大型储罐网壳倒装法施工工艺

王宏强

中石化第四建设有限公司 天津 300270

随着石化工业的不断发展，我国大型储罐正向大型化、群罐化发展，近年来在大型储罐的施工中，先进的施工工艺备受重视。大型拱顶储罐的建造要同时考虑储罐主体和网壳施工方法。本文依据中安联合煤化工有限责任公司5万m3金属拱顶储罐建设的成功经验，探讨大型拱顶储罐的储罐主体正装和网壳倒装相结合的施工方法。

1 工程简况

中安联合煤化有限责任公司煤制 170万t/a甲醇及转化烯烃项目高盐水暂存罐区安装工程共有8台5万m3高盐水储罐，储罐都为拱顶网壳结构，储存介质为高浓度盐水，外罐材质为Q370R+Q345R+Q235B。储罐正装无论从进度、质量均可保证，但拱顶网壳要在壁板安装结束后才可采取倒装法施工，因此本文从网壳倒装出发论述网壳倒装施工的工艺。

2 网壳倒装施工工艺

网壳倒装施工流程示意图如图1所示。

2.1 双向子午线钢网壳安装

图1 网壳倒装施工流程示意图

2.1 .1网壳组对安装准备

（1）罐主体完成3圈罐壁板的安装后进行网壳的低位安装，同时需为上网杆在罐外地面组对留出足够场地，用此施工方法有利于施工质量和施工安全的控制，并具有网壳安装时间短、吊车台班费用低等优点（25t吊车即可满足网壳安装）。如果罐主体完成所有罐壁板的安装后再进行网壳的低位安装，同时也需为上网杆在罐外地面组对留出足够场地，这会给网壳的安装增加很大难度，不利于施工安全和质量的控制，而且网壳安装周期长，吊车吨位需加大（至少50t以上的吊车），此时单台网壳的安装费用比3圈罐壁板时安装网壳费用增加60%左右。

（2）网壳组对在罐底板0.5～1m左右高度进行施工。

（3）由网壳安装单位与设计人员商定网壳平面坐标轴的走向，并在罐底板与罐壁上作出相应标记。

（4）根据网壳安装要领书节点，在罐底板上标出安装时各个支撑点的平面位置，安装临时支撑杆。

（5）下网壳材料沿罐顶位置吊入罐内；摆放在罐底板上的网杆材料必须分散开，均匀受力。

（6）对双向子午线网壳进行低位置组焊。

2.1.2 网壳网杆安装

为了保证下层网杆的安装和起拱高度，在安装下层网杆之前，应以X轴与Z轴的交点为中心，对称临时设置约41根竖向支撑杆，在X轴线方向固定，垂直方向用经纬仪或线坠进行找正，90°方向(Z向)用两根斜杆支撑牢固，支撑杆下端还要加垫板与单盘板点焊牢固。支点的Y向坐标允差为±10mm，X向及Z向坐标允差为±25mm。

然后对边节点和上、下网杆进行安装和防腐修补：

（1）照给出的各边节点的弧长值，在罐壁上作各边节点垂线，长度为500mm；再用水准仪或水平管找出X、Z轴水平基准面，与等分垂线交成十字线，十字的中点就是连接件的交点位置；然后分别将A、B、C、D各连接件按编号点焊在位置上，同时检查通过中心的两只连接件是否完全一样。

（2）地面拼接所有X向、Z向的接长网杆，且按焊接要求焊接完成。

（3）X向的第一根网杆着落在中间支撑杆上，测量各节点的Y值应为该节点的Y+DY值，差值允许±10mm；41根都测量合格后，将网杆两端边节点与罐壁板分段焊接。

（4）分别使X方向第二根、第三根长网杆以Z轴为对称，两边安装；然后安装Z轴方向的第一根长网杆，节点1与X方向的长网杆节点1重合，依次的节点位置必须重合点焊固定，两端点也要与边节点连接件点焊固定。分别用同样的方法，以X轴线为对称轴线两边对称安装点焊。

（5）网杆的安装严禁强力组装。

（6）网壳的焊缝及油漆破坏部位用钢丝刷进行手工除锈清理。清理完毕后，按防腐施工要求对破坏部位进行修补，修复后的总漆膜厚度应符合技术协议要求。

2.1.3 蒙皮板安装

（1）蒙皮安装前，组焊完毕的网壳结构的节点坐标应符合要求；

（2）蒙皮对储罐起密封及传递荷载的作用，因此蒙皮必须使用平整的钢板；罐顶蒙皮板采取“人”字形排板，从罐顶中部开始,沿着与X轴和Z轴45°角的方向铺设；

（3）相邻蒙皮板之间的搭接宽度不应小于5倍板厚；

（4）蒙皮板焊接后的表面凹凸度，用弦长不小于2m的样板测量，相邻网杆间的最大凹陷量不应超过25mm；

（5）罐顶开孔必须避开网杆所在位置；

（6）蒙皮在网壳吊装前仅铺设十字中心部分，其余部分在网壳提升吊装与锥板焊接完成后铺设。

2.1.4 锥板安装

（1）顶圈罐壁验收应在锥板组焊之前，并要对储罐最上圈罐壁上口进行水平度测量，要求如下：沿圆周每10m弧长上任意两点的水平允许偏差为2mm，整个圆周上任意两点的水平允许偏差为6mm；储罐罐壁上口任意点的半径允许偏差值±25mm。

（2）锥板安装要求：安装锥板前应安装支持板，D=60m储罐支持板圆周等分，严格控制支持板角度呈40°的斜度，确保焊后的锥形板角度不小于36.03°；边环梁安装前先在边环梁的内表面上画出与罐壁外壁组装的弧线，且在壁板上预先划好锥形板的位置线，组装时罐壁外壁必须根据弧线走向，以保证储罐筒体的圆度；边环梁对接接头与顶圈罐壁纵向焊缝之间的距离不得小于200mm；边环梁组焊后的仰角允许偏差为0～1°；将锥形板逐张地吊在内外支持板上，接口处用锁具固定好；锥板组焊后用储罐罐壁的样板检查储罐筒体的圆度，必须保证储罐筒体的圆度符合规范要求。

2.2 焊接

2.2.1 锥板的焊接

（1）锥板的自身对接焊缝应采用全熔合、全焊透的等强度接头，并采用与材质及板厚相匹配的焊接材料与焊接工艺；

（2）锥形板与壁板的焊接用直流焊机均分焊接，沿同方向同时焊接；锥板与罐壁板之间采用双面连续角焊，焊脚高度为焊件中较薄件的厚度,应避免锥板与罐壁之间的夹角变形超标；

（3）锥板焊接完毕后，拆除支撑锥板支持板，打磨壁板内、外焊疤与罐壁齐平；

（4）网壳之间的搭接角焊缝和边环梁之间的对接焊缝应按现行GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》中的3级焊缝进行检验。

2.2.2 网杆、边节点连接件的焊接

（1）同一条子午线上的网杆现场拼接采用连接板夹持等强度形式连接；

（2）网杆的杆端与连接板、托板、罐壁及锥板之间采用连续满角焊；

（3）上、下网杆的焊接严格按焊接技术要求规定的焊接形式，应从中心顶部向四周焊接，在焊接过程中逐步拆除中间支撑杆；

（4）下网杆的连接板应紧贴网杆平面的垫板，连接板的竖向位置和顶端应顶住罐壁板和锥板，并施以连续角焊，焊脚高度为相焊件中较薄件的厚度；上网杆的连接板应紧贴网杆底部的托板，连接板的竖向位置和顶端应顶住罐壁板和托板，并施以连续角焊，焊脚高度为相焊件中较薄件的厚度。焊接详情见图纸要求。

2.2.3 蒙皮板的焊接

（1）蒙皮板搭接接头只需外侧满角焊，内侧不予焊接；

（2）蒙皮周边与边环梁的锥面板搭接，外侧周边采用连续角焊，焊脚高度为4mm，内侧不允许焊接；

（3）蒙皮与网壳杆件之间不允许焊接。

2.3 双向子午线钢网壳结构的吊装

2.3.1 基本概况

网壳结构的组装、焊接在罐底板表面0.5～1m高度进行。待网壳整体安装完成后，需在网壳的杆端底部与吊装用的环形托梁进行连接，并在托梁的上表面均布分出网壳整体提升的吊点位置；待完成全部罐壁板的安装及锥形板的安装后，在储罐的外脚手架顶部用线坠找出环形托梁对应的吊点位置，并标注在锥形板表面，在锥板标注的位置安装临时扒杆和电动葫芦；将电动葫芦的上挂钩挂在扒杆的吊耳上，下挂钩挂在环形托架的吊耳上，再将每根链条拉直，链条处在预紧状态；然后在离罐壁80～100mm处将每根网杆彻底和罐壁分离，使网壳重量全部由40套提升机构分担，φ60m网壳整体起吊重量约为150t，单台环链电动葫芦有效起吊载荷为10t，链条长度为22m，其工作特征：速度低而均衡；最终将网壳提升至指定高度，再按设计要求将网杆端部与罐壁和锥形板进行连接。

2.3.2 网壳结构吊装顺序

（1）在网壳下面设置一圈距离罐壁300mm的环形托架。

（2）采用连接件将每根网杆与环形托架固定，使整个网壳结构完全支撑在环形托架上。

（3）在环形托梁的上平面均匀地设置40个吊耳，然后用吊垂线的方法确定起吊扒杆的位置，使每根扒杆的中心线与托梁吊耳处在同一向心的垂直平面之内。

（4）树立扒杆，将上、下支腿分别与锥板及罐壁板相焊，扒杆应保持垂直，两个方向的垂直偏差均不应大于2mm。

（5）通过卸扣将电动葫芦上挂钩挂在扒杆的吊耳上，下挂钩挂在环形托架的吊耳上；然后将每根链条拉直，但不要张紧，保持提升力为0的状态；然后在离罐壁80～100mm处将每根网杆彻底切断，使网壳重量全部由提升机构分担。

（6）进行第一次试提升，提升前需要进一步确认每根网杆已与罐壁彻底分离。确认后，将网壳徐徐提升，提升高度不超过300mm时停下来作如下检查与调整：仔细检查吊装机索具情况和吊耳、扒杆焊缝位置，确认安全后方可进行吊装；检查环形托架上表面的水平偏差，并控制在±50mm之内。

（7）第二次试提升：网壳提升至第1圈罐壁板环焊缝时，关闭电动葫芦电源，利用罐壁板环焊缝水平检查和调整网壳水平，并检查各电动葫芦受力情况和各部位的焊缝受力情况。

（8）网壳提升：经第一、第二次试提升后，网壳提升至第6带罐壁板环焊缝处，关闭电动葫芦电源，检查所有电动葫芦链条是否受力一致，并检查环形托梁是否水平；网壳提升中，各电动葫芦在统一工作中，保持平稳提升；并随时观察有无异常现象出现，若有出现必须及时调正；当网壳整体提升到上网杆肢端离锥板下表面100mm时，应停止整体提升，调整网壳水平后逐个将网壳提升至安装高度要求时，再进行与罐壁和锥板之间的连接；对于处在吊耳附近尚未到位的网杆，可谨慎地小幅度提升两侧吊点使之到位，并进行焊接。

（9）在完成上网杆的边节点组焊之后，方可进行下网杆边节点的组焊。

（10）检查每个边接点焊接是否有漏焊或少焊。检查通过后，彻底割开各网杆与环形托架之间的联系。

（11）在确认环形托架已彻底脱离网壳之后，将环形托架徐徐放下。

（12）必须清除因为在网壳安装罐壁及锥板时罐底留下的损伤，采用与母材相匹配的焊条补焊，并将表面进行打磨平滑，还要做防腐处理工作。

2.3.3 起吊工艺要求

（1）对所使用的电动葫芦进行试吊：将所有电动葫芦进行全面检查；任选5个电动葫芦进行全负荷试验,起升离地面约90mm，进行10min的静全负荷试验，并检查是否正常；检查全负荷后结构变形情况。

（2）正式起吊前的检查：受重后检查起重链条的垂直度，且不得打扭（十分重要）；起吊10cm后静止，检查各吊点情况。

（3）起吊：安排专人指挥，要求信号明确；在起吊过程中有4～6人巡查各吊点受力情况（保证受力一致），起吊过程中如发现电动葫芦异常或网杆端部与罐壁触碰，应立即向起吊负责人汇报，并由负责人对上述情况修正后方可继续起吊：在起吊过程中不应有长时间的停留，停留时间一般不超过100min。

（4）就位：快就位时应停止整体提升，调整好网壳水平后逐个提升就位；全部就位后，必须把电源的总闸拉开，切断电源。

（5）注意事项：为避免罐壁正装施工过程中遭遇强风受损，应按设计图纸的位置及时设置罐壁加强圈；在覆盖罐顶蒙皮前，若遭遇强降雨雪，应及时将浮顶上的雨雪排入罐底，并及时排出罐外。

2.4 善后处理措施

（1）将环形托梁与网杆之间的所有联系拆除后，将托梁徐徐放下，在罐底板上将托梁分成若干段从罐顶运出，为第二台罐网壳安装作准备；

（2）拆除小扒杆；

（3）将网壳低位组装时罐底、罐壁、锥板的临时焊接部位打磨干净，并修补平整；

（4）网壳顶的强度、稳定性及严密性试验应在储罐进行充水试验时一并进行，试验压力要按照图纸技术要求。固定顶的试验正压值为2200Pa，试验负压值为-1200Pa。

2.5 核算

2.5.1 扒杆的核算

正常操作状态下，单根扒杆的起重荷载（N）的计算方式见式（1）。

式中，N1——网壳重，t；

N2——起重工具重，t；

N3——“+”字形板带的重量（为了蒙皮安装在高空的安全性，允许在低位先焊一个“+”字形板带），t；

40——扒杆数量。

万一某个扒杆失效，会将荷载转嫁给相邻扒杆。因此，单根扒杆的设计荷载（N0）采用N0=1.5N=1.5×3.5=5.25t。

扒杆最大应力（σmax）校核如式（2）所示。

由式（2）可见，扒杆具有足够的强度。需要注意的是，对于D=60的油罐，起重扒杆不应少于40根，必须留有余地。图2为扒杆示意图。

2.5.2 环形托梁的核算

环形托梁及其尺寸和常规接头型式示意图分别见图3、图4和图5。

图2 扒杆示意图

图3 环形托梁示意图

图4 环形托梁的尺寸示意图

图5 环形托梁的常规接头型式

托梁断面为2[280×82×7箱形断面；

箱形断面面积2A=2×40.02=80.04cm2；

箱形断面抗弯模量2Wx=2×339.5cm2=679cm2；

箱形断面中径D0=2952×2+18=5922cm。

托梁在起吊中承受的竖向荷载（Q）根据式（3）计算。

网杆端部推力引起环梁断面上的拉力（H）（总计）见式（4）。

沿托梁圆周单位长度上承受的推力（水平方向）（q1）计算见式（5）。

由水平推力q1引起托梁截面中的环拉力（H）计算见式（6）。

由H 引起的环向拉应力（σH）计算见式（7）。

把托梁作为一圈连续梁，在垂直荷载作用下对弯曲应力（σmax）的核算见式（8）。计算简图采用某个吊点失效后，使支点间距扩大一倍作为控制条件，此时吊点间距需加大一倍。

其中最大弯矩（Mmax=0.1q12），详见式（9）。

环形托梁复合应力（σ0）的核算见式（10）。

综上所述，对于D=60m，起重量为140t的起重设施，采用以上断面和40等分设置扒杆是安全的；若减少扒杆数量，环梁计算长度会按平方比影响其强度。因此，需要采用更大的断面。需要注意的是，吊点越少受力均匀性越差。

2.5.3 托梁吊耳计算

目前对于D=60m双向子午线网壳整体提升所采用的起重工具及连接固定方式，已经有几十台的成功施工经验。实践中发现，最容易被疏忽的薄弱环节是设在托梁上的吊耳。为此，对吊耳进行了强度计算。

网壳整体提升时的重力荷载包括：网壳结构、十字型蒙皮板带及起重工具的总重（W），其计算式见式（11）。

沿托梁均布有40个吊点，每个吊点分担的荷载（P1）计算式见式（12）。

当个别吊点葫芦失效等待更换时，失效吊点的荷载会分给相邻吊点承担，此时相邻吊点承担的荷载（P2）按式（13）计算。

连接板与托梁、销轴与销孔的构造：连接板厚22mm、材质Q235B；销轴直径为φ38mm，材质Q235B；连接板与托梁上表面梁用双面角焊，焊脚为10mm。

2.5.4 销轴双面剪切强度核算φ38销轴的双面剪切面积（2A）计算式见式（14）。

Q235B抗剪强度为130N/mm2。

销轴剪切应力（τ）的计算式见式（15）。

综上可见，销轴有足够的强度来承担作业。

2.5.5 销孔承压强度计算

连接板厚22mm，销轴与销孔接触面积F=22×38×60%=501.6mm2。

Q235B承压强度为320N/mm2。

销孔接触面应力（τ）的计算式见式（16）。

因此，开孔满足承压强度的要求。

2.5.6 连接板与托梁之间的双面角焊缝强度要求

焊缝剪切应力（τ）的计算式见式（17）。

因为焊缝的剪切应力远小于焊缝剪切许用强度86.6N/mm2，因此满足焊缝的强度要求。

3 结束语

实际经验表明，大型拱顶储罐主体采用正装及网壳，采取电动倒链倒装顶升的施工方法，施工质量、安全性和进度均可满足要求。