覆土罐室内钢制储罐壁板吊装机具的改造及应用

钱惠杰，吴道凡，张 坤

中石化河南油建工程有限公司，河南南阳 473132

1 覆土罐室内钢制储罐概况

覆土罐室内钢制储罐有受环境温度影响较小、蒸发损耗小、延缓油品变质且对空隐蔽等优点，被广泛应用于国家战略物资储备油库。随着油品储量的不断增加，覆土罐室内钢制储罐容积日趋大型化。由于此类工程多为保密工程，导致行业间的技术交流相对较少。现依托国内某国储项目覆土库区扩建工程，对1 万m3覆土罐室内钢制储罐壁板吊装专用机具的改造及应用进行探究。

目前覆土罐室内钢制储罐主要结构形式如图1所示，储罐外壁距离混凝土罐室内壁有效间距仅为1 m，从而在室内储罐安装过程中，因室内空间受限，操作空间封闭，无法使用吊装设备，这给室内储罐安装工作带来较大困难。同时，因通风不畅，施工过程中如何保障施工人员的人身安全，满足HSE 管理标准要求，这也是施工组织需考虑的一个重要问题。

图1 覆土罐室内钢制储罐主要结构形式示意

目前覆土罐室内钢制储罐安装主要采用边柱倒装法施工工艺，采用手动葫芦、电动葫芦或液压顶升装置提升，其施工顺序一般为：罐底安装→罐顶安装→罐壁安装。与常规室外钢制储罐安装相比，其罐底、罐顶安装工艺基本一致，但在罐壁板安装过程中由于室外储罐安装可依托吊车进行围板、组对，而室内钢制储罐安装则因受空间限制，吊装机械无法使用，壁板围板的组对安装基本上是通过自制吊具进行的，存在工效低和安全隐患等问题。

2 覆土罐室内钢制储罐安装工艺和特点

覆土罐室内钢制储罐安装工艺主要有两种：边柱倒装液压顶升法、边柱倒装倒链提升法。

2.1 边柱倒装液压顶升法

边柱倒装液压顶升法的工序为[1]：罐板预制→底板铺设→底板焊接→壁板倒运→第一节壁板安装→子午线托圈定位机构安装→罐顶安装→液压装置就位→罐顶桅杆就位→罐壁安装→附件安装→充水试验→验收、移交。

其主要特点是：其一，采用倒装提升施工，改高处作业为地面作业，提高了施工的安全性；其二，改顶升施工方式为提升方式，使系统由受压变为受拉，增加了系统的稳定性；其三，由过去的机械式倒链提升机构改为液压提升机构，体积小，劳动强度低；其四，改连续提升为步进提升，提升高度理论上不受限制。

2.2 边柱倒装倒链提升法

边柱倒装倒链提升法的工序为[2]：罐板预制→罐底铺设→底板焊接→壁板倒运→包边角钢安装→罐顶安装→安装提升装置→罐壁安装→附件安装→充水试验→验收、移交。

其主要特点是：其一，倒装提升施工改高处作业为地面作业，确保了施工安全；其二，调整了包边角钢施工顺序，罐底施工完毕后，在边缘板上放线和点焊限位板，安装包边角钢，然后进行罐顶板施工，待罐顶和包边角钢焊接完毕后，整体起升，安装顶圈壁板；其三，储罐安装主要工作能够在地面进行，罐体椭圆度容易控制；其四，可加大预制深度减少受限环境内作业时长，所有安装所需材料均在罐外预制完毕减少罐内作业，罐顶安装前所有壁板倒运进罐，按照排版图及使用顺序贴混凝土罐内壁立直摆放。

3 储罐壁板常用吊装机具及存在的问题

在受限空间内的罐壁板吊装施工一般采用自制移动吊装支架专用机具。常用的自制吊装机具结构示意如图2 所示，该工装机具主要包括安装于罐底的卷扬机以及安装于罐顶的轴向移动支架、横担、吊装机构等。

图2 吊装机具结构示意

该机具结构简单，现场制作方便，但也存在以下问题：一是卷扬机行程较长，工效较低；二是移动支架结构在使用过程中壁板易摆动，存在脱落隐患；三是机具在罐顶周向移动为人工牵引，工效较低且存在安全隐患；四是吊装机具在移动过程中，横担容易摆动，影响罐壁吊装就位。

4 罐壁板吊装机具的改造

现有自制罐壁板吊装机具多采用卷扬机、人工牵引等方式，存在安全隐患，工作效率较低，劳动强度较大。需要针对现有吊装机具存在的主要问题进行改进，使吊装专用机具集遥控吊装、电动行走于一体，并在储罐安装工程中应用和完善，达到预期目标。本文依托实际工程对吊装机具结构从以下几个方面进行了功能设计和改造。

4.1 调整卷扬机安装位置并增加行走小车功能

将吊装移动支架结构进行改造，安装卷扬机、信号接收器、减速器等设备，匹配电气线路控制，使吊装移动支架具备遥控吊装、行走、支撑、移动于一体的功能。主要改造方案：

（1） 将卷扬机安装位置由罐底安装调整为安装在罐顶行走横担支架上，并对罐顶安装位置受力情况进行校核。

（2） 为吊装提升用卷扬机增加遥控功能，为便于壁板就位及操作，还需增加与该功能匹配的信号接收器及用电线路。

（3） 为移动支架增加遥控行走功能。对其结构进行设计、调整，以便于安装行走电机等设备，同时增加车轮、信号接收器及减速器，匹配相关用电线路。

改造后的行走小车整体结构布置和卷扬机位置调整方案见图3，罐顶吊装机具遥控装置配线见图4。

图3 罐顶遥控行走小车总体结构布置示意

图4 罐顶小车遥控装置配线

4.2 提升用卷扬机的选用与安装

在罐底安装卷扬机需要在罐顶进行开孔或预留钢丝绳进出套管，导致钢丝绳牵引过长，功率损耗较多，工效降低，同时增加了作业风险。为此，选择将罐底的卷扬机安装在罐顶横担钢管上的方式；为保证其稳定性，对卷扬机底座进行了加固处理。

根据现场实践经验，卷扬机提升速度选择7 ～12 m/min，并选用结构紧凑、体积小的机型；由于卷扬机需频繁启动和制动，因此必须保证吊装过程中能迅速刹车。卷扬机功率选择计算如下。

（1） 卷扬机传动装置的总效率：

式中：η1为联轴器传动效率；η2为滚动轴承效率；η3为闭合齿轮传动效率；η4为联轴器效率；η5为传动滚筒效率。

（2） 卷扬机工作所需的输入功率：

式中：Pd1为卷扬机提升速度为7 m/min 时所输入功率，kW；Pd2为卷扬机提升速度为12 m/min 时所输入功率，kW；F 为卷扬机所需牵引力，kN，因在该项目储罐安装中需要吊装的最重单块钢板的质量为1 876 kg，故F=1 876 kg×9.8 m/s2=18 385 N=18.385 kN；V1、V2为卷扬机提升速度，m/min。

根据上述计算结果，选择输入功率5 kW 以上的卷扬机能满足施工要求。结合以上分析和计算，为了安全考虑，选择YZR160L-6 型卷扬机，其主要参数如下：整机外形尺寸1 545 mm×1 290 mm×850 mm，质量为1 250 kg，功率为11 kW，转速为950 r/min，液压推杆制动器型号为YWZ-300/45，总传动比为152.49。

4.3 卷扬机配用钢丝绳校核

YZR160L-6 卷扬机使用的配套钢丝绳规格为6×37-21.5 mm，额定拉力50 kN，钢丝直径1.0 mm，额定速度9 m/min。对钢丝绳受力进行分析。

（1） 钢丝绳破断拉力：

式中：F0为钢丝绳破断拉力，kN；K′为钢丝绳的最小破断拉力系数，取值0.33；D 为钢丝绳直径，mm；R0为钢丝绳公称抗拉强度，取1 870 MPa。

（2） 钢丝绳许用拉力Fb：

Fb=F0/K=285/5.5 =51.8（kN） ＞18.385 kN（需吊装的最重单块钢板的重量）

式中：K 为传动安全系数，取值5.5。

经核算，YZR160L-6 卷扬机配套的钢丝绳可满足该项目储罐的安装要求。

4.4 周向行走小车改造

在覆土罐室内钢制储罐壁板的安装过程中，由于受空间制约，一般在罐顶安装周向行走小车，主要功能为支撑、行走、吊装。为提高工效及安全系数，对行走小车机构进行改造，在行走支架上增加驱动电机、变速器、遥控接收器等。罐顶遥控周向行走小车的结构示意见图5。

图5 罐顶遥控周向行走小车结构示意

（1） 周向行走小车轮胎角度调校。因行走小车放置在罐顶，其行走轨迹为周向圆形，若行走小车前后轮胎均安装成直线，不考虑偏差角度，在使用过程中行走小车会出现轮胎打滑现象，加剧轮胎的磨损。结合实践，对小车前后轮胎角度进行调校，将轮胎沿径向内偏3°，使轮胎在行程范围内与罐顶板的接触面较大，防止轮胎打滑，减缓轮胎磨损。

（2） 增加电机护板。罐壁板吊起后易产生摇摆，会造成行走小车的电机及齿轮损坏。为保护吊装机具，避免因罐顶板在吊装过程中摆动造成齿轮损坏，将吊装机具的传动链条置于外侧，并在电机侧加装护板，有效地保护了设备。

（3） 增加行走小车前后轮间距，加固横担，提高横担行走稳定性。行走小车前后移动操作，罐顶横担会出现晃动，为减少晃动，横担钢管需用DN150 管，并进行加固支撑。行走电机与减速器的连接采用链传动，将传动比控制在1∶3，可保证横担与行走小车在移动过程中的稳定性。

（4） 行走小车受力校核。

第一，最大均布荷载：

式中：W 为20#槽钢的截面模数，查《机械设计手册》取值178 cm3；b 为Q235B 碳素钢结构许用应力，取值14 000 N/cm2；L 为槽钢的有效长度，取值200 cm；G′为理论均布重量，2.577 N/cm。因此在200 cm 有效跨度内，小车能承受的最大重量为500.977×200=100 195.4（N）＞18 385 N。

第二，集中载荷Pj：

经过计算分析，行走小车在使用过程中最大承重小于集中载荷Pj和最大均布载荷G，故行走小车支撑结构安全可靠。为加强行走小车支撑结构的稳定性，在立杆两侧增加斜支撑，在槽钢之间增加竖向支撑（见图5）。

（5） 行走小车的安装就位。将罐顶遥控行走小车按图6 所示安装就位于罐顶，周向小车就位于距离罐顶板边缘2 m 处（环形筋板上方）。横担长度伸出罐壁200 mm，以便于罐壁吊装、围板。

图6 罐顶遥控行走小车实物

4.5 罐顶的稳定性校核

遥控行走小车安装在罐顶位置，在起重吊装过程中其受力全部作用于罐顶，为保证罐顶板在承受外力时的稳定性和不变形，需对罐顶板承压部位进行计算分析。

（1） 罐顶板折算厚度计算[5]：

式中：t1m、t2m为纬向肋/径向肋与顶板组合截面的折算厚度，mm；h1、h2为纬向肋/经向肋宽度，mm；b1、b2为纬向肋/经向肋有效厚度，mm；L1S、L2S为纬向肋/经向肋在经向/纬向的间距，mm；n1、n2为纬向肋/经向肋与顶板在经向/纬向的面积折算系数；e1、e2为纬向肋/经向肋与顶板在经向/纬向的组合截面形心到顶板中面的距离，mm；th为罐顶板的有效厚度，mm。

结合所依托项目的设计图纸得：

（2） 罐顶稳定性复核。查阅《机械手册》：E 为设计温度下钢材的弹性模量，206×103MPa；罐顶钢板材质为Q235B，罐顶折算厚度为24 mm。经ANSYS 软件网格建模分析得图7 ～10。

图7 罐顶载荷分布示意

图8 罐顶应力分布

图9 罐顶Y 向变形示意

图10 受载罐顶稳定性系数

从以上分析计算可知，当小车吊起重物后，罐顶最大应力为12.408 MPa，罐顶最大Y 向变形量为0.719 53 mm，安全系数为31.664，即在吊装行走小车受力作用下罐顶结构稳定，不会变形失稳。

4.6 施工期间安全防护措施

（1） 对改造后罐顶遥控行走小车的结构强度、提升能力、点动刹车、遥控性能等进行检查，确认其完好、安全、性能满足要求后方可投入使用。

（2） 储罐安装作业都在混凝土罐室内进行，采光不好，通风不佳，应设置好照明设施。为保证施工作业安全，应在储罐外侧罐壁均布安装12 个50 W LED 防爆灯，在储罐内侧均布安装6 个100 W LED 防爆灯，要求均使用36 V 以下安全电压。

（3） 应设置通风排尘设施，在罐内底板均布4 台3 kW 的轴流风机，在混凝土罐室顶部安装4台5 kW 的轴流风机强制抽风，确保施工作业人员处于一个安全的施工环境中。

（4） 确保提升用卷扬机接线与安装满足要求：电源接通前，应检查临时用电设施及接地线良好情况,以防触电事故；钢丝绳应从卷筒下方绕入卷扬机，以保证卷扬机的稳定；钢丝绳不许打结、扭挠，并应使钢丝绳绕入卷筒的方向在卷筒中部与卷筒轴线垂直，以保证卷扬机受力对称，严禁超载使用。

5 应用效果

6 台1 万m3覆土罐室内钢制储罐的安装证明，该吊装机具使用方便，操控灵活，安全可靠。安装效率与同工程使用的2 台传统施工机具安装相比，每圈壁板吊装所要时间节省了一倍，而且罐板的提升吊装和小车移动都可以在地面位置精准遥控操作，施工作业人员安全得到了保证，储罐组装整体安装工效提高至原来的1.22 倍，缩短了施工工期，节省了施工成本，有效降低了受限空间内储罐安装作业的安全风险，对今后安装此类覆土储罐有非常好的借鉴作用。

6 结束语

针对覆土罐室内钢制储罐安装工作中存在的无法依托施工机械设备等问题，本文介绍了一种覆土罐室内钢制储罐壁板吊装机具的改造制作方案及应用情况。在项目应用验证的基础上，改造了一种用于覆土罐室内钢制储罐安装的罐顶遥控行走吊装专用机具，并在6 台1 万m3覆土储罐上成功应用，在显著提高作业工效的同时，节省了施工成本，有效降低了受限空间内储罐安装作业的安全风险，解决了覆土罐室内钢制储罐安装无适用吊装机具的问题，该工装机具在同类项目施工中具有推广应用价值。