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橡胶膜密封煤气柜工程技术的论文
0 引言
转炉炼钢产生的煤气波动大、温度高（ 72℃） 、含尘量大（ 标态下 100mg/m3） ,直接排放到大气中会造成严重空气污染且浪费大量资源，因此建造煤气产销量不平衡转换设备成为行业发展的重要一环。橡胶膜密封煤气柜具有单位时间内吞吐气量大、维护简便、密封效果好等优点，满足了转炉炼钢生产周期短、短时间产气量大的特点，较好地解决了炼钢生产对环境的污染和资源浪费问题。
橡胶膜密封煤气柜采用合成橡胶膜密封，柜体基本结构是由钢制球面拱形底板及活塞板、立柱及侧板、外侧抗风桁架、球面拱形柜顶及调平装置、密封装置构成的一个薄壳圆柱形几何体。转炉煤气含有大量 CO,毒性很大，在储存、运输、使用过程中必须严防泄露，如泄露将造成非常严重的安全事故，因此对煤气柜建造精度要求很高，其建造质量的好坏直接影响了结构使用年限和使用安全。
1 工程概况
橡胶膜密封型煤气柜早期代表柜型为美国人威金斯发明的威金斯型煤气柜，过去也称之为布帘式煤气柜。我国在 1985 年后自主开发了 3 万，5万，8 万，15 万 m3型橡胶膜型煤气柜，其中 8 万 m3应用最为广泛。以某公司 8 万 m3橡胶膜密封型煤气柜为例，柜体由底板、立柱、环梁、侧板、柜顶板、活塞、T 形挡板、调平装置、密封装置、柜身平台等组成，气柜总高 50m、活塞最大行程 30. 704m、气柜侧板内径 58. 00m、侧板高 39. 07m.
2 工程特点及难点
1） 侧板、底板、顶板、活塞板均由以 3. 2,4. 5mm厚钢板为主的薄板搭接焊接组合而成，焊接面积非常大，如图 1 所示。以内径 57 500mm、跨中矢高7 705mm的球面结构的柜顶板为例，除外圈环板采用厚4. 5mm钢板外，其余均用 3. 2mm 厚钢板拼接组合而成，组合面积达 3 000mm2.大面积薄板焊接存在焊接变形大、焊接收缩量不易控制的施工难题，若不采取合理焊接措施局部起拱变形可达 300mm,影响使用。
2） 在橡胶膜密封煤气柜柜体结构中，需要加工成弧形的构件非常多，经测算1 座8 万 m3橡胶膜密封型煤气柜所含弧形构件总长度近 1 500m,工程量约 270 余 t,占整个煤气柜总质量的 20%.如侧板加劲肋、抗风桁架等部位，这些构件以角钢为主，弯曲弧度大小不一，加工成弧形耗时长、辅材消耗量大，且弯制弧度的精度很难保证。
3） 煤气柜钢柱由基柱与立柱进行空中组装而成，安装层数多、精度要求高，立柱垂直度的控制是施工难点也是重点。
4） 煤气柜立柱的顶柱在与柜顶提升相结合时，其结构安全性不能保证。
5） 采用倒链或普通液压设备提升柜顶结构时，提升进程很难同步，极易造成局部承重超载，甚至因柜顶失控坠落酿成伤亡事故。
6） 气柜总高 50 000mm,施工时高空作业非常多也是煤气柜施工的特点。同时，橡胶膜密封式煤气柜的施工还存在很多弊端，如单根柜顶梁安装时需频繁定位且常常发生不同程度的歪斜、因视野受限控制测设过程繁琐、非球面结构定位精度差等。
3 煤气柜施工关键技术
3. 1 视野受限条件下控制网测设技术措施。
1） 橡胶膜密封煤气柜作为钢铁工业生产中的转换设备，其施工时周围的建（ 构） 筑物往往均已形成，导致控制网测设视野受限的问题时有发生。
2） 不通视条件下，传统做法是引测更高等级的控制点，重新布设施工控制网，然后再依据新的施工控制网复测煤气柜柜体中心。重新布设控制网不能保证煤气柜中心测设依据的连贯性和统一性，容易出现因测设起始点变化而造成的系统性偏差，从经济角度看重新布设控制网相当于额外地增加测量工作量，耗费人工、材料，效率低下。
3） 采用余弦定理解三角形法进行橡胶膜密封煤气柜中心控制点测设或复测可很好地解决以上问题，如图 2 所示。
4） 通过把不通视的两点坐标引测出来，解决了两控制点之间不能通视的问题，同时保证了整个橡胶膜密封煤气柜整体测设依据的连贯性和统一性，减少了重复工作，提高了工作效率，控制网的测量精度也更高。
5） 侧板放散管孔需在圆柱形侧板面上定位，使用传统的测量工具很难完成立面到平面的引线工作。
可以通过制作引线器，利用引线器将立面引到平面。
3. 2 柜底板焊接后平整度控制。
1） 某 8 万 m3煤气柜底板是由4. 5mm 厚薄板搭接焊接而成的球面拱形，投影直径 51 722mm,矢高2 250mm,搭接最小长度为 25mm,焊后平面度要求2m 范围内≤60mm.施工中必须采取合理的装配、焊接顺序，以减小薄板焊接收缩应力，避免柜底板变形、起拱。
2） 针对煤气柜底板特点，在对煤气柜底板进行焊接时采取分片局部焊接、整体拼接的方法，以减小变形。首先按布置形式将柜底板分为中部板和周边环板，再针对中部板和环板的特点确定焊接顺序，合理选择焊接参数，控制焊接变形。
3） 中部板的焊接采用 X 形焊接方法： 留下 X 形不进行焊接，先定位焊再正式焊，先横向短焊缝后再纵向长焊缝。焊接时从中心部分的横向焊缝开始（ 中心板不进行定位焊接） ,分区域同时向周边推进，距 3 块板搭接部位的端部，不进行焊接，同时 3块板重叠处的最上层板应进行切角。
4） 最外圈柜底环板（ 第 3 带外环板） 与侧板之间双面角焊缝连接，控制不当会导致底板变形上拱，离地可达几百毫米。为避免侧板和柜底板间环焊缝的焊接变形与柜底板主体焊接变形造成累积误差，将柜底板分成 2 部分： ①和煤气柜侧板直接连接的最外圈柜底环板； ②不与煤气柜侧板连接的中部板和第 2,3 带外环板。先焊圆周第 2,3 带外环板的纵向焊缝，再进行各个相互搭接缝和环状板预留焊缝的焊接。
3. 3 制作弧形构件 加 工装置解决 弧 形 构 件 加 工难题。
1） 在橡胶膜密封煤气柜柜体结构中，所要用到的弯曲角钢非常多，且角钢的弯曲弧度并不一致，这给角钢的制作带来了极大困难。
2） 以往角钢的煨制首先要在操作平台上焊上固定挡板，然后将角钢固定后，再配合千斤顶、火焰烘烤将构件煨制成所需弧度。此方法完全依靠人工煨制，耗时耗力，而且在大锤敲击下，角钢难免会出现局部变形的情况，难以达到煨制弧度精度要求。而且随着煤气柜所需煨制角钢量越来越大，操作平台上的固定挡板需要不断重新确定，重复性操作多，辅材用料大。
3） 自制弯制台架，施工时将角钢从台架一端开槽处穿入，然后用千斤顶上部顶住角钢开始弯制，待角钢上面顶到定位杆时，停止千斤顶操作并保持1min.然后千斤顶卸载，移动角钢按上述操作继续进行弯制，直至整根角钢弯制完毕。台架的规格和尺寸根据需弯制角钢的大小、弧度确定，能够有效解决弧形构件加工难题，减少辅材消耗，加快施工进度、提高生产效率。
3. 4 采用双排柜顶梁同时吊装，减少施工工序。
1） 柜顶梁起拱最高处距离活塞板 5. 8m,空间定位和吊装就位施工存在很多不便。
2） 传统柜顶梁安装采用单根测量定位后再吊装单根梁就位，就位后常因未形成空间稳定结构而发生失稳。
3） 改变传统做法，选择双排柜顶梁同时吊装。
首先，需要在活塞板上根据柜顶梁的间距搭好台架，将弯制好的柜顶梁用塔式起重机吊入柜内，在台架上拼接好，双排柜顶梁之间焊上角钢，以固定相对位置。柜顶梁十字搭设完毕后，利用塔式起重机将双排柜顶梁同时吊起，焊接就位。施工时，因为柜顶梁相对位置已经固定，不必再重复测量放线，很大程度上节省了工期和人力。
3. 5 通过 BIM 参数模型对立柱进行结构优化分析、模拟安装。
1） 经方案对比，柜顶结构采用整体提升方式最为合理，即在柜体形成后以立柱为支撑进行提升安装。
2） 以立柱为支撑点的传统做法分为 2 种： ①方法 1 在多根立柱上焊接吊点，安装倒链后通过多点提升进行柜顶结构安装，此方法立柱未进行安全改造与验算只是简单地加设了安装吊点。①方法 2柜顶结构立柱上设置提升平台，提升平台结构为刚性柱，柱顶焊接悬挑牛腿。此种提升平台结构柱与柜顶立柱的连接形式是刚接，提升荷载引起的弯矩将传递至柜顶立柱上。采用这 2 种方法施工时，立柱在吊装过程中受力不平衡很容易发生单根钢柱变形超差甚至弯折、个别倒链断裂、柜顶结构倾覆等安全事故，必须进行安全改造。
3） 经模型分析，方法 1 无法通过安全验算，不应使用； 方法 2 存在不足应进行安全技术改造。
4） 通过 BIM 参数模型对立柱进行结构优化分析，对原提升平台做局部改造，减小平台柱根部的弯矩，简化了平台柱根部的连接形式。充分利用煤气柜的立柱结构，对立柱进行安全改造。在提升平台顶端设置斜向拉杆，拉杆根部与抗风柱桁架焊接，通过拉杆的轴力改善平台柱根部的弯矩，以满足轧制 H200 型钢的截面要求。
5） 经 测算 原 提 升 平 台 结构的 柜 顶 弯 矩 97. 9kN·m,改造后柜顶弯矩为 20. 86kN·m,弯矩减小为原结构的 21. 3%.柜顶柱的截面为轧制 H200 ×200× 8 × 12,材质 Q235B.柜顶节点强度为 73MPa,为改造前结构强度的 41%,安全系数大大增加。图 3为立柱改造前后受力对比示意。
6） 通过对原结构的改造，提升平台柱的受力大大改善，按等强原则设计，平台柱顶以下 1/4 部分需做贴板加固，其余 3/4 部分无需加固，减小了临时措施量，提升平台的临时措施量减小约 25%,也不存在穿透平台板的问题，柜顶柱节点应力大大减小。 3. 6 改变传统倒链提升柜顶的方法，采用先进液压方式同步提升。
1） 某煤气柜由 30 根立柱组成，立柱为截面高度 200mm 的 H 型钢，柜顶结构组装后总重约 180t,提升至柜顶其行程达 38. 700m.
2） 根据该煤气柜的外形及立柱设置特点，在柜顶外围设置 15 个提升吊点，对立柱进行安全改造后液压提升。
3） 采用液压提升器作为提升机具，柔性钢绞线作为承重索具。液压提升器为穿芯式结构，以钢绞线作为提升索具，具有安全、可靠、承重件自重轻、运输安装方便、中间不必镶接等一系列独特优点。
4） 液压提升器两端的楔形锚具具有单向自锁作用。当锚具工作（ 紧） 时，会自动锁紧钢绞线； 锚具不工作（ 松） 时，松开钢绞线，钢绞线可上下活动。
5） 液压提升过程包括 2 个： ①上升过程 上锚紧→伸缸拔下锚→下锚紧→非同步缩缸。②下降过程 下锚紧→缩缸拔上锚→非同步伸缸→上锚紧→伸缸拔下锚→同步缩缸。一个流程为液压提升器一个行程。当液压提升器周期重复动作时，被提升重物则一步步向上提升。
6） 同步控制系统由计算机、动力源模块、测量反馈模块、传感模块和相应的配套软件组成，通过CAN 串行通信协议传递数据。本控制系统具有稳定可靠，高精度特点。采用双控原则，即位移控制和压力控制，可满足同步提升的精度要求。
7） 采用本方法进行柜顶提升安全系数大为提高，施工工期缩短，仅 6h 即可将柜顶结构提升就位（ 不含试吊时间） .
4 结语
橡胶膜密封型煤气柜施工关键技术是从橡胶膜密封煤气柜传统施工方式的弊端出发，通过实际生产中的探索与实践，改进施工生产方式，研究出多项更加实用和先进的新工艺、新技术。橡胶膜密封煤气柜施工关键技术保证了橡胶膜密封煤气柜安装的精确度，改进了煤气柜立柱垂直测量方式，设计出安全可靠，且更利于柜顶结构进行液压提升的柱头形式，形成了一套较为完整和先进的橡胶膜密封煤气柜成套建造技术。
该技术在实际工作中已通过宣钢、轧三、青钢等多个煤气柜项目上的检验，且宣钢、轧三项目均已顺利运行 2 年以上，施工质量达到设计预订目标，也为建设方取得了较好的经济效益和社会效益。
这证明该关键技术成功改进了传统施工技术，增加了安全性，创造了很好的社会效益和经济效益，推广、应用前景非常广阔。
参考文献：
[1] 谷中秀。 橡胶膜型干式煤气柜[M]. 北京： 冶金工业出版社，2010.
[2] 煤气柜工程施工及验收规范： YB4410-2014[S]. 北京： 冶金出版社，2014.
[3] 北京钢铁设计研究总院。 钢结构设计规范： GB50017-2003[S]. 北京： 中国计划出版社，2003.
[4] 冶金工业部建筑研究总院。 钢结构工程施工质量验收规范：GB50205-2001[S]. 北京： 中国计划出版社，2002.
[5] 中冶建筑研究总院有限公司。 钢结构焊接规范： GB50661-2011[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2011.
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