中小型立式圓筒形儲罐倒裝法抱桿提升系統優化設計的研究

陳邦

【摘 要】目前倒裝法施工工藝廣泛應用于立式圓筒形儲罐施工。論文以某污水處理項目金屬儲罐現場制作為案例，對儲罐抱桿提升系統進行優化設計，包括抱桿提升系統的型式選擇、倒鏈的選用、吊耳的結構等。通過建立力學模型，分析驗證了優化后抱桿提升系統的強度、穩定性。該新設計的系統在確保安全的前提下，能有效提高施工效率，保證施工質量，降低施工成本。

【Abstract】 The upside-down method has been widely applied in the construction of vertical cylindrical storage tank. The article takes on-site construction of a vertical storage tank in a wastewater treatment project as an example. The design of holding pole lifting system of the storage tank was optimized， including the type selection of holding pole， chain block ， the structure of lifting lugs etc.， By setting up a mechanic model， the strength and the stability of the lifting system was analyzed and validated. Under the premise of ensuring safety， the new system can improve the working efficiency， ensure the project quality and lower construction？costs.

【關鍵詞】抱桿；倒裝法；圓筒形儲罐

【Keywords】holding pole； upside-down method； cylindrical tank

【中圖分類號】TE99 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0144-03

1 概論

立式圓筒形儲罐大量應用于石油化工、糧油、環保等行業，主要用于存儲常壓或微小內壓的物料、氣體、液體。對于小于10000m3的中小型儲罐，采用倒裝法具有無須搭設腳手架、無高空作業、人員較少、不受氣候制約、起重方便靈活、設備低廉可重復使用等優點，是目前較為常用的安裝方法。論文以某環保污水處理項目儲罐制作為例，對中小型立式圓筒形儲罐倒裝法施工工藝進行優化設計，并對設計進行分析驗證。

2 倒裝法電動葫蘆提升施工工藝

2.1 一般倒裝法施工順序

基礎驗收—鋪裝罐底板—最上層壁板—罐頂板—安裝內抱桿—依次完成后續壁板的安裝—補焊頂板裝配工藝孔—交工驗收。

2.2 施工工藝優化順序

多數倒裝法僅使用一套內抱桿提升，所以帶頂儲罐需要在頂板上開孔以方便安裝抱桿立柱。為控制質量減少焊縫，加快安裝進度，本項目設計了內、外兩套抱桿系統。以外抱桿提升第一壁板和頂板，隨后使用內抱桿系統完成后續的起重。

①儲罐底板組裝焊接完成后，進行質量檢查，確保底部平整。②依次完成第一圈壁板、罐頂板、相關附件的裝配焊接。頂板無須開天窗。③在罐外安裝外抱桿提升系統，用于提升第一圈壁板和頂板結構。利用外抱桿提升2m，以保證有足夠的空間安裝內抱桿立柱。④將內抱桿系統在罐內安裝完成，進行系統調試以確保各立柱上的電動葫蘆受力均勻，隨后將受力轉移到內抱桿系統上。⑤拆除外抱桿進行第二圈壁板組裝焊接，通過電動葫蘆的提升帶動儲罐整體上升，完成下一圈壁板的組裝焊接，不斷重復直至全部完成。[1]

3 抱桿提升系統的優化設計與計算

3.1 項目設計參數

以直徑20m、高20m、容積6300m3的拱頂罐為例，儲罐總重約200t，所需起重質量174t。

3.2 外抱桿設計（見圖1）

3.2.1 外抱桿系統荷載與倒鏈計算

據設計可知：①G1頂板39.6t；②G2抗風圈2.4t、中心支撐等1.6t；③G3第一圈壁板10t。

外抱桿最大起重質量G0=G1+G2+G3=56000kg

考慮風荷載、不均衡、摩擦等因素影響，設外抱桿安全系數K=1.28，G=K·G0=1.28×56000≈72000kg

抱桿數量及倒鏈能力選擇。本項目一般使用10T倒鏈，若僅滿足倒鏈安全性，可知至少要8組抱桿。而以8組抱桿為例計算立柱強度穩定性，發現無法滿足要求。通過試算（詳見3.2.2），至少需要12組才能滿足要求，每組抱桿受力：

P===60000N

3.2.2 建立外抱桿受力模型進行強度與穩定性分析

為保證起吊過程的側向穩定性，外抱桿采用人字形結構，立柱選用兩根Φ159×6鋼管，立柱間夾角24°，垂直高度為5.9m。頂端連接板及吊耳采用厚度t=20mm鋼板制作，如圖2所示。

①Φ159×6鋼管截面積：A==2884mm2。

②慣性矩：I==8454042mm4。

③抗彎截面模數：W==106340mm3。

④Q235B彈性模量：E=200GPa。

⑤倒鏈掛點與立柱中軸線偏移量e=250mm。

⑥確保正常提升下倒鏈盡量緊貼罐體，抬升到最大起吊高度時鋼絲繩與豎直線間夾角約為2.2°。

⑦單組抱桿受力：FV=P=60000N

Fh=FV×tanα=60000×tan（2.2°）=2300N

N1=N2===30670.1N

T1=T2=tan（）=tan（12°）=141140N

T1、T2大小相等方向相反，其作用相互抵消，計算中可忽略。

⑧單根圓鋼管彎矩：M=MV+Mh=× e+×L

=*0.25+*5.9=14285N·m

⑨單根鋼管強度校核：σ=M/W+N/A=14285*1000/106340+30670.1/2884=144.96MPa

Q235的許用應力[σ]=235/1.5=157 MPa，可得σ<[σ]。所以Φ159×6鋼管滿足強度要求。

⑩立柱的穩定性校核：σ=N1/A+Ma/W

細長比λ=uL/i，i=，其中，L為鋼管長度，兩端鉸支取系數u=1。

i==54mm，λ=uL/i=109.2

σ=30670.1/2884+10892.5×1000/106340≈113.065MPa

σcr=π2E/λ2=π2×200000/109.22=165.4MPa

可得σ<σcr，所以立柱具有足夠的穩定性。

3.3 內抱桿設計

立柱均布于罐體內側圓周，上部掛10T倒鏈，倒鏈掛鉤拉在罐壁下部脹圈上，其結構形式如圖3所示。

3.3.1 內抱桿系統荷載與倒鏈計算

據設計可知：①G1頂板39.6t；②G2抗風圈2.4t、中心支撐等1.6t；③G3共計10圈壁板117.6t；④G4各種附件9.3t。

實際最大起重質量G0=G1+G2+G3+G4=174.1t；

考慮風荷載、不均衡、摩擦等因素影響設外抱桿起重安全系數K=1.25，G=K·G0=1.25×174.1≈220000kg；

抱桿數量及倒鏈選擇：P===100000N。

通過計算，22個10T電動葫蘆剛好滿足受力要求，設22根立柱。

3.3.2 建立內抱桿受力模型進行強度與穩定性分析

考慮罐體直徑和項目常用輔材，使用Φ219×6鋼管作為立柱，高3.8m，吊耳厚20mm、高200mm，頂部用I14槽鋼與抱桿連接。

①Φ219×6鋼管截面積：Az==4015mm2；

②慣性矩：Iz==22787381mm4；

③抗彎截面模數：Wz==208104mm3；

④工字鋼與吊耳板組合截面積：Al=4646mm2；

⑤慣性矩：Il=43349356mm4；

⑥抗彎截面模數：Wl=203400mm3；

⑦吊耳中心偏移量e=190mm

⑧鋼絲繩與豎直線最大夾角約為1.3°；

⑨單組抱桿受力模型如圖4所示：

Fv=P=100000N Fh=Fv×tanα=100000×tan（1.3°）=2270N；

⑩單根彎管所受彎矩：

N吊耳=Fv*L=100000×190×10-3=19000N·m

MA=Fh*L/2=2270×3800/2×10-3=4313N·m；

11單根鋼管的強度校核：

σZ==×103=20.73MPa

許用應力[σ]=235/1.5=157MPa，可得σZ<[σ]，所以Φ219×6鋼管滿足強度要求。

12立柱的穩定性校核：a截面的慣性半徑i===75.34mm；b細長比（式中：一端固定桿取μ=2）λ===100.86；c立柱中間部位應力為σZAm==×103=10.36MPa。

因λ2（λ2=61）≤λ≤λ1（λ1=105），故應按中等柔度桿進行穩定性校核，選用經驗公式σcr=a-bλ（查得Q235B碳鋼a=30400N/cm2，b=112N/cm2），σcr=a-bλ=247.mMPa。

可得σcr>[σ]，說明立柱先發生強度破壞，所以吊裝柱有足夠的穩定性。

3.4 脹圈、吊耳設計

①內抱桿使用10T倒鏈22臺，起重質量175t，設安全系數K=1.25，則吊耳平均承重載荷：F=175×1.25×1000×10÷22=99432N；

②提升桿用吊耳、脹圈如圖5所示（厚度b=20mm）：

③吊耳強度校核：

豎向載荷：即單臺倒鏈載荷99432N；

徑向彎矩：M2-2=F×L=99432×190=18892045N.mm；

受力處截面抗彎截面模數：W2-2=bh2/6=20×2002/6=1.33×105mm3；

受力處剪應力：τ1-1=F/A1=99432/60×20=82.86MPa；

根部剪應力：τ2-2=F/A2=99432/20×200=24.86MPa；；

吊耳根部截面許用應力σ=M2-2/W=18892045/1.33×105=141.69MPa；

Q235B許用應力：[σ]=235/1.5=156.67MPa。

查材料力學，一般在100℃以下Q235B取許用剪應力[τ]=113MPa，這里考慮焊接因素取0.7減弱系數，實際許用剪應力：[τ]Y=0.7×[σ]=109.7MPa。

可得：σ<[σ]；τ1-1<[τ]Y；τ2-2<[τ]Y，所以此吊耳滿足需求。

④脹圈吊耳強度校核：脹圈豎向載荷99432N，受力處剪應力：τ3=F/A3=99432/（220×20）=22.6MPa，可得：τ3<[τ]Y，所以此吊耳滿足要求。

4 施工過程注意事項

①做好原材料檢驗，確保抱桿的材質、規格、型號符合要求。②吊點與抱桿、脹圈等關鍵受力連接部位應滿焊且無焊接缺陷。③外抱桿人字形立柱應確保垂直，與底板連接固定。④內抱桿立柱于圓周均勻分布，設斜撐與底板連接，立柱之間、立柱與中心柱互相連接形成一個整體，形成較強的抗風能力。⑤應確保倒鏈靈活、限位靈敏，鏈扣不得有斷裂，提升刻度明顯、準確，安裝后試運行驗證。⑥倒鏈的型號要一致，提升時所有倒鏈應同步勻速上升，提升過程派專人指揮和監護，防止倒鏈卡住等異常狀況發生。⑦6級以上強風天氣不得提升。

5 結語

綜上所述：結合目前常規項目條件，在確保鋼材規格、吊裝角度、吊點偏移量、焊接強度等約束條件下，抱桿系統設計可以滿足類似儲罐的提升要求。該設計采用內外抱桿組合的形式進行倒裝法施工，能減少罐頂焊縫、方便操作，抱桿系統可重復利用，相對邊柱倒裝法又有了提升改進，節約了現場工作時間與成本3%～5%，值得推廣應用。

【參考文獻】

【1】李道奎.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2014.