大型烟囱装安装工法.docx
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大型烟囱装安装工法
钢烟囱倒装施工工法
黄湘宁沈小林
二十三冶建设集团第一工程有限公司
一、前言
近年来,我们公司承建的一些工程中,均有长筒、薄壁构件,如大屯铝厂电解二期烟气净化回收系统就有一座高60m、重量约98t的薄壁化工烟囱,位于厂区南边(与电解一期相连)东西两栋电解厂房之间。
烟囱整体为直段。
外径φ5100mm,壁厚为8mm(高50~60m处)和10mm(高40~50m处)、裙座及下段烟囱厚12mm(底部0~40m处)。
烟囱共分23节组装,在钢制烟囱的外面每隔2m设置一道由∠120×8煨制的角钢加强圈,并设有钢梯直至烟囱顶部。
在烟囱内壁每间隔2m设置一根相互垂直的[16的槽钢支撑。
本工程所安装烟囱若按常规方法(顺装)进行安装存在以下几个问题:
烟囱设备需架设大量的脚手架,费用高、工期长;高空作业多,危险性大;筒体半径大,吊装高度极高,安装过程中至少需要一台250t吊车配合安装,台班费用高。
最后经过反复研究,结合现场条件,决定采用倒装法安装,即先在基础上组装最上面两段烟囱,完成后,利用预制的桅杆作为桅杆,将上节烟囱提升,再依次从上到下顺序组装烟囱,依次提升,最后使烟囱全部组装到位。
实践证明,该方案实施效果良好。
针对这种结构完全一致的薄壁烟囱的安装,我们设计了采用倒装安装工法,变高空作业为地面作业。
制作一件套筒式吊具、桅杆等即可完成多个结构一致的薄壁细筒钢结构的安装施工,可避免在筒体因设计安装高度较高而一般吊车无法完成的吊装任务,又可避免人员在高空施工带来的施工投入与安全隐患,桅杆并可回收重复利用。
二、本工法施工特点
(1)倒装法施工,改高处作业为地面作业,有利于对进度、质量控制。
(2)改善施工环境,减轻劳动强度,提高工效。
(3)节约设备及周转材料,减少费用。
(4)变高空作业为地面施工,大降低了施工过程的危险系数,保证了安全文明施工。
(5)采用倒装法施工,制作的刚架及环形梁提升工具,使烟囱筒体在提升过程受力均匀,较好的保护了烟囱设备,确保设备安装质量。
(6)施工不受场地限制,特别是在一些大型机械无法进场或无法摆设大型吊车的场地施工。
三、适用范围
本工法适用于长筒、薄壁构件安装,也可作为其它需要进行倒装法安装的设备、构件安装的参考资料。
四、工艺原理
倒装方法施工,顾名思义,是相对于常规正序安装的一种反序安装施工方法。
是在特殊的情况下使用的一种更有效的施工工艺。
工法中的烟囱主要由两个部分组成:
裙座以及各段烟囱,烟囱的高度主要由各段烟囱拼接形成。
正装法的程序是:
裙座→由下至上逐级吊装各段烟囱筒体→烟囱附属构件。
势必造成施工人员高空作业、危险性大。
倒装法的程序是:
烟囱上段筒体→提升→中部筒体→提升→下段筒体→裙座→烟囱附属构件。
主体施工全部地面作业,不仅安全、工效高,而且节省了吊车、脚手架等费用。
工法中烟囱的提升采用倒装方法特制的桅杆及环形梁吊装组件。
环形梁共需要两个,一个与桅杆顶部直接固定,为吊装起吊的吊点同时起烟囱导向作用,使烟囱处于垂直状态吊装;另一个环形梁安装在桅杆内部,与桅杆相对独立运动,作为起吊烟囱的支点,它直接承受烟囱重力,为了保证下环形梁在吊装过程中不产生旋转,在下环形梁靠近桅杆四个立柱的相位外沿和上环形梁上沿边制作限位装置,确保下环形梁在吊装过程中按设计的轨迹运动。
上环形梁下底面及下环形梁的上面均匀布置吊耳,两个环形梁之间采用滑轮组及钢丝绳连接。
五、工艺流程及操作要点:
烟囱安装工艺流程:
吊装桅杆制作与安装
烟囱裙座安装
组对平台铺设
轨道及小车安装
δ=8mm段烟囱安装
δ=10mm段烟囱安装
δ=12mm段烟囱安装
组对平台、轨道及小车拆除
连接底座裙体与δ=12mm段烟囱
烟囱与锚栓连接
烟囱附属构件安装与开孔
吊装桅杆拆除
O
操作方法及要点:
吊装桅杆制作与安装
1.烟囱倒装用桅杆设计与制作
倒装法安装烟囱需要设计制作吊装桅杆,桅杆的立柱由四根Φ325×10,20号钢结构用无缝钢管组成,柱高10米,上部用δ=20和δ=14的Q235-B钢板做成一个箱形环梁,梁与柱的连接采用焊接,为了加强连接的可靠度,每根立柱与梁之间还设置加劲板,柱脚与基础埋件也是采用加劲板焊接。
桅杆内部制作安装一个与上部环形梁相同的环形梁,在靠近桅杆四个立柱的相位上制作安装环形梁旋转及摆动限位装置。
所有构件施工均应符合《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)
设计效果图如下图一所示。
图一:
桅杆设计效果图
立柱的结构验算:
立柱采用Q235-B,20号钢的无缝钢管
可得无缝钢管的各种参数:
许用应力f=215N/mm2、回转半径i=11.14cm
横截面积An=98.68cm2、立柱无缝钢管的高度H=10000mm
G1(钢烟囱自重)=98T
G2=12T(钢丝绳及吊装环梁重量)
可得无缝钢管长细比λ=10000/111.4=90
根据λ可查表得其稳定性系数a=0.614
每根钢柱的受压强度б=N/An=(G1+G2)/4/An
=110/4×103×10/98.68×102
=27.789N/mm2
取无缝钢管设计许用应力的安全系数K1=1.8~3
б<[б]=f/K1=215/3=71.6N/mm2
故立柱抗压强度能满足无无缝钢管受力强度的要求
验算立柱其稳定性:
б=N/a*An=(G1+G2)/4/a×An
=(110/4×103×10)/(0.614×98.68×102)
=45.259N/mm2
б<[б]=f/K1=215/3=71.6N/mm2
故该钢柱满足钢管受力稳定性的要求.
2.吊装桅杆的安装
2.1先将制作好的下部环梁放在四个基础之间,再将桅杆立柱立于基础预埋件上,并且找正点牢,校对四根钢柱水平、垂直度。
2.2联接柱间各横梁、及联杆,并焊接牢固。
2.3吊起上环梁落于钢柱顶端点牢,校正环梁度水平度后焊接形成整体。
2.4由于在吊装的过程当中受力非常复杂,考虑不可避免因素的影响,在每根立柱的背后还设置了一根斜撑,以加固其稳定性。
2.5所有构件安装施工均应符合《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)要求。
2.6按设计计算出来的结果,设置最大提升高度限位开关位置。
3.吊装前准备及各种吊具选择
烟囱吊装主要依靠上、下环形梁受力作用,吊装时需要用滑轮组及钢丝绳联接上、下环形梁,首先需要对滑车组、钢丝绳、卷扬机等吊装工具的正确选择,在安全的角度上考虑经济适用。
吊装用卷扬机及钢丝绳选择和验算:
查建筑施工手册(第二版)得:
S=f0KQ(21---44)
式中:
S------跑头拉力
K-----动力系数,选用10T电动卷扬机,查施工手册可得K=1.2
Q------吊装荷载,为构件重力及索具重力之和
Q=(G1+G2)/3=36.67T
f0------跑头拉力计算系数,当绳索从定滑轮绕出时f0=(f-1)×fn/fn-1,当绳索从动滑轮绕出时f0=(f-1)×fn-1/fn-1,其中n工作绳数,f滑轮组系数,滚动轴承取1.02,青铜衬套取1.04,无青铜衬套取1.06
由于该吊装采用3组,12道轮数滑轮组,那么每组滑轮组的有效轮数n=12,其钢丝绳由定滑轮拉出,故滑车组的倍率为i=12,其所承受的重量Q=36.67T
根据S=f0KQ可得跑头拉力S
S=((1.04-1)×1.0412/1.0412-1)×1.2×36.67
=4.69T
根据3组,12道轮数滑轮组,查钢结构施工手册得,滑车组的效率η=0.65,跑头拉力的简易计算公式:
S=Q/i*η=36.67÷(12×0.65)
=0.124×36.67
=4.701T
两个计算公式计算得出的结果基本相等,由此可证明以上计算结果是可靠的。
每组滑车组根据情况配套使用2~3个导向滑轮,所以卷扬机的拖动力应为:
S卷扬机=S×1.043=5.27T
所以,导向滑车的跑头拉力应为5.27吨;考虑施工过程中的风荷载及卷扬机启动的能以控制到同步性,可能产生的实际跑头拉力会大于5.27T,故我们所选的10T单筒慢级卷扬机,能满足施工各方面的要求。
根据计算所得S=5.27T,查钢结构施工手册表9-33,跑绳选用径为φ24D型号为-6×37+1的钢丝绳。
验算钢丝绳的破断拉力,查钢结构施工手册得:
P破=500d2
=500×242
=288000N
S=5.27×103×10=52700N
规范要求一般起重设备钢丝绳的安全系数K取5~6
5×S=5×52700=263500N
P破>5×S
故钢丝绳的选用能满足施工各方面的要求
4.铺设组对平台及安装运输小车轨道
烟囱安装在按设计预先制作好的混凝土基础上,在制作的混凝土基础均匀的布置有预埋螺栓,不便于运用倒装方法在基础上组装烟囱筒体。
因此,需要在基础上高出预埋地脚螺栓,在吊装桅杆的范围内铺设钢平台。
为了更好控制烟囱的安装质量,钢平台表面应作调平处理。
根据吊装需要,便于将制作好的筒体方便快捷的进入吊装桅杆内部进行倒装施工,从桅杆外引入2根43Kg/m的轨道到钢平台上,轨道上表面标高应根据铺设的钢平台确定,两轨道的中心线应与烟囱的中心重和,轨距根据制作好的平板小车轮距确定,最后再把制作好的平板小车放置轨道上。
5.倒装法吊装烟囱
烟囱的提升是由吊装桅杆、三组滑车组及三台卷扬机等共同配合完成,卷扬机操作的同步性要求较高,三台卷扬机应配备经考试合格的操作员进行操作,并作统一的指挥,要求卷扬机操作同步。
同时设置不平度限位,以便控制提升时由于卷扬机不同步而造成下环梁运行不平衡。
在提升前,先将下梁的吊件组上的卡销拉向外侧,使下梁内侧达到φ5.4米,下梁落于第一节烟囱加强筋以下,将吊件组用M27的螺栓卡紧(如图三所示)。
启动卷扬机,烟囱随下梁吊件组上升,升到超过第二节烟囱筒体(本工程中每节拼装烟囱最高为4米)的高度,将运至吊装现场的第二节烟囱筒体由小车运送至组装平台上,将提升的筒体下降与下节筒体相接,下节筒体组对后,再将吊装桅杆下环形梁退出,将下环形梁降至第二节筒体的加强筋以下,运用螺栓卡紧烟囱筒体,再提升烟囱。
如此循环往复,逐段吊装第三节、第四节,直至最后一节。
将所有烟囱筒体安装完后,最后组装烟囱的裙体段。
将裙体段烟囱运用平板车运送进吊装桅杆内部后,运用手葫芦等工具吊起裙座段筒体,退出小车,拆除轨道、钢平台,将裙座段筒体安装在烟囱基础上,找平找正,其水平度的误差应控制在±5mm,标高误差应控制在-3.0—0mm。
最后紧固所有的地脚螺栓,下降烟囱筒体与裙体对接。
最终即可完成烟囱安装工作。
在安装整个过程中注意控制烟囱的垂直度。
烟囱在倒装方法安装提升过程中,上、下环形梁均设置导向装置(如图三所示)。
下环形以钢管柱为基准,设置导向轮及导向杆,导向轮与导向杆随下环形梁同时升降;上环形梁设置四组导向轮,每组包含上下两个可以退出的导向轮,当筒体加强筋上升到导向轮位置后,运用人为的方法退出下面的导向轮,让加强筋通过到上下导向轮之间时,送入下部的导向轮,退出上部的导向轮,最终让筒体加强筋通过导向轮。
具体操作如下图二现场施工吊装相片图所示。
图二:
倒装法安装烟囱现场图
5.1烟囱抗倾覆分析
烟囱在提升或静置时,烟囱处于平衡状态,当烟囱受风力作用,烟囱便存在倾覆的趋势,若超过其平衡条件,烟囱便会倾覆。
G=100t
5100
如右图,烟囱安装于8个支座上,假设在平衡条件下B面吹A方向风力F作用下,烟囱将朝A点倾翻,此时A点受力最大,B点受力最小。
而在O~O轴上的两个支腿受力与静置时相同。
在静置或提升时,各支腿受垂直向下的力为
F=FA=FB=FC=FD=FO=G/8=100/8=12.5t
G------钢烟囱重量
根据当地气象部门提供的资料,该地区一般情况下风力为5级,
查《机械设备安装手册》P380页可得:
5级风时,风压为(5.06~6.25)kg/m2钢烟囱的受力面积为:
S=5.1×60=306m2
可得5级风时烟囱的受风力:
F=306×6.25=1912.5kg
在5级风作用下,烟囱各支座的受力情况设风力对B点的受力
影响值为δ,可得:
FA=12.5+δ
FB=12.5-δ
FC=12.5-0.7δ
FD=12.5+0.7δ
FO=12.5
图三:
钢烟囱吊装提升导向机构及下环形梁卡紧烟囱筒体示意图
对A点由平衡条件可得:
FB×5.1+F×30+FC×(2.55+2.55cos45°)×2+FO×5.1+FD×(2.55-2.55cos45°)×2=G×2.55
O
C
B
C
D
D
A
(12.5-δ)×5.1+1.913×30+(12.5-0.7δ)×4.758×2+12.5×5.1+(12.5+0.7δ)×0.342×2=100×2.55
δ=5.087T
由此可得:
FA=12.5+5.087=17.587T
FB=12.5-5.087=7.413T
FC=12.5-0.7×5.087=8.939T
FD=12.5+0.7×5.087=16.061T
FO=12.5T
在5级风作用下A、B、C、D、O的抗倾覆力矩均大于风力
倾覆力矩。
由此可见烟囱静置在5级风作用下还是安全,无须设置缆风绳。
根据招标文件中提到30年一遇的大风风速为24m/s,在实际操作中各种因素,如吊装的不平衡等,为确保施工的安全性,在烟囱的三分之二高度,标高为+40.000m的位置A、B、O、O点设置4根缆风绳,缆风绳与地面成600的角。
缆风绳在在烟囱筒体安装过程中随同烟囱同时提升,提升过程中,应用手动葫芦替代锚栓,随烟囱提升逐渐释放缆风绳缆风。
缆风在整个提升过程中应使烟囱保持平衡的受力状态。
假设钢烟囱刚好起吊离地但还未离开状态下,可得:
F风×30=T×cos600×h+T×cos300×5.1+G×2.55
F风-------30年一遇的大风所产生的力
风压ω=(γ/2g)*v2
在标准状况下,γ=0.012018KN/m3
所以ω=(γ/2g)*v2=(0.012018/2×9.8)×242=0.36KN/m2
F风=0.36×306=110.16KN(或11.016吨力)
T------缆风绳的拉力
G------钢烟囱的重量
11.016×30=T×cos600×30+T×cos300×5.1+100×2.55
T=3.887T
规范规定作为缆风绳的安全系数取3.5,根据T选用φ14的钢丝绳作缆风绳。
由于烟囱基础混凝土为C20,为避免把烟囱基础混凝土压碎,在吊装过程中制作的8个钢支座底面尺寸,根据5级风的状态下FA受力最大来计算,可得:
20Nmm2≤175870/A-----钢支座底面与混凝土基础接触面积
A≥175870/20=8793.5mm2
可得8个钢支座底面尺寸选用100mm×100mm
5.2筒体组对时环焊缝的对口错边量应符合下列规定:
1).当两板厚度相等时,不应大于1mm。
2).当两板厚度不等时,不应大于3mm。
5.3对角焊缝形成棱角不得大于2mm,检查时,纵焊缝用弧长等于700mm外样板,环焊缝用长度不小于300mm的检查样板。
5.4筒体的外圆周长允许偏差为±16mm,且应满足4.1条的对口错边量的要求。
5.5筒体在同一断面上的最大直径与最小直径之差应不大于25mm。
5.6筒体的垂直度为H/1000,且最大不得大于30mm。
6.烟囱附属构件安装及防腐
烟囱防腐应与烟囱安装同步进行,在桅杆上梁搭设施工平台对烟囱进行烟囱防腐施工,与烟囱倒装施工形成立体作业空间。
上梁施工平台应制作安全爬梯及安全栏杆,确保施工人员的安全。
烟囱组装完成并稳定后,开始安装烟囱附属设备、构件,并对烟囱按设计进行开口作作业。
7.吊装桅杆拆除
待整个烟囱安装完成并稳固后,需要及时对吊装桅杆进行拆除。
拆除顺序为:
先拆环梁再拆立柱。
在拆除过程中注意施工安全。
六、工程材料:
本工法使用的主要工程材料使用情况如下表所示。
名称
规格
材质
数量
备注
钢板
δ=20
Q235-B
9t
钢板
δ=14
Q235-B
2t
钢板
δ=12
Q235-B
3t
钢板
δ=8
Q235-B
0.5t
角钢
∠100×10
Q235-B
5t
圆钢
45φ110
0.3t
圆钢
45φ45
0.1t
螺栓
M27×100
钢管
φ325×10
Q235-B
3.5t
七、机具设备:
本工法施工所用的主要施工机具如下表所示:
名称
型号
单位
数量
备注
CO2气体保护焊机
台
6
10t平板汽车
台
1
8t汽车吊
台
1
手提砂轮机
φ150
台
10
角向磨光机
φ100
台
10
卷扬机
10t
台
3
双输滑车组
16t
个
9
单输滑车
8t
个
21
钢丝绳
φ226×37+1
米
1000
绳卡
20
个
50
倒链
10t
个
5
八、劳动组织:
烟囱吊装施工过程包含多工种作、多工序联合作业的项目,劳动力配备根据工序主次、工程量多少、劳动强度的大小做到一专多能,本工法是混合编队,其具体劳动组织如下表示:
序号
工种
人数
作业天数
总工日
1
铆工
2
10
20
2
焊工
4
10
40
3
起重工
2
10
20
4
卷扬机操作工
3
10
30
5
电工
2
10
20
6
维修钳工
1
10
10
8
油漆工
2
10
20
9
普工
4
10
40
10
管理人员
2
10
20
11
合计
22
220
九、现场作业及安全措施
成立吊装指挥小组,配齐吊装所需各工种,一切准备工作就绪,并经技术、安全、质量部门联合检查,确认安全可靠后,由起重总指挥统一指挥吊装。
现场作业采取以下安全措施:
(1)所用的机具、索具、材料应具有合格证及清洗检查试验记录。
(2)钢丝绳、滑车组、吊耳、卡环、绳卡子等必须按吊装方案要求配套,逐件经质量检查合格方可使用,并做好记录。
(3)施工过程中,如果索具缺少需要代用者,必须经负责人员研究和方案编制者同意后方可使用,并做好记录。
(4)吊装前对全体施工人员进行技术方案交底,重要机械操作岗位人员均要有安全作业证
(5)雨、雾、雪及5级风以上天气禁止吊装作业。
(6)建立吊装指挥系统,对施工人员进行现场教育,统一指挥,统一行动。
(7)吊装指挥与吊车司机密切配合,吊钩起落及移送要配合协调,避免冲击动作
(8)起吊前对吊车位置及吊索具状态进行联合复检,排除不安全因素,确认无误后方可起吊。
(9)当吊装过程因故中止时,必须马上采取措施,尽快排除故障,不得使构件长时间处于悬吊状态。
十、质量要求:
工程中依据《化工设备建设安装质量标准》(HJS514-90)和《化工工程建设起重施工规范》(HGJ201-83)施工。
烟囱对接与焊接工艺均按《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)中有关要求施工:
烟囱组装检验:
过程中对烟囱的组装尺寸、坡口尺寸全程进行跟踪检测;对烟囱中心偏差要求中心偏差值小于或等于H/2000,且小于或等于30mm。
烟囱焊接质量检验:
为确保焊缝质量,采用坡口焊接,每条焊缝分3层完成,6个焊工对称布置同步焊接,每焊完一层后,经检查确认无缺陷后,再焊下一层。
为了保证施工质量,在管理上针对工程的特点有组织的全面负责质量工程:
1、成立质量保证体系:
由公司技术科负责,专业负责人、承包施工的队长、班长、质检员组成,全面负责施工中的各道工序质量,有针对性的每月组织一次联合检查,做到施工质量事故苗头消灭在施工前。
2、协调各工种的施工工序交叉矛盾,减少返工现象,认真执行“样板制”。
3、施工中严格贯彻四个原则:
生产者负责质量、预防为主、严格工序控制和检查、帮助相结合。
4、严格控制原材料、设备进场的质量,杜绝不合格和伪劣产品用到工程上。
十一、效益分析:
1、施工工序及方法组织效益
采用倒装法安装烟囱施工简便,易于操作,无需大型高耸起重设备。
有良好的作业环境,保证烟囱对接、施焊等构件的施工质量。
工艺设施经济合理,因不需高耸大型起重设备且不用架设大量的脚手架,减少了设备及人员的投入,顺装与倒装相比费用差别如下两个表中所示,:
①采用顺装法费用清单:
序号
名称
单位
数量
单价
合计(元)
1
25吨汽车吊
台班
2
1800元/台班
3600
2
50吨汽车吊
台班
6
4000元/台班
24000
3
75吨汽车吊
台班
6
7500元/台班
45000
4
120吨汽车吊
台班
6
9600元/台班
57600
5
250吨汽车吊
台班
3
30000元/台班
90000
6
250吨汽车吊进出场费用
80000元
80000
7
脚手架搭设
12000元
12000
8
人工
工日
598
60元/工日
35880
合计
348080
②采用倒装法费用清单
序号
名称
单位
数量
单价
合计(元)
1
滑车组(分五次摊销)
2000元/次
2000
2
桅杆制作与安装(分五次摊销)
20000元/次
20000
3
钢丝绳(分两次摊销)
3900元/次
3900
4
卷扬机租凭费用
台班
10
300元/台班
3000
5
桅杆立柱基础
12000元
12000
6
人工
工日
220
60元/工日
13200
合计
54100
从顺装与倒装安装费用表相对比,烟囱倒装法施工要比烟囱顺装方法施工可节约机械设备费、人员工资、脚手架租赁费等合计293900元,有良好的经济效益。
2、施工人员组织及进度效益
采用倒装方法组织施工,大部分工作均在地面完成,施工人员作业面相对较广,生产效率高,仅用10天便完成了钢烟囱的安装工作,安全、高效、经济。
3、生产质量效益
烟囱在按倒装方法施工方案组织合理,采取质量措施得当,施工过程中无重大质量事故发生,施工质量一次性合格率达98%,间接为项目创造了效益。
4、生产安全措施效益
过程中运用科学的管理,组织协调合理,采取安全措施得当,施工过程中无任何安全事故发生,间接为项目创造了经济效益。
十二、工程实例:
1、江苏大屯铝厂电解二期烟气净化回收系统钢烟囱,烟囱重量约为98.00t,其直径为φ5.1m,高60m。
吊装采用本工法施工,本工程施工合同工期为(2004年11月2日至2004年11月28日)共26天,采用本工法施工实际工期为10天,节约工期61.5%。
施工过程中,质量控制共检测数据135组,分项工程合格达100%。
2、江苏大屯铝厂电解一期烟气净化
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