱了大量資料，通過(guò)在罐體提升過(guò)程的風(fēng)力計(jì)算，并設(shè)計(jì)了儲(chǔ)罐抗風(fēng)裝置，并在50 000 m3和100 000 m3外浮頂儲(chǔ)罐倒裝法施工中成功應(yīng)用。

1 倒裝法液壓提升過(guò)程中橫向風(fēng)力對(duì)罐體的受力分析

采用倒裝法施工，儲(chǔ)罐的抗風(fēng)圈、加強(qiáng)圈在提升前就已經(jīng)安裝到位，罐體本身的抗風(fēng)能力已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，罐體不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)變形。需要對(duì)提升過(guò)程中風(fēng)力作用在罐體發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。在此以50 000 m3外浮頂儲(chǔ)罐為例分析計(jì)算(倒裝法液壓提升安裝最底圈壁板時(shí)的風(fēng)力分析)。

如圖1所示，在罐施工提升過(guò)程中，側(cè)向風(fēng)力對(duì)罐體產(chǎn)生橫向力，可以分解為轉(zhuǎn)矩M和下部橫向力P，下面對(duì)轉(zhuǎn)矩M和下部橫向力P分別進(jìn)行分析計(jì)算。

首先，按照施工工地歷史最大風(fēng)速計(jì)算罐體受力(選用阿拉山口歷史最大風(fēng)速44 m／s)：橫向力P＝60 m(直徑)×19.3 m(罐體總高)×0.86 kPa＝995.88 kN (折合101.92 t)。

[2]《圓柱形金屬油罐設(shè)計(jì)》風(fēng)壓高度變化系數(shù)KZ，如表1所示。

表1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)KZ

圖1 風(fēng)力作用受力示意

由表1加權(quán)平均(罐高19.3 m)：

考慮到儲(chǔ)罐的抗風(fēng)圈等附件受風(fēng)力的作用和罐體上部風(fēng)速大于下部風(fēng)速等因素，可認(rèn)為受力點(diǎn)在罐高10 m處。

轉(zhuǎn)矩M＝101.92 t×10 m＝1019.2 t／m

1.1 轉(zhuǎn)矩M對(duì)罐體的受力分析

轉(zhuǎn)矩M作用在罐體，將使迎風(fēng)側(cè)液壓缸承受升力(提升力減小)，另一側(cè)液壓缸承受壓力(提升力增加)。如圖1中所示，最大受力位置是罐體背風(fēng)側(cè)頂端的液壓缸o(hù)點(diǎn)，受力值oα；為了計(jì)算的簡(jiǎn)化，因罐體是筒體結(jié)構(gòu)，有較大剛度，將罐體按剛體考慮，受力分析如圖1所示，受力大小成線性，最大值oα＇。

只需計(jì)算oα＇值對(duì)系統(tǒng)的安全性，因oα＇＞oα，實(shí)際受力oα也是安全的。

50000m3外浮頂儲(chǔ)罐直徑60m，采用40個(gè)液壓缸提升，液壓缸間距4.67m，液壓缸圍圓直徑59.5m。

計(jì)算液壓缸最大受力oα＇值，根據(jù)

式中 M為風(fēng)力轉(zhuǎn)矩；Fi為液壓缸受力；Xi為Fi到y(tǒng)軸的距離。

取1／4罐壁圓周為例，可認(rèn)為Fi有無(wú)窮個(gè)，從而問(wèn)題轉(zhuǎn)化為積分形式，由數(shù)學(xué)方法解答：Xi＝Rcosθ；Fi與Xi成正比，于是一段弧長(zhǎng)的Fi可以表示為

式中 δ為待定系數(shù)。

則

最大Fi，F(xiàn)max在x軸處，即o點(diǎn)。

式中 L為液壓缸間距。

按前面分析，實(shí)際最大力小于1.712 t，選用的液壓缸單缸提升力25 t，提升安裝最后一圈時(shí)，單個(gè)液壓缸的提升力不到13 t，有足夠的安全余量。轉(zhuǎn)矩M對(duì)儲(chǔ)罐系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。

對(duì)于100 000 m3外浮頂儲(chǔ)罐，由于高徑比小于50 000 m3外浮頂儲(chǔ)罐，所以系統(tǒng)也是安全的。

1.2 橫向力P對(duì)罐體的受力分析

儲(chǔ)罐倒裝法施工有先圍下層壁板再提升罐體和先提升罐體再圍下層壁板兩種施工順序。采用先圍下層壁板，再提升罐體的施工順序，因?yàn)橄聦颖诎搴捅诎迳隙撕附拥南尬话迥軌虺袚?dān)罐體的橫向風(fēng)力，不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。但是采用先圍下層壁板，再提升罐體的施工順序，抗風(fēng)圈、加強(qiáng)圈的安裝高度較高，且不利于罐壁板自動(dòng)焊的使用。采用先提升罐體，再圍下層壁板的施工順序，抗風(fēng)圈、加強(qiáng)圈的安裝高度只有1 m多高，且所有罐壁板焊縫可以采用自動(dòng)焊接，但是罐體提升后，所有的受力只能由液壓缸和液壓缸的斜撐桿來(lái)承擔(dān)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，選用北京昌平液壓機(jī)械廠的雙行程同步液壓缸，在最大承載受力情況下(液壓缸提升高度2.5 m)，液壓缸的側(cè)向承載力只有1.5 t，不能完全承載橫向力，會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。由于安裝精度的影響，并不能保證所有液壓缸都有效承載，系統(tǒng)對(duì)橫向風(fēng)載荷還應(yīng)該有足夠的安全余量。

2 抗風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用

抗風(fēng)裝置包括斜撐桿和豎直桿。斜撐桿下端與罐底板用鉸接連接在一起，斜撐桿上端與豎直桿上端用鉸接連接在一起，豎直桿下端與罐底板用鉸接連接在一起，豎直桿的上部與脹圈的內(nèi)側(cè)安裝在一 起，設(shè)計(jì)圖如圖2、圖3所示。

圖2 抗風(fēng)裝置的組裝設(shè)計(jì)

圖3 抗風(fēng)裝置的部件設(shè)計(jì)

抗風(fēng)裝置采用鉸接結(jié)構(gòu)，部件一采用鉸接的開(kāi)口，充分考慮了承擔(dān)風(fēng)載荷能力和便于安裝拆除等因素。抗風(fēng)裝置依據(jù)罐體直徑、提升高度、工地最高歷史風(fēng)速等因素確定具體的安裝數(shù)量，安裝時(shí)沿罐內(nèi)側(cè)均布。例如100 000 m3外浮頂儲(chǔ)罐，從第四圈提升時(shí)安裝4個(gè)，逐級(jí)增加，到最后一圈提升時(shí)，增加到16個(gè)。

使用要求：立柱(部件二)安裝時(shí)，要求垂直；罐體提升結(jié)束后，或者遇到大風(fēng)提升停止時(shí)，在立柱與脹圈上護(hù)瓦間隙內(nèi)插入方銷子，每處至少2個(gè)，正對(duì)脹圈處的兩側(cè)，保證抗風(fēng)裝置能有效承載。抗風(fēng)裝置的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4、圖5所示。

3 結(jié)論

圖4 抗風(fēng)裝置的現(xiàn)場(chǎng)安全實(shí)物

圖5 抗風(fēng)裝置的現(xiàn)場(chǎng)安全實(shí)物(局部)

大型儲(chǔ)罐倒裝法施工的風(fēng)力分析是該技術(shù)的安全重點(diǎn)。特別是新疆的阿拉山口和鄯善地區(qū)，是我國(guó)最大的兩個(gè)風(fēng)口，2005年，新疆石油建設(shè)有限責(zé)任公司在阿拉山口用倒裝法建造了1座50 000 m3外浮頂儲(chǔ)罐，2008年和2009年，在鄯善用倒裝法建造了10座100 000 m3外浮頂儲(chǔ)罐。

Design of wind torque analysis of wind load and wind resistance device for large storage tank with the upside-down construction technology

YANG Jian-qiang
(Xinjiang Petroleum Engineering Construction Co.，Ltd.，Karamay 834000，China)

The design is the key technology for safety control of large storage upside-down construction technology，including wind torque analysis and wind resistance device.By results of calculating of wind torque stress analysis，find out the weak spots of the system，design and apply the wind resistance device，ensure the safety of the system.The calculating analysis and experience on large storage upside-down construction can be used for reference.

storage tank；upside-down construction；construct；wind load；wind resistant

TG404

B

1001-2303(2011)09-0040-03

2011-03-09

楊建強(qiáng)(1974—)，男，甘肅渭通人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事儲(chǔ)罐焊接質(zhì)量管理工作。