电解槽整体移动施工方法的研究与应用

杜玉涛，肖建春，吴夏燕，李绍朗，封建波

(贵州大学空间结构研究中心，贵州贵阳　550003)

电解槽整体移动施工方法的研究与应用

杜玉涛，肖建春*，吴夏燕，李绍朗，封建波

(贵州大学空间结构研究中心，贵州贵阳550003)

在现代化大型工程建设项目中，特别是在特殊环境中，如因地震、山洪等自然灾害引发的地基下沉、倾斜等，不可避免地要涉及一些特重特大型设备、非标准设备的整体移动。具体在有色冶炼工程来说涉及一些特大型整流变压器和电解槽的整体移动。在综合分析国内外电解槽施工方法的基础上，介绍了一种在不拆除电解槽内部构件的基础上移动电解槽的方法，并对施工中的关键技术进行分析，以供施工人员参考。介绍了电解槽整体移动施工方法的应用实例和前景。

电解槽；整体移动；场地限制

2008年“5.12汶川特大地震”中处于震源中心区的阿坝铝厂电解车间，面临全世界有色行业从未遇到过的被8级特大地震震垮的360kA大型电解槽。电解槽重达400t左右(地震前准备启动生产的全部材料都在槽内)、外形19m(长)×5m(宽)× 6m(高)，地平面下沉和基础的破坏程度前所未有，电解槽底部没有固定顶点且大部分地方不能直接作为顶点(内有易碎物质，一旦顶坏，则整台电解槽报废)；数量达到110台；顶升时经常会受到余震的威胁等特殊情况。

1　铝电解槽国内外现有方法对比

1.1铝电解槽大修运输系统及方法

沈阳铝镁设计研究院2006年申请了铝电解槽大修运输系统及方法发明专利(申请(专利) 号:CN200610045683.8)[1]。该方法的要点如下:

驱动装置及滑轮提升装置将活动吊车梁吊起，将龙门吊车开到此通道上对准电解车间的吊车梁；阴极天车吊着待修的整个电解槽开到龙门吊车上，停在龙门吊车上；龙门吊车带着阴极天车及待修的电解槽通过大修车间的另一端停靠；阴极天车吊着电解槽离开龙门吊车沿大修车间移动到维修地点，放下待修电解槽；阴极天车再吊起一个修好的电解槽沿原路返回。

此方法采用驱动装置、滑轮提升装置以及龙门吊车等设备提高了维修效率和质量，改善了工人的工作环境，并减少备用槽的数量和资金，也缩短了停产的时间，提高了产能，提高了电解槽维修质量，缩短了电解槽维修时间。但是针对阿坝铝厂的特殊情况，这种方法并不适用，因为地震后地面已经遭到严重破坏，场地凹凸不平，随时会发生余震，并且大型的机械设备也无法进入电解车间。

1.2大型预焙阳极铝电解槽大修工艺优化

云南铝业股份有限公司公布了186kA大型预焙阳极铝电解槽大修工艺优化及创新成果信息[2]。自行设计了“井”字形吊具，8套专用卸扣，钢绳以及平衡吊耳。有效降低了现场劳动强度，也提高了车间单钩起吊的安全程度。槽壳矫正主要突出在减少二次变形量方面。自行设计专用可移动式简易铣平机对平衡母线进行定位铣削，有效提高导电面光洁度。

此工艺对186kA大型预焙阳极铝电解槽大修进行了工艺优化，采用吊具、卸扣、钢绳、平衡吊耳等设备，考虑到阿坝铝厂是360kA大型电解槽，以及地震后场地的特殊情况，这种方法也有一定的局限性。

2　电解槽整体移动施工方法

考虑到前文所述阿坝铝厂的特殊情形，七冶建设有限责任公司经过现场勘察，技术分析，实验研究，专家论证等过程最终形成电解槽整体移动施工方法[3]。该方法操作要点如下:

在电解槽底部两侧边对称均匀布置八个千斤顶(每边四个)，为了减少千斤顶直接顶在电解槽上造成局部压强过大，损伤被顶物件和压坏千斤顶，故在被顶物件与千斤顶之间设置钢扁担[4]，千斤顶顶在钢扁担的重心位置；若被顶位置较高，与地面的距离较大时，还应在千斤顶下面根据空间距离大小选取预先制作好的钢支架[5]垫好。布置好千斤顶后，用枕木(按井字形堆放)垫好电解槽，把电解槽垫实以防千斤顶下滑或遇到余震时产生的安全隐患；在电解槽一长侧边先小距离平稳顶升，达到能塞进一层枕木时立即停下来塞一层枕木后再顶升对应的另一长侧边；在顶升过程中应相应调节增加千斤顶下面的钢支架高度。顶升到摇篮架、端头梁底部距地面的距离略高于原始安装高度时用钢支架支撑住电解槽，放下千斤顶，把千斤顶和枕木一起移开；用角钢把相邻钢支架连接起来形成框架结构增大稳度。

在恢复的基础已经达到养生期的电解槽下面用枕木按井字形搭好支撑架，在接近摇篮架底部时用一整块厚钢板铺在支撑枕木上形成光滑的平台利于滚动，在摇篮架的底部位置(能承受力的地方)下的钢板上放一层纵向圆钢和一层横向圆钢，布置完毕后根据现场的实际情况选取平移支撑点和移动工器具，若支撑点较近、用作顶点位置距离较小时可选择螺旋千斤顶或液压千斤顶作为动力使物件向需要的方向移动，若支撑点或固定点较远时使用手拉葫芦或电动卷扬机来作为动力使物件向需要的方向移动。

图1　电解槽平面图

针对这种方法，本文重点研究了以下几个问题: (1)每次顶升多大距离才不会损伤电解槽及其内部物质；(2)不同种类的钢材制作的钢扁担分别可以顶升多大的距离；(3)怎样选择钢材才更为合理。

方案1.1:采用Q235钢制作钢扁担，根据图1取中间的一个摇篮架进行分析。分析中采用ANSYS有限元分析软件[6，7]，使用 solid92单元，所使用模型如图2所示:

图2　ANSYS分析模型

分析结果图见3所示:

图3　方案1.1位移云图

从图3中可以看到当电解槽一端的总位移达到206mm时，钢扁担局部应力达到215MPa，从保护电解槽内部生产物质[8，9]的角度讲，不考虑钢材腹板屈曲后的强度利用。得出结论:在不考虑千斤顶最大行程的情况下，当一端的总位移为206mm时，钢扁担所受应力达到设计极限，此时摇篮架整体应力都相对较小，顶升后可以保护电解槽。

从图3中还可以看到，钢扁担所受应力达到设计极限时，腹板所受应力最大。改变腹板厚度，重新对此模型进行分析，如方案1.2，方案 1.3所述。

方案1.2:在方案1.1的基础上，加厚钢扁担的腹板厚度，其余分析条件同方案1.1

分析结果如图4所示:

图4　方案1.2位移云图

从图4中可以看到，在不考虑千斤顶最大行程的情况下，电解槽一端的总位移为160mm时，钢扁担所受应力即达到设计极限。

方案1.3:在方案1.1的基础上，减少钢扁担的腹板厚度，其余分析条件同方案1.1

分析结果如图5所示:

图5　方案1.3位移云图

从图5中可以看到，在不考虑千斤顶最大行程的情况下，电解槽一端的总位移为275mm时，钢扁担所受应力即达到设计极限。

方案1.4:在方案1.1的基础上，把千斤顶的提升力增大50%。其余分析条件同方案1.1

分析结果如图6所示:

图6　方案1.4位移云图

从图6中可以看到，虽然增大了千斤顶的提升力，但是最大总位移并没有明显的变化。

方案2.1:采用Q345钢制作钢扁担，分析模型和所使用的单元同方案1.1

分析结果如图7所示:

图7　方案2.1位移云图

从图7中可以看到当电解槽一端的总位移达到314mm时，钢扁担局部应力达到315MPa，同方案1.1，不考虑钢材腹板屈曲后的强度利用。得出结论:在不考虑千斤顶最大行程的情况下，电解槽一端的总位移为314mm时，钢扁担所受应力达到设计极限。此时摇篮架整体应力都相对较小，顶升后可以保护电解槽。

方案2.2:在方案2.1的基础上，增加钢扁担的腹板厚度，其余分析条件同方案2.1

分析结果见图8所示:

图8　方案2.2位移云图

从图8中可以看到，在不考虑千斤顶最大行程的情况下，电解槽一端的总位移为245mm时，钢扁担所受应力即达到设计极限。

方案2.3:在方案2.1的基础上，减少钢扁担的腹板厚度，其余分析条件同方案2.1

分析结果如图9所示:

图9　方案2.3位移云图

从图9中可以看到，在不考虑千斤顶最大行程的情况下，电解槽一端的总位移为416mm时，钢扁担所受应力即达到设计极限。

方案2.4:在方案2.1的基础上，把千斤顶的提升力增大50%。其余分析条件同方案2.1

分析结果如图10所示。

图10　方案2.4位移云图

从图10中可以看到，虽然增大了千斤顶的提升力，但是最大总位移并没有明显的变化。以上各方案的结果如表1所示。

表1　结果对比

3　工程应用

该方法已经在下列工程中得到应用:

(1)阿坝铝厂11kt/a电解铝360kA特大型电解槽在遭受四川汶川“5.12”特大地震后的恢复重建工程

工程结构为三联跨钢结构厂房，跨距为27m，长度为380m，两边跨各布置360kA特大型电解槽55台。2008年5月10日建成投产，同年5月12日遭受四川汶川“5.12”特大地震灾害袭击。导致整个车间一片狼藉，惨不忍睹，电解槽东倒西歪，基础下沉(最严重者下沉1500mm之多)。

阿坝铝厂2008年7月15日正式开工，在受交通、通讯、电力、余震等众多因素的影响下，于2008 年12月12日胜利完成了110台360kA特大型电解槽的灾害重建任务，并一次送电成功，使用至今运行情况良好，产生了很好的经济效益和社会效益。

(2)青海黄河水电铝型材联营项目黄河鑫业有限公司电解铝工程

黄河水电铝型材联营项目黄河鑫业有限公司电解铝工程，为25万t/A电解铝，使用350kA电解槽型。自项目建成生产后，因地质情况原因，出现地基下沉，使电解槽产生位移。采用了电解槽整体移动施工工法，对产生位移的电解槽进行整体纠偏处理，效果显著，缩短了工期，降低了成本，安全可靠，自2009年12月18日投产以来，各项生产指标符合设计要求，运行情况良好。

(3)青铜峡铝业股份有限公司异地改造一期项目

青铜峡铝业股份有限公司异地改造一期项目，为20万t/A电解铝，使用350kA电解槽型。项目从2009年5月18日开始进行电解槽整体处理，在建设单位分批停产后，采用电解槽整体移动施工方法，在要求时间内高效地完成修复任务，并一次送电成功，使用至今运行情况良好，产生了很好的经济效益和社会效益。

4　结　论

分析以上结果，得出结论如下:

(1)在不考虑千斤顶最大行程的情况下，使用Q345钢材制作的钢扁担可以达到更大的顶升位移。

(2)在同类钢材的情况下，腹板厚度的影响也不容忽略。在腹板高厚比允许的条件下，适当的减小腹板厚度可以增加每次顶升的高度。

(3)其他条件相同的情况下，增加千斤顶的提升力并不能有效的增加总位移，即千斤顶的提升力对结果影响不大。在具体操作时根据被顶升物体的情况选择适当的千斤顶即可。

(4)在顶升过程中，如果每次顶升的距离过大，超过了千斤顶的允许行程，千斤顶会出现轴变形、密封圈损坏喷油等情况，并且倾角过大也容易损坏电解槽内部的生产物质，所以每次应选取一个适当的顶升距离。考虑到现场实际情况，每次顶升的距离选取一个枕木(截面尺寸:宽200mm×高150mm)的高度。这个取值既可以保证钢扁担在顶升过程中不被损坏，同时也在千斤顶的允许行程之内，还可以把已经升起的电解槽的下部垫实，避免出现悬空的情况，也有利于工人实际操作。

[1]沈阳铝镁设计研究院有限.铝电解槽大修运输系统及方法:中国，CN2006100456-83.8[P].2008-12-19.

[2]车立志，詹正学，王灿.大型预焙阳极铝电解槽生产管理实践[J].云南冶金，2010.39(51):27-29

[3]七冶建设有限责任公司.电解槽整体移动方法:中国，201010168712.6[P].2011-03-01.

[4]七冶建设有限责任公司，顶升保护装置:中国，ZL2009 2 0125984.0[P].2010-11-03

[5]七冶建设有限责任公司，支架:中国，ZL2009 2 0125983.6[P]. 2010-10-27

[6]支架[P].专利号:ZL2009 2 0125983.6

[7]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社，2014:233-265.

[8]GB50586-2010，铝母线焊接工程施工及验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[9]GB50883-2013，轮金属冶炼机械设备安装工程质量验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

(责任编辑:王先桃)

Research and Application of the Method of the Whole Movement of Electrolyzer

DU Yutao，XIAO Jianchun*，WU Xiayan，LI Shaolang，FENG Jianbo
(Space Structure Research Center，Guizhou University，Guiyang 550003，China)

In the modern large-scale construction projects，especially in the special environment，such as the foundation subsidence which was caused by the earthquake，mountain torrents and other natural disasters，it is inevitable to the whole movement of some large equipment and non-standard equipment.More specifically speaking，it refers to the whole movement of large rectifier transformers and electrolyzer in the field of melting engineering.On the basis of analyzing the construction method of electrolyzer，a new method of moving the electrolyzer without destroying the inside material was introduced，and the key technology was analyzed.The application and its prospect of the whole movement of the electrolyzer were introduced

electrolyzer；whole movement；site restriction

TU312

B

1000-5269(2016)01-0107-05DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.01.25

2015-12-20

贵州省科技厅创新人才团队建设项目(Z143068)

杜玉涛(1991-)男，在读硕士，研究方向:空间钢结构及组合结构。Email:gzdxdyt＠163.com.

肖建春，Email:jcxiaogzu＠163.com.