深錐沉降洗滌槽施工、設(shè)計(jì)問(wèn)題的調(diào)查研究

黃 偉

（遵義鋁業(yè)股份有限公司，貴州 遵義 563100）

中鋁遵義氧化鋁有限公司深錐沉降洗滌槽為當(dāng)時(shí)全國(guó)最大的深錐沉降洗滌槽，以第四沉降洗滌槽為例，其直徑為22m，高度為22m，物料重量可高達(dá)8500多噸，對(duì)設(shè)計(jì)和施工的要求非常嚴(yán)格。

1 施工質(zhì)量檢查階段

我們與鑫誠(chéng)監(jiān)理、總承包聯(lián)合對(duì)沉降槽的施工質(zhì)量進(jìn)行例行檢查，在105號(hào)槽內(nèi)部，我們發(fā)現(xiàn)：兩塊錐體扇形板的跨距為308mm～310mm，大于支撐工字梁的寬度300mm，扇形板沒(méi)有按設(shè)計(jì)要求搭接在工字梁內(nèi)；扇形板與工字梁上搭接平板縱向搭接焊縫紋路粗糙、焊渣較多，很明顯，這是由于大電流、大焊條、快速焊接造成的，其結(jié)果很容易造成氣孔、夾渣及未熔透等情況，以上兩種現(xiàn)象引起了我們的高度重視，我們立即召集鑫誠(chéng)監(jiān)理、總承包、檢測(cè)中心舉行會(huì)議，要求對(duì)扇形板的縱向搭接焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。我們致函總承包，要求對(duì)結(jié)構(gòu)的改變和焊接質(zhì)量問(wèn)題，從設(shè)計(jì)和施工兩方面，認(rèn)真核查、整改，確保7臺(tái)沉降槽的安全使用。

2 結(jié)構(gòu)圖紙審核和計(jì)算階段

我們對(duì)沉降槽的結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行了認(rèn)真核查，主要發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題。

（1）從圖紙審查的情況看，搭接平板和扇形板的搭接形式和實(shí)際不符，從設(shè)計(jì)尺寸上看，扇形板的最大直徑尺寸為22m，工字梁的中心處最大直徑也是22m，扇形板應(yīng)該在工字梁的中心處相切，而不是在邊緣處相切，才能形成整體圓錐錐體。在邊緣處相切，會(huì)產(chǎn)生多段圓弧錐體，應(yīng)力集中情況更明顯。并且其直徑必須大于22m，這與設(shè)計(jì)尺寸相矛盾，經(jīng)過(guò)尺寸校核，扇形板與工字梁邊緣相切在理論上是不成立的，只能在中心處相切。同時(shí)增加搭接平板，一是焊縫將移至支撐工字梁邊緣，形成固定支點(diǎn)，造成應(yīng)力集中，二是產(chǎn)生幾何尺寸不連續(xù)，加劇應(yīng)力集中，搭接平板的設(shè)計(jì)意圖不明確。

（2）由于工字梁上搭接平板的寬度過(guò)長(zhǎng)，造成錐體扇形板在工字梁的搭接距離過(guò)短，單邊距離不超過(guò)10mm，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解，實(shí)際扇形板在工字梁上的搭接長(zhǎng)度不足2mm～3mm，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，焊縫尺寸為8×8，勢(shì)必會(huì)造成保證扇形板部分有5mm～6mm搭接焊縫位于工字梁外，更有甚者，部分扇形板根本搭接不上工字梁，使焊縫處成為固定支點(diǎn)或在固定支點(diǎn)附近，整個(gè)壓力和重力產(chǎn)生的最大應(yīng)力約300MPa～400MPa將由焊縫承擔(dān)，而焊縫最大抗剪強(qiáng)度約為185MPa，嚴(yán)重不足。

我們要求中鋁國(guó)際遵義總承包項(xiàng)目部做到：從設(shè)計(jì)著手，對(duì)101～107深錐沉降槽進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核，提出完整、系統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)方案，并和施工單位緊密合作，確保設(shè)計(jì)方案的順利實(shí)現(xiàn)。

為了慎重起見，二月初，我們使用計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析軟件COSMOSWORKS進(jìn)行分析計(jì)算；得出的結(jié)果是：深錐沉降槽錐體與槽直體交接焊縫處、錐體扇形板在工字梁的搭接焊縫處，應(yīng)力集中情況嚴(yán)重，約為焊縫最大剪切強(qiáng)度的2倍～3倍，如果這兩處的強(qiáng)度得不到加強(qiáng)，其后果不堪設(shè)想。

我們第三次致函總承包，要求中鋁國(guó)際總承包遵義項(xiàng)目部采取如下措施。

（1）設(shè)計(jì)部門應(yīng)進(jìn)一步校核沉降槽錐體與槽直體交接處焊縫、錐體扇形板在工字梁的搭接處焊縫的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)錐體扇形板在工字梁的搭接方式、距離進(jìn)行必要的修改，既要從設(shè)計(jì)上保證沉降槽的安全使用，又要確保施工單位能夠順利地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。

（2）施工部門應(yīng)組織對(duì)錐體扇形板的搭接焊縫進(jìn)行逐條無(wú)損檢測(cè)，檢查其是否在工字梁外搭接，及時(shí)和設(shè)計(jì)部門聯(lián)系，同時(shí)嚴(yán)格督促施工單位按設(shè)計(jì)要求施工，加強(qiáng)質(zhì)量控制。

3 計(jì)算機(jī)應(yīng)力軟件COSMOSWORKS的分析和運(yùn)算階段

根據(jù)COSMOSWORKS的運(yùn)算原則：對(duì)稱物體，可以取其獨(dú)立單元進(jìn)行分析運(yùn)算，取任意兩根工字梁的邊緣作為固定支點(diǎn)，對(duì)位于工字梁之間的扇形板進(jìn)行分析和運(yùn)算。步驟如下。

（1）運(yùn)用材料：16Mn的物理性能。

表1 沉降槽使用材料的物理性能

（2）約束：由于扇形板的四個(gè)面為焊接連接，我們對(duì)四個(gè)面施加固定約束，即不可移動(dòng)約束。

（3）受力分析：沉降槽錐體部分是受到礦漿的壓力和沉降槽直體的重力作用，其中主要是承受礦漿的壓力，壓力計(jì)算公式為：p液=ρ液gh。

p液表示液體的壓強(qiáng)，單位——Pa

ρ液表示液體的密度，單位——kg/m3

h表示液體的深度，單位——M

g是常數(shù)，單位——9.8N/kg

由于液體壓強(qiáng)為非均勻分布，要通過(guò)乘數(shù)和壓力分布來(lái)計(jì)算。壓強(qiáng)分布由使用參考坐標(biāo)系表示的二階多項(xiàng)式系數(shù)來(lái)計(jì)算。

其中：p(X，Y)=在坐標(biāo)為x和y的點(diǎn)應(yīng)用的壓力的大小

V是內(nèi)部計(jì)算的一個(gè)數(shù)值

X，Y=相對(duì)于所選坐標(biāo)系的點(diǎn)的坐標(biāo)

A、B、C、D、E和F是多項(xiàng)式系數(shù)

在沿垂直于所選面的方向，相對(duì)于坐標(biāo)系建立如下壓力方程：2.6e+005+0x+-16y+0xy+0x^2+0y^2

式中：2.6e+005—錐體底部壓強(qiáng)，-16—壓強(qiáng)遞減值。

圓弧扇形板計(jì)算結(jié)果。檢測(cè)的五個(gè)邊緣點(diǎn)的應(yīng)力分別為：2.96e+008N/m^2、3.959e+008N/m^2、4.053e+008N/m^2、4.199e+008N/m^2、4.246e+008N/m^2，均遠(yuǎn)大于16Mn的抗剪強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，圓弧板的兩邊處強(qiáng)度嚴(yán)重不足，如果再加上扇形圓弧板沒(méi)有搭接在工字梁上，完全靠焊縫來(lái)承受如此大的應(yīng)力，其后果不堪設(shè)想。施工單位擅自將扇形圓弧板改成平板，應(yīng)力集中情況更加明顯，從我們截取的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力來(lái)看：應(yīng)力值是圓弧板的3倍～4倍，而16Mn的屈服點(diǎn)為：3.25e+008N/m^2，終極強(qiáng)度為：3.85e+008N/m^2。可見，扇形板圓弧后改成平板后，應(yīng)力集中更加明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料極限，后果更加嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

中鋁國(guó)際遵義總承包項(xiàng)目部舉行會(huì)議，貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)院對(duì)101號(hào)～107號(hào)沉降洗滌槽提出了系統(tǒng)性的整改、補(bǔ)強(qiáng)方案設(shè)計(jì)，焊縫處的最大應(yīng)力由1.812e+008N/m^2降低為1.54e+008N/m^2，小于16Mn的屈服強(qiáng)度2.2059e+008N/m^2，從理論上滿足了強(qiáng)度要求，7臺(tái)沉降槽的調(diào)查與整改工作取得了比較良好的結(jié)果。