拱頂儲罐內壁板防腐自動化施工裝備穩定性分析與研究

郭奇超

中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北廊坊 065000

隨著我國經濟的快速發展和油氣管網的逐步完善，儲罐工程建設迎來了新的高潮。儲罐工程的防腐施工質量和難度對現有的技術水平提出了更高要求。拱頂儲罐內壁板防腐自動化施工裝備作為一種新型設備在施工質量和技術上能夠滿足現場施工要求，但這種裝備的升降機構采用多節桁架結構，長細比較大，柔性增加，其穩定性成為能否滿足安全生產的一個重要指標。因此，整體設計應考慮運用模擬仿真分析和抗傾覆力學計算，校核整機穩定性。

1 設備組成

拱頂儲罐內壁板防腐自動化施工裝備由機架、回轉裝置、工作裝置、動力系統組成，如圖1所示。整機穩定性好、結構重量輕，所有零部件能夠通過人孔進入罐內，且方便搬運、起吊及安裝。

圖1 設備結構示意

機架由立柱式升降導軌和底座組成。立柱式導軌架用多節標準節拼裝而成（見圖2），標準節（見圖3）由D50 mm圓形無縫鋼管和角鋼等組合而成，呈三角框架結構。標準節上安裝有齒條，多節標準節用螺栓連接。為了保證立柱式導軌的穩定性，在標準節上分別設置了縱向和橫向可調斜撐。底部采用球形萬向節與底座連接，形成穩定的機架結構。

圖2 多節標準節拼裝而成的桁架結構

圖3 標準節示意

回轉裝置由八字形鋼結構組件拼裝而成，頂端采用回轉軸承支撐，底端左右兩側分別安裝減速機驅動輪機構，整個裝置可根據儲罐直徑由螺旋伸縮機構調節長度，使回轉支撐與儲罐中心準確定位。

工作裝置包括除銹打磨系統和噴涂系統，傳動系統安裝在升降滑架內，通過齒輪與立柱式導軌架上的齒條相嚙合，實現升降滑架上下運行，從而實現儲罐內壁板橫、立焊縫的除銹打磨和噴涂。

動力系統主要由發電機組和空壓機給整臺設備提供動力。其中，回轉裝置的旋轉、工作裝置的升降由電力驅動控制，工作裝置除銹打磨系統和噴涂系統由氣動驅動控制。

2 穩定性分析

2.1 模型建立

儲罐內壁板防腐自動化施工裝備主要由八字形鋼架、多節桁架標準節、可調撐桿以及滾刷打磨機等部分組成。利用ANSYS軟件建立該設備整機結構的有限元模型，如圖4所示。

2.2 工況模擬仿真

如圖4所示，關鍵點1為整機的旋轉支撐點，根據實際工況在分析時約束了X、Y、Z三個方向的位移自由度，以及繞X、Z軸的旋轉自由度；而關鍵點2、3、11、12為鋼架上行走輪所處位置。在啟動及停止工況時，設備整體處于靜止的臨界狀態，因此，這幾個位置約束Y、Z兩個方向的位移自由度。在正常工作狀態下，設備保持勻速轉動，并且立架對于鋼架的相對位移才是最需要關注的，因此這幾個位置也約束Y、Z兩個方向的位移自由度[1-2]。

圖4 整機結構有限元模型

2.2.1 設備啟動和停止

設備啟動階段，驅動輪帶動設備從靜止加速到工作速度2 m/min，加速時間為1 s，整機所受載荷包括自身重力以及啟動時加速度產生的慣性力。

設備啟動過程加速度a=Δv/Δt=2/60=1/30（m/s2）。

直接從ANSYS內部讀取所建模型各部分的質量，底面八字形鋼架質量為1 357.73 kg，桁架結構質量為425.52 kg，長可調撐桿質量為264.65 kg，短可調撐桿質量為92.41 kg。滾刷打磨一體機及升降滑架總質量為500 kg，將其自重和慣性力以載荷的形式施加在桁架相應節點位置。根據公式F=m·a得出各部分結構的慣性力。

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

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

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

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

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

考慮最危險情況，按照滾刷打磨一體機及其相關設備位于立架頂部（距地面約15.8 m）的情況施加載荷。ANSYS計算結果如圖5、圖6所示。圖5為設備整體變形云圖，最大變形為2.46 mm，出現在立架最上端。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。設備整體最大應力為10.69 MPa，出現在立架底部[2]。

圖5 設備總體變形云圖（工況一、二）

圖6 立架總體變形云圖（工況一、二）

通過計算結果可知設備啟動工況下最大應力為10.69 MPa，遠小于材料許用應力（420 MPa），因此整機結構的強度滿足使用要求。設備啟動工況下最大變形出現在立架最上端，最大變形量為2.46 mm，而整個立架的總高度約為16.6 m，變形率僅為0.15‰，因此滿足使用要求。由于整機結構穩定運行的速度僅為0.033 m/s，因此整機結構啟動工況下的慣性力較小，計算得到的整機結構最大應力和最大變形很小，完全滿足使用要求。設備在停止時的受力情況與啟動時類似，慣性力大小相同、方向相反，設備停止工況下整機結構也滿足強度及剛度要求。

2.2.2 滑架在立架底部，打磨機啟動和停止

該工作狀態下，設備整體繞旋轉定位支撐點勻速轉動，角速度ω=0.048 rad/s。

此工況下打磨位置距地面約0.71 m。由于打磨機啟動和停止時與儲罐壁面是不接觸的，所以立架只受到打磨機和滑架本身的重力，不受壓力和摩擦力，因此，將打磨機啟動和停止的工況合并在一起計算，ANSYS計算結果如圖7、圖8所示。圖7為設備整體變形云圖，最大變形為9.29 mm，出現在長可調支撐桿中部。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。設備整體最大應力為14.30 MPa，出現在立架底部。整體結構滿足強度及剛度要求。

圖7 設備整體變形云圖（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，打磨機工作

此工況下除了打磨機及滑架自重外，打磨機所受壓力為49 N，由壓力所產生的摩擦力f=u·F=0.3×49=15（N）。ANSYS計算結果如圖9、圖10所示。圖9為設備整體變形云圖，最大變形9.29 mm，出現在長可調支撐桿中部。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。設備整體最大應力為14.45 MPa，出現在立架底部。整體結構滿足強度及剛度要求。

圖9 設備整體變形云圖（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，打磨機啟動及停止

此工況下打磨機位置距地面約8.76 m，其余條件均與工況三、四相同。ANSYS計算結果如圖11、圖12所示。圖11為設備整體變形云圖，最大變形為9.39 mm，出現在長可調撐桿中部。圖12為立架總體變形云圖，最大變形2.28 mm，出現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。設備整體最大應力為14.45 MPa，出現在立架底部。整體結構滿足強度及剛度要求。

圖11 設備整體變形云圖（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計算結果如圖13、圖14所示。圖13為設備整體變形云圖，最大變形9.36mm，出現在長可調撐桿中部。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。設備整體最大應力為35.85 MPa，出現在立架中部打磨機所在位置。整體結構滿足強度及剛度要求。

圖13 設備整體變形云圖（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，打磨機啟動和停止

此工況下打磨機位置距地面約15.8 m，其余條件均與工況三、四相同。ANSYS計算結果如圖15、圖16所示。圖15為設備整體變形云圖，最大變形為9.43 mm，出現在長可調撐桿中部。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。整體結構滿足強度及剛度要求。

圖15 設備整體變形云圖（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，打磨機工作

此工況下打磨機位置距地面約15.8 m，其余條件均與工況五相同。ANSYS計算結果如圖17、圖18所示。圖17為設備整體變形云圖，最大變形為9.42 mm，出現在長可調撐桿中部。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。設備總體最大應力為11.77 MPa，出現在立架底部。整體結構滿足強度及剛度要求[3-4]。

圖17 設備總變形云圖（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

11種工況下整機結構及立架最大變形情況匯總如表1所示。

表1 不同工況下整機結構及立架最大變形

由表1可看出，設備工作中相對剛啟動以及停止工況時，長可調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備有角速度，導致支撐桿有一個沿X軸正方向的離心力，從而使得撐桿變形增加，但這個離心作用對立架的作用仍然很小。

3 抗傾覆分析

對于工作或非工作時有可能發生整體傾覆的起重工作機構，應通過計算來校核其整體抗傾覆穩定性所需滿足的條件。儲罐內壁板防腐自動化施工裝備由于其整機高度達17.4 m，滾刷打磨一體機質量達500 kg，因此需要對其整體抗傾覆穩定性進行分析。參考《起重機設計規范》（GB 3811—2008）8.1.3節中塔式起重機整體抗傾覆穩定性標準進行校核計算[5-6]。

在結構整體抗傾覆穩定性校核計算中，當穩定力矩的代數和大于傾覆力矩的代數和時，則認為該施工裝備結構整機是穩定的。由自重載荷產生穩定力矩，由除自重載荷外的其他載荷產生傾覆力矩，它們都是對所規定的特定傾覆線計算的結果。儲罐內壁板防腐自動化施工裝備在啟動和停止工況下，由于整機結構在加速度的作用下產生的慣性力為傾覆力矩，因此在這兩種工況下需要驗證其抗傾覆穩定性。前面已經分析過啟動、停止兩種工況承受的慣性力載荷大小相等、方向相反，因此只需要對啟動工況下整機結構的抗傾覆穩定性進行分析即可，為了考慮最危險工況，整機啟動時滾刷打磨一體機位于立架的最上端。

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

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

底部鋼架穩定力矩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為長可調撐桿力臂，m；L4b為短可調撐桿力臂，m。

穩定力矩M0=M1+M2+M3+M4=55 586（N·m）。

傾覆力矩M為整機結構慣性力產生的力矩，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。

通過計算可知：傾覆力矩僅為穩定力矩的1%（M＜＜M0），這主要是由于整機結構啟動或停止工況下的加速度很小，因而整體慣性力產生的傾覆力矩遠小于整體重力所產生的穩定力矩。因此，整機裝備在正常工作狀態時完全能夠通過抗傾覆穩定性校核。

4 結論

通過運動模擬仿真和力學計算校核，儲罐內壁板防腐自動化施工裝備在多種工況下，其應力和形變均在安全范圍內，整體結構具有很強的抗傾覆能力，能夠滿足現場施工對穩定性和安全性的要求。