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浅析水泥罐设计施工技术
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【摘要】就散装水泥罐安装施工技术, 在复杂地质条件情况下, 如何设计, 施工更趋合理作一个简单的介绍。
【关键词】水泥罐 ; 支撑排架; 结构计算;
一、 工程概况
大连市地铁一期工程南关岭镇站-南关岭站区间的隧道工程, 起讫里程为: DK39+493.801-DK40+951.924, 区间全长1458.813米, 其中204标段主要施工任务为DK40+093.801-DK40+951.024, 全长857.223米; 竖井位于DK40+391处( 民悦小区内) 。山水水泥罐自重10吨, 满载60吨; 基础位置近距竖井6.2米, 对地铁竖井及横通道影响很大。
二、 现场准备施工
2. 1 三通一平工作正在进行, 通往施工现场的路平整, 具体用电方案祥见现场施工临时用电方案。
2. 2 基础施工工期长, 给安装造成很大困难, 估计会出现基础施工与竖井结构施工交叉作业, 应加强统一管理。
三、 水泥罐设计计算
在混凝土搅拌站设备中, 粉料称量设备是很重要的组成部分。而水泥罐作为储料设备, 其支撑结构对搅拌站起到关键作用。作为水泥罐的支撑排架, 其结构设计计算是否合理, 是否能满足生产的需要, 就存在十分重要的意义。南南竖井设计方案计算采用的是《钢结构设计规范》(GB50017)规定的设计原则, 采用以概率为基础的极限状态设计方法, 用分项系数的设计表示式进行计算。
3．1 排架的结构组成示意图
水泥罐支撑排架结构如图所示。

3．2 排架的计算内容
水泥罐支撑排架, 其截面一般采用钢管和角钢组合而成(如图所示), 从截面形状和受力情况来看, 整体上属于格构式受压柱。作为水泥罐支撑排架, 应该按照搅拌站的特点、 荷载情况、 生产规模进行设计计算。设计计算内容较多, 主要包括: ①支撑排架整体稳定性计算②支撑立杆的稳定性计算③ 连接杆件的承载力计算④支撑立杆的竖向变形计算⑤支撑系统的地基承载力计算⑥支撑系统的地基沉降计算等。

3.2.1 荷载标准值
永久荷载: 水泥罐的自重、 水泥的重力。可变荷载: 风荷载标准值、 支撑安装偏差荷载的标准值、 施工检修人员及设备荷载的标准值。
3.2.2支撑排架整体稳定的计算
支撑排架截面近似属于格构式轴心受力构件, 其绕虚轴屈曲时, 由于两个分肢不是实体相连, 连接两分肢的缀件的抗剪刚度比实腹式构件的腹板弱, 考察构件微弯平衡状态时, 除弯曲变形外, 还需考虑剪切变形的影响, 因此稳定承载力有所降低。
按排架的整体稳定性选择截面尺寸就是确定排架的截面情况, 因此根据立柱的受力进行分析。
式中, 为荷载分项系数取值1.2
假定, =100, (属于b类截面)得 = 0.555, 需要的截面面积

式中, 为轴心受压构件整体稳定系数, 为所需截面面积; 为钢材的抗压强度设计值。

根据设计经验, 取四根立柱为热轧无缝钢管203 ×7, 其主要参数: 截面面积
为A=43．10cm2,截面惯性矩I=2072．43cm2 , 回转半径i=6．93cm。缀条选用L75x6, 其主要参数截面面积为Alx= 8.8cm 。斜缀条与水平方向的夹角为52°。
3.2.3排架整体稳定性校核
排架作为整体受压柱, 其截面总惯性:

各立柱之间的斜缀条不考虑, 则截面回转半径

长细比:
因此整体的刚度满足。

换算长细比

因此整体的刚度满足。
根据长细比=7.73, b类截面, 查文献则整体稳定验算

因此整体稳定性满足。

3.2.4 单个立柱的强度、 刚度、 稳定性计算
3.2.5单个立柱所受荷载

3.2.6风荷载产生的诱发荷载
水泥罐体积较大, 其受风面积较大, 支撑的高度又较高, 因此水泥罐支撑排架受风荷载的影响比较明显。风荷载产生的诱发荷载对排架立柱有较大影响要考虑 最大立柱情况。
已知罐体的受风面积s=30m2 , 罐体的重心在h=9m高处。取风压p=441N/m2 , 风振系数=1.15,则
经过分析, 风荷载引发的诱发荷载对受压立柱最大。最危险立柱受到的最大诱发压力

3.2.7立柱的校核
受力最大的立柱所受的荷载
立柱强度
强度符合要求。
刚度验算

刚度符合要求。
立柱的稳定性: 根据长细比=38.24, a类截面, 查附表=0.946, 则整体稳定验算
单个立柱稳定性满足要求。
3.4.8支撑缀条的验算

有四个缀面:

支撑缀条满足要求。

四 、 水泥罐施工
4.1 施工原则
4.1.1水泥罐拟采用液压顶升装置提升倒装法施工。罐底板、 壁板及顶板焊接全部采用手工电弧焊接。
4.1.2 在预制场内, 进行罐的预制, 然后倒运至安装现场进行安装。
4.2 施工程序

4.2.1 施工准备
( 1 ) 材料准备及验收
材料验收是施工生产不可缺少的一个重要步骤。材料验收及管理主要包括以下几项内容:
a 、 资料检查
水泥罐所选用的材料 ( 钢板、 钢管及其它型钢 ) 、 附件、 设备等必须具有相应的合格证明书。当无质量证明书或对质量证明书有疑问时, 应进行复验, 合格后方可使用。
b 、 外观检查
对罐所用的钢板, 严格按照技术文件 GB6654 标准规定的相应要求进行验收 , 逐张进行外观检查 , 其表面质量、 表面锈蚀减薄量, 划痕深度等应符合 GBJ128-90 的有关规定。
c 、 焊接材料验收
焊接材料 ( 焊条、 焊丝及焊剂 ) 应具有质量合格证, 焊条质量合格证书应包括熔敷金属的化学成分和机械性能, 低氢型焊条还应包括熔敷金属的扩散氢含量。
( 2 ) 技术准备
a 认真做好设计交底和图纸会审工作;
b 熟悉图纸和资料, 编制切实可行的施工方案;
c 详细向施工班组进行技术交底。
( 3 ) 现场准备
a 修通道路, 平整施工现场, 选定材料、 构件存放场地;
b 接通水源、 电源, 按平面布置图放置焊接集装箱及工具、 休息室;
4.3 水泥罐的安装 :
( 1 ) 水泥罐的安装方法:
根据施工图纸要求及施工现场实际情况 , 结合同类水泥罐的施工及现有施工机具情况 , 确定本工程贮罐 , 采用倒装进行罐体安装。
罐体倒装提升方法采用液压顶升装置 , 示意图如下:

a 、 该提升装置安全可靠 , 本罐共设置8 个提升点;
b 、 校对焊缝方便 , 可调精度在 2 毫米之内 .
c 、 升降方便 , 使用载荷升降顶顶升 2 米 , 也可降落 2 米 , 方便施工 .
d 、 倒装提升最大载荷按100 吨计算, 加上摩擦力及安全系数 , 现总提升重量按 110 吨计算, 共安装 2台升降器总成。施工到最后一块壁板封闭前 , 一定要将内浮顶是成套的装配件放到水泥罐内 .
( 2 ) 底板铺设、 焊接
①水泥罐基础进行复查, 按平面图的方位, 在水泥罐基础上划出两条相互垂直的中心线, 并注意在水泥罐安装过程中不得损坏基础, 如有损伤, 必须进行修复;
②底板的下表面进行喷砂除锈, 经甲方监理共检合格后立即涂刷第一道环氧煤沥青漆, 应注意每块板的边缘 50mm 的范围内不刷, 待漆层表干后涂刷第二环氧煤沥青漆, 直到漆层实干后并经共检合格, 填写隐蔽记录并经甲方监理方签字认可后方可用于底板的铺设;
④按排版图在罐底中心板上划出十字线, 十字线与与罐基础中心线重合, 在水泥罐中心板的中心打上样冲眼, 并作出明显的标记;
( 3 ) 水泥罐的焊接;
1 ) 本次水泥罐的焊接全部采用手工电弧焊, 所有参加焊接的焊工必须是具有该种材质合格项目、 焊接位置资格的且在有效期内的合格焊工;
2 ) 焊接前应确定有按国家现行《压力容器焊接工艺评定》和施工验收规范的规定所做的焊接工艺评定, 保证焊接工艺评定覆盖率 100 ％。
3 ) 水泥罐的材质为 16MnR , 焊条选用 J507 焊条; 其它部位的材质为 Q235-B , 手工焊选用 J422 焊条, 16MnR 板与 Q235-B 板之间的焊接选用 J507 焊条。焊条使用前应按要求进行烘干, 并应有专人负责保管和发放、 回收, 焊药脱落、 焊芯生锈及受潮较重的焊条不得使用。焊材保管室内应安装除湿机, 保证室内相对湿度不大于 60% , 从保管室领用到现场的焊条, 低氢型焊条在现场使用时间不超过 4 小时。
焊材干燥要求温度一览表
序
号
焊材名称及牌号
烘干温度
℃
烘干时间
(h)
恒温温度
℃
允许使用
时间 (h)
1
J507
350 ℃ -400
1-2
100 ～ 150
4
2
J422
100 ℃ -150
0.5-1
100
8
4 ) 焊接应严格按焊接工艺规范进行, 不得随意变动焊接工艺参数, 焊接前应根据焊接工艺评定编制焊接工艺卡并下发到施工人员手中, 并对所有施焊的焊工进行技术交底;
5 ) 焊缝的定位焊及工卡具焊接应由合格焊工进行, 焊接工艺应同正式焊接相同, 定位焊长度不宜小于 50mm ;
6 ) 焊接前应检查组装质量, 坡口及坡口两侧 20mm 范围内的泥砂、 铁锈、 水分、 油污应全部清除干净, 并充分干燥;
7 ) 板厚大于等于 6mm 的搭接焊缝, 至少焊两遍, 有下列任何一种焊接环境, 若无有效防护不得施焊:
8 ) 雨天或风速超过 8m /s 时; 大气相对湿度超过 90% ;
9 ) 焊缝咬边及母材的伤疤应进行修补 , 卡具割磨后的母材表面应补焊或修磨 , 内部缺陷的修补 , 应将缺陷消除后 , 严格按焊接工艺要求补焊 , 同一部位返修不宜超过二次 , 若超过二次须经技术总负责人批准。焊接设备应执行加强保养, 严格使用制度;
五、 检查与验收
水泥罐质量检查项目如下:
序号
检查项目
方法
时间
标准
1
材料
确认
进货时
符合标准
2
基础验收
测量
铺板前
设计标准
3
钢板预制
测量
加工时
长± 3 宽± 2 对角差≤ 3 0 ±2.5 0 钝边 0 ～ 1.5 弧度＜ 3
4
边缘板组对
测量
组对时
半径± 10 间隙 4 ± 1
5
边缘板外端焊接
射线
真空
焊完后
焊完后
Ⅲ级合格
无渗漏 (-0.053Mpa)
6
大角缝
渗透
测量
焊完后
焊完后
无缺陷
角长符合设计要求
7
中幅板
测量
真空
焊完后
焊完后
凸凹度不明显
无渗漏 (-0.053 Mpa)
8
罐底板下表面
除锈防腐
表面检查
铺设前
符合设计、 规范要求
9
联合检查
多工种
交工前
符合设计要求
5.1焊缝外观检查
a 在罐体焊缝检查前, 应将药皮、 熔渣及飞溅等清除干净。
b 焊缝表面及热影响区, 不得有裂纹、 气孔、 夹渣和弧坑等缺陷。
c 对接焊缝的咬肉深度不得大于 0.5mm , 咬肉的连续长度不得大于 100mm , 焊 缝两侧咬肉总长度不得超过该焊缝长度的 10% , 第一、 二圈附板立缝如有咬肉, 均应焊后打磨圆滑。
d 第一圈罐壁板与罐底边缘板之间的大角焊缝内侧应平滑过度, 咬肉应打磨圆滑。
罐壁内侧焊缝的余高不得大于 1mm 。并经打磨圆滑过渡。罐壁内部的⑤工卡具定位焊点应打磨光滑。
5.2 焊缝无损检测要求及内容见下表:
焊缝无损检测要求一览表
序号
检 查 内 容
执 行 标 准
备 注
一、 底板
1
所有焊缝 100% 真空试漏

负压值≥
53kPa
2
边缘板每条对接缝外端 300mm
100% RT 检验
JB4730-94 Ⅲ级

3
罐底丁字焊缝三个方向各 200mm 范围内 100% PT 或 MT 检验
JB4730
分初次及全部
焊完
二、 罐壁
1
纵缝。每一个焊工焊接的每种板
厚, 在最初焊接的 3m 焊缝的任意部位抽取 300mm 进行射线探伤, 以后不考虑焊工人数, 对每种板厚在每 30m 及其它数内的任意部位抽取 300mm 进行射线探伤。探伤部位中的 25% 应位于丁字焊缝处, 且每个罐不少于 2 处。
JB4730-94 Ⅲ级

2
环缝。每种板厚 ( 以较薄的板厚为准 ) 在最初焊接的 3m 焊缝的任意部位取 300mm 进行射线探伤。以后对于每种板厚在 60m 焊缝及其它数内的任意部位取 300mm 进行射线探伤。上述检查均不考虑工人数。
JB4730-94 Ⅲ级

六、 水泥罐的除锈、 防腐
( 1 ) 水泥罐的除锈
a 水泥罐底板在下料后 , 铺设前应对底板下表面进行彻底除锈 , 除锈采用喷砂方法进行除锈, 质量要达到 Sa2 级的规定要求, 要将金属表面的泥砂、 污积、 铁锈、 不牢固的附着物等全部清理干净, 除锈合格后的金属表面不得长时间放置, 应在共检合格后立即组织进行防腐涂刷, 若放置时间过长, 在涂刷涂料前应重新进行除锈;
b 水泥罐壁板外表面采用喷砂除锈 , 质量要达到 Sa2.5 级, 壁板外表面除锈工作宜在壁板滚压成型之后进行。喷砂采用压缩空气, 所用砂子是含 SiO 2 量较高的石英砂。保证除锈质量, 除锈合格的壁板其外表面应露出金属光泽, 经检查合格后, 及时涂刷涂料, 防止金属表面产生浮锈, 否则须重新除锈;
c 水泥罐顶板外表面应采用喷砂除锈, 质量要求达到 Sa2.5 级。水泥罐顶板外表面除锈工作宜在顶板预制成型后进行, 喷砂要求及外表面除锈质量同壁板外表面除锈要求相同, 在检查合格后, 及时涂刷涂料;
d 水泥罐的罐底上表面、 罐内壁、 拱顶内表面也采用采用喷砂除锈, 质量要求达到 Sa2.5 级。喷砂要求及外表面除锈质量同壁板外表面除锈要求相同, 在检查合格后, 及时涂刷涂料;
e 水泥罐附件中的梯子、 拦杆、 平台等结构, 按一般要求进行机械除锈, 采用电动钢丝砂轮进行其表面除锈, 除锈后的金属表面应尽快按要求涂刷防腐涂料;
( 2 ) 水泥罐的防腐
a 水泥罐底板下表面在除锈合格, 检查经过 8 小时内应涂刷上防腐涂料。要求涂刷无机富锌底漆两遍 , 干膜厚度 80um 。涂刷时涂料要涂均匀, 无漏刷、 无滴淌、 无皱折, 要附着良好, 表面光滑;
b 罐外及罐顶 , 面漆颜色为白色。表面喷砂除锈, 质量合格后, 涂刷环氧底漆一道, 环氧云铁中间漆两道, 聚氨酯面漆两道, 干膜总厚度不得小于 250 μ m , 用涂层测厚仪检验。施工时按其产品证明书中的要求涂刷;
c 罐内表面 ( 罐底上表面、 罐顶下表面、 罐壁上下部各 1m ) 喷砂除锈, 质量合格后, 涂刷导静电涂料四道, 干膜总厚度不小于 200 μ m , 涂刷应严格按照产品说明书的要求进行, 涂漆表面要求均匀, 无漏涂、 无针孔、 无蜂窝、 无皱折、 无裂纹等现象, 必须确保其涂刷质量, 并用用涂层测厚仪检验涂层厚度是否符合设计要求, 如甲方要求对油漆进行质量鉴定应在涂刷前对该种油漆进行质量鉴定, 并确认合格后方可使用;
d 罐体附件梯子、 平台、 栏杆等除锈后应及时涂漆, 前一道涂刷干燥后再涂刷下一道涂漆, 涂漆表面要求均匀, 无漏涂、 无皱折、 无裂纹;
e 所有涂料涂刷前均应确认是合格产品, 并应详细阅读使用说明书, 涂刷应严格按说明书中的要求进行。涂漆应尽量在晴朗、 干燥的天气进行, 风、 雨天气若无有效防护措施严禁进行涂漆作业;
f 罐内涂刷时应加强罐内通风, 必要时应采取强制通风, 以保证罐内空气流通及空气新鲜, 罐内涂刷时的照明用电必须是 12V 以下的安全电压, 如使用 12V 以上的电源时每个用电设施必须加设单独的漏电保护器, 罐内使用的行灯必须是防爆灯具, 并在灯具上加设防碰的保护罩, 罐内涂刷时罐外必须设监护人员;
七、 水泥罐安装质量保证措施
1) 上岗前, 对有关人员进行培训, 使其更熟练掌握 GBJ128-90 等有关规范标准。
2) 做好技术交底工作, 使施工人员做到心中有数。
3) 严格执行各项质量管理制度, 实行三检制。
4) 坚持”三不准”( 监理未批准不准施工; 不合格的材料不准使用; 上序不合格不准转下序) , 5.”三不放过”( 出现质量事故苗头不放过, 质量事故责任不清不放过, 整改措施不落实不放过。
5) 未经烘干的焊材不得使用。不符合施工要求的焊接环境, 不得进行焊接作业。
① 罐底中幅板的焊接, 应将短焊缝焊完后再焊长缝; 长缝焊接时, 焊工应均匀对称分布, 由中心向外分段退焊。
② 边缘板对接焊缝的焊接, 焊工应对称分布每隔 600mm 隔缝跳焊 600mm , 焊缝表面应光滑平整。
③ 罐底与底圈壁板的环形角焊缝, 应由数对焊工对称分布在罐内和罐外 ( 罐内焊工应在前约 500mm 处 ) , 沿同一方向分段退焊, 也可根据具体情况, 采取先焊内圈再焊外圈的施焊顺序。
④ 边缘板的搭接焊缝, 应由外向里分段退焊。
⑤ 最后焊接边缘板与中幅板的连接缝, 焊前应将边缘板与中幅板之间的卡具松开或磨开定位焊点, 焊工应沿圆周均匀分布, 分段跳焊。
八、 交工验收
8.1 水泥罐竣工后, 建设单位应按设计文件和施工验收规范, 对工程质量进行全面检查和验收, 检验合格后办理工程验收证明书, 并由参加验收的监理部门代表进行签字确认, 同时办理交工手续。
8.2 施工单位应提交水泥罐的竣工资料, 所交竣工资料应完整、 齐全、 清晰、 整洁, 资料内容要真实, 且应符合规范要求, 不得有漏缺项。

结语:
本文针对实际工程的水泥罐罐体的设计和施工进行简单的论析, 只限于一般构造机理浅析, 为今后工程的安全使用提出一些思路。

参考文献:
【l】王国周, 瞿履谦．钢结构[M】．北京: 清华大学出版社, 1993．
【2】GB50236-98 《现场设备、 工业管道焊接工程施工验收规范》;
【3】JB4730-94 《压力容器无损检测》;