有色金属冶炼厂钢结构综合管网的改造设计

张 鹏

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

经验交流

有色金属冶炼厂钢结构综合管网的改造设计

张 鹏

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

介绍了某有色冶炼厂钢结构综合管网的改造设计，详细叙述了项目的检测鉴定要求，设计思路，加固方案及施工注意事项。

综合管网； 加固设计； 独立式支架； 管廊式支架

0 引言

近些年随着有色行业的深入发展，有色金属冶炼厂的改造项目迅速增多。这些改造项目需要大量增加工艺管道、水管、电缆，而原厂区的管网不能满足需求，并且受场地空间的限制难以新建管网。如果拆除原有管网进行重建，施工周期较长，会导致工厂暂时停产，经济损失较大。而利用原钢结构管网进行加固改造，既能保证生产的持续进行，又减少了建设费用。

1 工程概况

某冶炼厂区管网的B线区段于2009年建成，全长190 m。原管网为两腿或四腿的独立式管架，高度12 m，跨度均为21 m左右，用于支撑一根直径3 m的硫酸烟气管道。其为独立基础，埋深-3 m，原地基做了灰土挤密桩复合地基处理，承载力特征值200 kPa。原管架布置图见图1。

图1 原管架布置图

由于该冶炼厂扩产，需要在此管线上增加两层管架(一层管道一层电缆)。考虑到节省投资和保证生产，采取利用原有钢柱增层的改造方案，对原有支架和基础重新核算，进行必要的加固。改造方案见图2。

图2 改造方案示意图

2 改造设计

2.1 现场检测和鉴定

设计之前，对原有管架进行检测和可靠性鉴定，为加固处理和设计提供可靠依据。检测的内容主要包括：

(1)原管道支架材料强度检测：采用现场取样做力学实验的方法进行材料强度、腐蚀和锈蚀强度的检验。

(2)连接节点检测：对原有管架的节点进行检测，确定杆件连接处节点板及焊缝、螺栓等是否满足规范要求，对钢结构安装偏差进行检测。

(3)地基和基础检测：开挖基础检测探井，查明基础尺寸、腐蚀情况以及地基处理情况。

(4)耐久性检测：对管架钢结构腐蚀程度进行检测，判断其耐久性。

现场检测结果：原有钢管架建造年限较短，位于干燥地区，且维护到位，钢材强度基本达到原设计要求，无明显腐蚀、锈蚀情况。基础和地基处理情况与原设计相符。

图3 计算单元

2.2 增层加固设计方案

2.2.1 设计荷载

基本风压： 0.40 kN/m2(地面粗糙度B类)

抗震设防烈度：7度；设计基本地震加速度值：0.15 g

原有管道荷载：10 kN/m；新增管道荷载：3 kN/m

新增电缆荷载：4 kN/m

2.2.2 设计方案

(1)计算假定。原有管架为独立式支架系统，两腿支架为活动支架，在管道径向(即平面内，横向)按刚接框架计算，在管道轴向按柱脚嵌固的悬臂柱计算。四腿支架为固定支架，在管道径向按带有铰接斜杆的刚接框架计算，在管道轴向(即平面外，纵向)按铰接杆件计算。

再加固改造后，增加了桁架，系统变为管廊式支架，原活动支架在管道径向按刚接框架计算，在管道轴向变为按两端铰接构件计算。原固定支架在管道径向按刚接框架计算，在管道轴向按两端铰接构件计算。新增的桁架按两端简支于支架柱的静定桁架计算，管道荷载、电缆荷载及桁架风荷载由两榀桁架的上下弦杆和上下弦水平支撑组成的水平桁架承担。

(2) 管道支架计算单元。 原独立式支架的纵向计算单元长度采用管道补偿器之间的距离，改造后纵向计算单元采用结构变形缝之间的距离。考虑到原有管架柱的布置情况，取60 m左右为一个纵向计算单元。计算单元见图3。

2.2.3 设计注意事项

(1)根据原有钢支架检测结论：钢材强度基本满足原设计要求，无明显腐蚀情况，同时考虑到原支架已经使用7年，且加固过程中引起的不利变形和损伤，在设计时宜考虑正应力不超过0.9，留出一定的安全储备。

(2)本地区抗震设防烈度7度 (0.15 g)，在管道滑动的方向可以不进行抗震验算，但应满足相应的抗震构造措施要求。

钢支架柱长细比限值：固定支架不大于150，活动支架不大于200。

钢支架板件的宽厚比限值：工字型截面翼缘外伸部分不超过13，圆(方)管外径与壁厚比不超过60。

2.2.4 加固方案

(1)基础部分：方案制定时，新增的桁架按两端简支于支架柱的静定桁架计算，基础增加的主要为竖向受力。由于新加的管道和电缆的荷载较小，经过核算，原有的基础仍满足受力要求，不需要进行加固。

(2)柱子部分：依据原有图纸、现场检测情况和新增加的荷载情况，对管架柱进行复核核算。从基础到桁架下弦5 m的范围内，钢柱的构件强度已不能满足要求，需要进行加固。加固方案采用加大原

有钢柱截面的方案。钢柱加固需要满足以下要求：

a.加固后能够满足结构的承载能力；

b.施工简单易行；

c.加固方法对原结构不造成过大损伤。

综合考虑以上几点，采用图4加固方案。该方案施工简单，增加的补强钢板可以和原有钢柱可靠地共同工作，能够减轻焊接过程对翼缘造成的损伤和变形，加固后形成的箱型截面可以约束翼缘变形，避免柱发生弯扭破坏。

图4 加固方案

2.2.5 节点设计

考虑到制作和施工简单易行，新增的节点采用牛腿式，并在伸缩缝处采用长圆孔的处理方法，见图5。

图5 节点设计

2.3 施工注意事项

增层加固的施工难度较大，应注意如下事项：

(1)桁架施工前应预先现场核实支架间的距离，支架柱的断面当实际距离和设计图中不符时，应对桁架的有关尺寸进行相应调整。

(2)支架柱在加固之前须先对原柱进行防腐处理(清底- 补漆- 刷漆)，然后再进行补强(加固)施工，施工完后再进行总体防腐处理。

(3)后补强钢板与原支架柱及劲板、梁的焊缝为满焊,且保证无漏缝存在以避免外部有害气体进入柱内造成腐蚀和危害.补强钢板须自原基础顶面起。

(4)柱的补强钢板的焊接不得一次焊接完成，焊缝须分段分批间隔进行，最终达到满焊要求。

3 运行效果

管网于2016年10月改造完成投入使用，改造工期由原计划的2个半月缩短至1个月，目前系统运行正常，整个方案达到了预期的效果。改造前后的状况见图6。

图6 冶炼厂管网实况

4 结语

本项目对老管架加固后进行增层改造，相比新建管网方案简单易行，节约了地基处理、基础及新增管架等一系列工程费用。设计过程有针对性地考虑了原有及新增管网的受力特点，同时结合施工的可行性，给出了合理的设计和加固方案，为以后老厂的管网系统改造提供借鉴。

[1] 国振喜，曲昭嘉.管道支架设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[2] GB50017—2003，钢结构设计规范[S].

[3] CECS77:96，钢结构加固技术规范[S].

[4] GB50367—2013，混凝土结构加固设计规范[S].

Design of steel-structure general piping network modification in a non-ferrous metal smelter

ZHANG Peng

This paper introduces the design of steel-structure general piping network modification in a non-ferrous metal smelter and describes its requirements of measurement and verification, design concept, reinforcement schemes and construction precautions.

general piping network; reinforcement design; independent support; pipe gallery support

张 鹏 (1980—)，男，北京人，本科学历，高级工程师，从事结构设计、施工图审核及设计咨询工作。

TF082.1

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