10万m3储罐滑车改为防腐作业移动平台的力学分析

黄立新，郭道厚，王宝春

大庆油田建设集团有限责任公司，黑龙江大庆163712

云南石化1300万t/a的炼油项目中，10万m3原油储罐采用在罐下集中除锈防腐、罐上刷中间漆和面漆的施工方法，且本项目储罐的安装采用内脚手架的组装方法，罐外壁未搭脚手架。因此若在罐外壁刷漆时再沿罐周搭设脚手架，则费用较高，因而最后决定将罐壁组装时使用的滑车改造成移动防腐作业平台，用于罐外壁的防腐作业。为保证使用安全和正确改造，对移动平台使用时的受力情况进行了分析。

1 移动平台的结构

移动平台的上部安装一对特制的行走轮，能够在罐壁最上面的包边角钢上行走，下部绕过罐壁上的抗风圈、加强圈等附件一直延伸到最下面的一圈壁板上，并在下部设置一对支撑轮使移动平台保持平衡，移动平台的结构示意见图1。

2 平台受力分析

移动平台在竖直平面上受到3个外力的作用，分别为行走轮A点受到包边角钢的作用力F（单位N）、平台自身的重力G（重心设在D点，单位N）、支撑轮受到罐壁B点的支撑力N（单位N），见图1。

2.1 外力分析

由静力平衡[1]得到：

其中支撑力N和重力G的方向分别为水平向右和竖直向下方向，且两力相互垂直，作用力F分解为分别与G和N方向相反的两个分力F1和F2。

图1 移动平台结构示意

由此得到如下结果：

通过外力分析可知，滑车顶部的行走轮受到储罐包边角钢的一个指向罐内的横向分力F1的作用，此分力的大小等于平台下部支撑轮受到的支撑力N，此分力同时产生了两个影响移动平台使用的负面因素：

（1）使移动平台行走时容易发生脱轨，从而存在从罐壁上掉落的危险。

（2）移动平台行走时，使行走轮的轮缘与壁板的压力加大，增大了移动平台的行走阻力。

由力矩平衡得到：

移项后得到：

由式（3）可以看出，减少F1的方法有三种：

（1）减小平台与罐壁板之间的距离，使平台的重心尽量靠近罐壁。

（2）减少滑车及滑车内载人、载物的重量。

（3）支撑轮尽量靠下，使行走轮与支撑轮之间的距离AB最大。

2.2 内力分析

通过内力分析，找出移动平台内力最大的截面，以便于移动平台的选材制作和进行材料强度的核算。以图2中EF为截面，将移动平台分为顶部平台和下部架体两部分，分别分析其弯矩和剪力情况，得出移动平台的内力如图2所示。通过对移动平台的内力分析，得出顶部平台的危险截面在E处，架体的危险截面在EF处。

图2 移动平台弯矩剪刀图

3 移动平台的制作及材料强度核算

3.1 移动平台制作

（1）移动平台的顶部平台采用14#槽钢作为框架，上铺厚2 mm钢板，并安装护栏，质量为144 kg。

（2）下面架体的上半部分长3.2 m，其中4根竖向主筋采用8#槽钢，横向连接采用∠50×5角钢，与两侧间距400 mm，中间间距800 mm，质量180 kg。

（3）下面架体的下半部分长17 m，其中4根竖向主筋采用∠50×5角钢，横向连接采用∠50×5角钢，与两侧间距400 mm，中间间距800 mm，质量397 kg。

（4）上下架体连接部分采用12#槽钢，移动平台自身质量721 kg（各部分的尺寸见图1），材质均选用Q35B钢，设计载质量400 kg。

3.2 材料强度计算

3.2.1 平台外力计算

由式（3）得：

式中：mi为移动平台各部分的质量，kg；xi为移动平台上各部分的质心与A点的距离，m。

其中载荷产生的力矩取在架体上部时的值，此时产生的力矩最大。

3.2.2 平台各部位主要受力面的强度计算[2-3]

（1）对于顶部平台，计算两根14#槽钢主梁在最大弯矩处E点的抗弯强度：

式中：M为每根梁所受弯矩，N·m；f为钢材的抗弯强度设计值，N/mm2，本项目为215 N/mm2；γx为截面塑性发展系数，无量纲，本项目取1.05；Wax为净截面抵抗矩，cm3。

（2）对于架体，计算在弯矩最大处EF截面的强度，计算其内侧两根8#槽钢主筋的抗拉强度，计算外侧两根8#槽钢的压弯稳定。

内侧2根8#槽钢主筋抗拉强度：

外侧2根8#槽钢主筋按压弯稳定计算，压杆长度按0.4 m计算：

式中：a为强度折减系数，按GB 50017-2003《钢结构设计规范》中3.4.2条规定取0.9；N为每根槽钢所受的压力，N；A为每根槽钢的横截面积，mm2，取1024；准为轴心受压构件稳定系数，无量纲。

计算：

式中：λ为长细比，无量纲；L为每一格构内主筋的长度，mm；i为回转半径，mm。

查GB 50017-2003附表3，得出准=0.987。

计算：

（3）对上下架体连接处，计算两根12#槽钢的抗弯强度：

4 移动平台使用情况

改造后移动平台行走顺畅，安全可靠，用于外浮顶罐外壁的防腐保温和附件安装，免去了脚手架搭拆工作，使用效率高，成本低，已分别用于云南石化1300万t/a炼油项目原油罐区10万m3储罐的施工（见图3）和冀东油田5万m3储罐的施工。

图3 改造后移动平台在现场的使用情况

5 结束语

通过对移动平台的力学分析，保证了移动平台的正确制作和安全使用，扩大了大型储罐在正装法施工时的罐壁组装机具滑车的使用范围，免去了在施工大型储罐罐外壁时搭设脚手架的工作，既降低了成本，又提高了效率，在同行业中有很好的应用前景。