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橡膠膜密封煤氣柜工程技術的論文
0 引言
轉爐煉鋼產生的煤氣波動大、溫度高（ 72℃） 、含塵量大（ 標態下 100mg/m3） ,直接排放到大氣中會造成嚴重空氣污染且浪費大量資源，因此建造煤氣產銷量不平衡轉換設備成為行業發展的重要一環。橡膠膜密封煤氣柜具有單位時間內吞吐氣量大、維護簡便、密封效果好等優點，滿足了轉爐煉鋼生產周期短、短時間產氣量大的特點，較好地解決了煉鋼生產對環境的污染和資源浪費問題。
橡膠膜密封煤氣柜采用合成橡膠膜密封，柜體基本結構是由鋼制球面拱形底板及活塞板、立柱及側板、外側抗風桁架、球面拱形柜頂及調平裝置、密封裝置構成的一個薄殼圓柱形幾何體。轉爐煤氣含有大量 CO,毒性很大，在儲存、運輸、使用過程中必須嚴防泄露，如泄露將造成非常嚴重的安全事故，因此對煤氣柜建造精度要求很高，其建造質量的好壞直接影響了結構使用年限和使用安全。
1 工程概況
橡膠膜密封型煤氣柜早期代表柜型為美國人威金斯發明的威金斯型煤氣柜，過去也稱之為布簾式煤氣柜。我國在 1985 年后自主開發了 3 萬，5萬，8 萬，15 萬 m3型橡膠膜型煤氣柜，其中 8 萬 m3應用最為廣泛。以某公司 8 萬 m3橡膠膜密封型煤氣柜為例，柜體由底板、立柱、環梁、側板、柜頂板、活塞、T 形擋板、調平裝置、密封裝置、柜身平臺等組成，氣柜總高 50m、活塞最大行程 30. 704m、氣柜側板內徑 58. 00m、側板高 39. 07m.
2 工程特點及難點
1） 側板、底板、頂板、活塞板均由以 3. 2,4. 5mm厚鋼板為主的薄板搭接焊接組合而成，焊接面積非常大，如圖 1 所示。以內徑 57 500mm、跨中矢高7 705mm的球面結構的柜頂板為例，除外圈環板采用厚4. 5mm鋼板外，其余均用 3. 2mm 厚鋼板拼接組合而成，組合面積達 3 000mm2.大面積薄板焊接存在焊接變形大、焊接收縮量不易控制的施工難題，若不采取合理焊接措施局部起拱變形可達 300mm,影響使用。
2） 在橡膠膜密封煤氣柜柜體結構中，需要加工成弧形的構件非常多，經測算1 座8 萬 m3橡膠膜密封型煤氣柜所含弧形構件總長度近 1 500m,工程量約 270 余 t,占整個煤氣柜總質量的 20%.如側板加勁肋、抗風桁架等部位，這些構件以角鋼為主，彎曲弧度大小不一，加工成弧形耗時長、輔材消耗量大，且彎制弧度的精度很難保證。
3） 煤氣柜鋼柱由基柱與立柱進行空中組裝而成，安裝層數多、精度要求高，立柱垂直度的控制是施工難點也是重點。
4） 煤氣柜立柱的頂柱在與柜頂提升相結合時，其結構安全性不能保證。
5） 采用倒鏈或普通液壓設備提升柜頂結構時，提升進程很難同步，極易造成局部承重超載，甚至因柜頂失控墜落釀成傷亡事故。
6） 氣柜總高 50 000mm,施工時高空作業非常多也是煤氣柜施工的特點。同時，橡膠膜密封式煤氣柜的施工還存在很多弊端，如單根柜頂梁安裝時需頻繁定位且常常發生不同程度的歪斜、因視野受限控制測設過程繁瑣、非球面結構定位精度差等。
3 煤氣柜施工關鍵技術
3. 1 視野受限條件下控制網測設技術措施。
1） 橡膠膜密封煤氣柜作為鋼鐵工業生產中的轉換設備，其施工時周圍的建（ 構） 筑物往往均已形成，導致控制網測設視野受限的問題時有發生。
2） 不通視條件下，傳統做法是引測更高等級的控制點，重新布設施工控制網，然后再依據新的施工控制網復測煤氣柜柜體中心。重新布設控制網不能保證煤氣柜中心測設依據的連貫性和統一性，容易出現因測設起始點變化而造成的系統性偏差，從經濟角度看重新布設控制網相當于額外地增加測量工作量，耗費人工、材料，效率低下。
3） 采用余弦定理解三角形法進行橡膠膜密封煤氣柜中心控制點測設或復測可很好地解決以上問題，如圖 2 所示。
4） 通過把不通視的兩點坐標引測出來，解決了兩控制點之間不能通視的問題，同時保證了整個橡膠膜密封煤氣柜整體測設依據的連貫性和統一性，減少了重復工作，提高了工作效率，控制網的測量精度也更高。
5） 側板放散管孔需在圓柱形側板面上定位，使用傳統的測量工具很難完成立面到平面的引線工作。
可以通過制作引線器，利用引線器將立面引到平面。
3. 2 柜底板焊接后平整度控制。
1） 某 8 萬 m3煤氣柜底板是由4. 5mm 厚薄板搭接焊接而成的球面拱形，投影直徑 51 722mm,矢高2 250mm,搭接最小長度為 25mm,焊后平面度要求2m 范圍內≤60mm.施工中必須采取合理的裝配、焊接順序，以減小薄板焊接收縮應力，避免柜底板變形、起拱。
2） 針對煤氣柜底板特點，在對煤氣柜底板進行焊接時采取分片局部焊接、整體拼接的方法，以減小變形。首先按布置形式將柜底板分為中部板和周邊環板，再針對中部板和環板的特點確定焊接順序，合理選擇焊接參數，控制焊接變形。
3） 中部板的焊接采用 X 形焊接方法： 留下 X 形不進行焊接，先定位焊再正式焊，先橫向短焊縫后再縱向長焊縫。焊接時從中心部分的橫向焊縫開始（ 中心板不進行定位焊接） ,分區域同時向周邊推進，距 3 塊板搭接部位的端部，不進行焊接，同時 3塊板重疊處的最上層板應進行切角。
4） 最外圈柜底環板（ 第 3 帶外環板） 與側板之間雙面角焊縫連接，控制不當會導致底板變形上拱，離地可達幾百毫米。為避免側板和柜底板間環焊縫的焊接變形與柜底板主體焊接變形造成累積誤差，將柜底板分成 2 部分： ①和煤氣柜側板直接連接的最外圈柜底環板； ②不與煤氣柜側板連接的中部板和第 2,3 帶外環板。先焊圓周第 2,3 帶外環板的縱向焊縫，再進行各個相互搭接縫和環狀板預留焊縫的焊接。
3. 3 制作弧形構件 加 工裝置解決 弧 形 構 件 加 工難題。
1） 在橡膠膜密封煤氣柜柜體結構中，所要用到的彎曲角鋼非常多，且角鋼的彎曲弧度并不一致，這給角鋼的制作帶來了極大困難。
2） 以往角鋼的煨制首先要在操作平臺上焊上固定擋板，然后將角鋼固定后，再配合千斤頂、火焰烘烤將構件煨制成所需弧度。此方法完全依靠人工煨制，耗時耗力，而且在大錘敲擊下，角鋼難免會出現局部變形的情況，難以達到煨制弧度精度要求。而且隨著煤氣柜所需煨制角鋼量越來越大，操作平臺上的固定擋板需要不斷重新確定，重復性操作多，輔材用料大。
3） 自制彎制臺架，施工時將角鋼從臺架一端開槽處穿入，然后用千斤頂上部頂住角鋼開始彎制，待角鋼上面頂到定位桿時，停止千斤頂操作并保持1min.然后千斤頂卸載，移動角鋼按上述操作繼續進行彎制，直至整根角鋼彎制完畢。臺架的規格和尺寸根據需彎制角鋼的大小、弧度確定，能夠有效解決弧形構件加工難題，減少輔材消耗，加快施工進度、提高生產效率。
3. 4 采用雙排柜頂梁同時吊裝，減少施工工序。
1） 柜頂梁起拱最高處距離活塞板 5. 8m,空間定位和吊裝就位施工存在很多不便。
2） 傳統柜頂梁安裝采用單根測量定位后再吊裝單根梁就位，就位后常因未形成空間穩定結構而發生失穩。
3） 改變傳統做法，選擇雙排柜頂梁同時吊裝。
首先，需要在活塞板上根據柜頂梁的間距搭好臺架，將彎制好的柜頂梁用塔式起重機吊入柜內，在臺架上拼接好，雙排柜頂梁之間焊上角鋼，以固定相對位置。柜頂梁十字搭設完畢后，利用塔式起重機將雙排柜頂梁同時吊起，焊接就位。施工時，因為柜頂梁相對位置已經固定，不必再重復測量放線，很大程度上節省了工期和人力。
3. 5 通過 BIM 參數模型對立柱進行結構優化分析、模擬安裝。
1） 經方案對比，柜頂結構采用整體提升方式最為合理，即在柜體形成后以立柱為支撐進行提升安裝。
2） 以立柱為支撐點的傳統做法分為 2 種： ①方法 1 在多根立柱上焊接吊點，安裝倒鏈后通過多點提升進行柜頂結構安裝，此方法立柱未進行安全改造與驗算只是簡單地加設了安裝吊點。①方法 2柜頂結構立柱上設置提升平臺，提升平臺結構為剛性柱，柱頂焊接懸挑牛腿。此種提升平臺結構柱與柜頂立柱的連接形式是剛接，提升荷載引起的彎矩將傳遞至柜頂立柱上。采用這 2 種方法施工時，立柱在吊裝過程中受力不平衡很容易發生單根鋼柱變形超差甚至彎折、個別倒鏈斷裂、柜頂結構傾覆等安全事故，必須進行安全改造。
3） 經模型分析，方法 1 無法通過安全驗算，不應使用； 方法 2 存在不足應進行安全技術改造。
4） 通過 BIM 參數模型對立柱進行結構優化分析，對原提升平臺做局部改造，減小平臺柱根部的彎矩，簡化了平臺柱根部的連接形式。充分利用煤氣柜的立柱結構，對立柱進行安全改造。在提升平臺頂端設置斜向拉桿，拉桿根部與抗風柱桁架焊接，通過拉桿的軸力改善平臺柱根部的彎矩，以滿足軋制 H200 型鋼的截面要求。
5） 經 測算 原 提 升 平 臺 結構的 柜 頂 彎 矩 97. 9kN·m,改造后柜頂彎矩為 20. 86kN·m,彎矩減小為原結構的 21. 3%.柜頂柱的截面為軋制 H200 ×200× 8 × 12,材質 Q235B.柜頂節點強度為 73MPa,為改造前結構強度的 41%,安全系數大大增加。圖 3為立柱改造前后受力對比示意。
6） 通過對原結構的改造，提升平臺柱的受力大大改善，按等強原則設計，平臺柱頂以下 1/4 部分需做貼板加固，其余 3/4 部分無需加固，減小了臨時措施量，提升平臺的臨時措施量減小約 25%,也不存在穿透平臺板的問題，柜頂柱節點應力大大減小。 3. 6 改變傳統倒鏈提升柜頂的方法，采用先進液壓方式同步提升。
1） 某煤氣柜由 30 根立柱組成，立柱為截面高度 200mm 的 H 型鋼，柜頂結構組裝后總重約 180t,提升至柜頂其行程達 38. 700m.
2） 根據該煤氣柜的外形及立柱設置特點，在柜頂外圍設置 15 個提升吊點，對立柱進行安全改造后液壓提升。
3） 采用液壓提升器作為提升機具，柔性鋼絞線作為承重索具。液壓提升器為穿芯式結構，以鋼絞線作為提升索具，具有安全、可靠、承重件自重輕、運輸安裝方便、中間不必鑲接等一系列獨特優點。
4） 液壓提升器兩端的楔形錨具具有單向自鎖作用。當錨具工作（ 緊） 時，會自動鎖緊鋼絞線； 錨具不工作（ 松） 時，松開鋼絞線，鋼絞線可上下活動。
5） 液壓提升過程包括 2 個： ①上升過程 上錨緊→伸缸拔下錨→下錨緊→非同步縮缸。②下降過程 下錨緊→縮缸拔上錨→非同步伸缸→上錨緊→伸缸拔下錨→同步縮缸。一個流程為液壓提升器一個行程。當液壓提升器周期重復動作時，被提升重物則一步步向上提升。
6） 同步控制系統由計算機、動力源模塊、測量反饋模塊、傳感模塊和相應的配套軟件組成，通過CAN 串行通信協議傳遞數據。本控制系統具有穩定可靠，高精度特點。采用雙控原則，即位移控制和壓力控制，可滿足同步提升的精度要求。
7） 采用本方法進行柜頂提升安全系數大為提高，施工工期縮短，僅 6h 即可將柜頂結構提升就位（ 不含試吊時間） .
4 結語
橡膠膜密封型煤氣柜施工關鍵技術是從橡膠膜密封煤氣柜傳統施工方式的弊端出發，通過實際生產中的探索與實踐，改進施工生產方式，研究出多項更加實用和先進的新工藝、新技術。橡膠膜密封煤氣柜施工關鍵技術保證了橡膠膜密封煤氣柜安裝的精確度，改進了煤氣柜立柱垂直測量方式，設計出安全可靠，且更利于柜頂結構進行液壓提升的柱頭形式，形成了一套較為完整和先進的橡膠膜密封煤氣柜成套建造技術。
該技術在實際工作中已通過宣鋼、軋三、青鋼等多個煤氣柜項目上的檢驗，且宣鋼、軋三項目均已順利運行 2 年以上，施工質量達到設計預訂目標，也為建設方取得了較好的經濟效益和社會效益。
這證明該關鍵技術成功改進了傳統施工技術，增加了安全性，創造了很好的社會效益和經濟效益，推廣、應用前景非常廣闊。
參考文獻：
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