分段塔架臥式拼裝時(shí)錐體結(jié)構(gòu)精度控制

李 籍，邢惟妍，禹 浩

1.中國(guó)石油物資有限公司，陜西西安 710000

2.中國(guó)石油蘭州石化公司榆林化工有限公司，甘肅蘭州 730060

3.中國(guó)石油天然氣銷(xiāo)售河南分公司，河南鄭州 450000

1 工程概況

蘭州石化1.5 萬(wàn)t/a 硫磺回收裝置環(huán)保升級(jí)達(dá)標(biāo)改造工程煙囪塔架總高82 m，質(zhì)量約78 t，呈正三棱錐體結(jié)構(gòu)，底部跨距13 m，頂部跨距4.8 m，主肢由外徑逐步減小的無(wú)縫鋼管組成。由于施工現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域狹小，不具備整體制作和吊裝條件，因此采用了現(xiàn)場(chǎng)分段預(yù)制，逐段吊裝的施工方法。根據(jù)塔架長(zhǎng)度、重量、平臺(tái)位置以及現(xiàn)場(chǎng)吊車(chē)的工況，將整個(gè)煙囪塔架共分為四段，高度分別為：19、20、30、13 m。為減少空中組裝的累積誤差，需嚴(yán)格控制在地面預(yù)制的每一段塔架的結(jié)構(gòu)精度[1]。

2 拼裝方案選擇

為預(yù)制出三棱錐體結(jié)構(gòu)，有三種拼裝方案可供選擇：

（1） 方案一：胎具式拼裝。水平臥式將兩根主肢先拼裝成單片，完成第一面的拼裝，然后通過(guò)胎具或者支架將第三根主肢固定，最后在立體空間位置進(jìn)行第二、第三面的拼裝，如圖1 所示順序：①-②-③。但是該方法需要根據(jù)塔架的分段情況分別搭設(shè)或調(diào)整胎具（支架），每段拼裝均需要搭、拆大量腳手架，既費(fèi)工又費(fèi)時(shí)。

圖1 胎具式拼裝示意

（2） 方案二：翻轉(zhuǎn)式拼裝。這也是常用的一種施工方法，即水平臥式先拼裝成單片，用吊車(chē)提升翻轉(zhuǎn)60° 擱置于定位支架上，而后繼續(xù)在平臺(tái)面拼裝第二面，最后在立體空間位置拼裝第三面，如圖2 所示。塔架拼裝、翻轉(zhuǎn)需采用兩臺(tái)25 t汽車(chē)吊配合。該方案能夠利用水平臥式（地面）的有利位置，很好地保證第一面和第二面的結(jié)構(gòu)尺寸，只需通過(guò)嚴(yán)格控制翻轉(zhuǎn)角度，即可實(shí)現(xiàn)第三面的連接。

圖2 翻轉(zhuǎn)式拼裝示意

但是，此方案存在不利因素：首先采用雙車(chē)翻轉(zhuǎn)，在這種不穩(wěn)定的狀態(tài)下，第一面翻轉(zhuǎn)角度的測(cè)量精度并不易控制，可能會(huì)伴隨定位支架多次調(diào)整；其次，成片面積較大（主肢最大間距達(dá)13 m），翻轉(zhuǎn)后僅靠中間的槽鋼（鋼管） 梁、拉桿以及支架并不能完全防止扭曲；最后，定位支架可能還會(huì)影響第二面和第三面的拉桿連接。這就意味著既要占用較多的吊車(chē)臺(tái)班，還要多次調(diào)整、搭拆支架，甚至還不能保證結(jié)構(gòu)精度。

（3） 方案三：順序式拼裝。以一段塔架為例，拼裝順序如圖3 中①-②-③所示。先完成水平臥式第一面（面B1B2C2C1） 單片拼裝，然后進(jìn)行空間立體的連接梁拼裝（A1B1，A1C1、A2B2、A2C2），最后安裝第三根主肢（A1A2）。

圖3 順序式拼裝示意

相比方案一，方案三減少了胎具（支架） 搭設(shè)調(diào)整的工作量，更經(jīng)濟(jì)，也利于進(jìn)度控制。相比方案二，方案三不需要定位支架，免除一些調(diào)整搭拆所做的無(wú)用功，也減少安全風(fēng)險(xiǎn)；另外，由于單片無(wú)需翻轉(zhuǎn)，所以可節(jié)約一臺(tái)吊車(chē)，同時(shí)由下向上“搭積木”式的拼裝也使吊車(chē)的有效利用率更高。通過(guò)對(duì)比分析可知，方案三具有明顯的經(jīng)濟(jì)、安全和進(jìn)度優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)施工將采用此方案。

由圖3 可看出，該方案拼裝將涉及空間位置確定和尺寸的測(cè)量。結(jié)合正三棱錐體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有兩個(gè)傾斜尺寸需要嚴(yán)格控制：其一，臥式拼裝時(shí)面A1B1C1和A2B2C2傾斜程度；其二，第三根主肢A1A2的斜率。在拼裝時(shí)，由于空間點(diǎn)A1和A2位置未知，如何保證塔架的空間結(jié)構(gòu)和主肢斜率將成為一個(gè)難點(diǎn)，以下將通過(guò)模型計(jì)算來(lái)選擇測(cè)量方法。

3 錐體結(jié)構(gòu)控制計(jì)算方法

以面A1B1C1為例，它相對(duì)于水平面有一定的傾斜角度，作A1M1⊥面B1B2C2C1（如圖4 所示），經(jīng)過(guò)幾何計(jì)算可以得到|F1M1|和|A1M1|長(zhǎng)度。根據(jù)演繹法，在施工過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量線段|F1M1|的長(zhǎng)度可驗(yàn)證控制面A1B1C1傾斜度，解決了錐段豎直時(shí)三角橫梁水平度的問(wèn)題；通過(guò)調(diào)整線段|A1M1| 和|A2M2|長(zhǎng)度（或兩者高差） 就可控制第三根主肢A1A2的斜率，解決了錐體結(jié)構(gòu)豎直時(shí)是否到位的問(wèn)題。為方便觀察計(jì)算，將圖4 翻轉(zhuǎn)至豎直位置，如圖5 所示。

運(yùn)用立體幾何可得：

圖4 輔助線示意

圖5 立體幾何分析

臥式拼裝時(shí)分段塔架的空間結(jié)構(gòu)和主肢斜率可以通過(guò)測(cè)量加以控制，根據(jù)上面的理論計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)拼裝[2]。a1、a2、h 為已知量，由圖紙?zhí)峁?/p>

4 結(jié)構(gòu)拼裝精度控制和檢驗(yàn)

4.1 主肢預(yù)制拼接

拼裝前，按照?qǐng)D紙長(zhǎng)度尺寸在廠房?jī)?nèi)分段預(yù)制主肢及其他零部件。對(duì)同一管徑的主肢預(yù)制段，嚴(yán)格檢查直線度偏差；對(duì)于有變徑或變斜率的主肢管段，尤其要加強(qiáng)變徑處尺寸控制。以其中一段為例，通過(guò)CAD 放樣可得到制作過(guò)程中所有需要的長(zhǎng)度和截面尺寸（如圖6、圖7 所示）。按尺寸精確定位劃線，實(shí)際組對(duì)時(shí)，每道口的組對(duì)間隙、錯(cuò)邊量均控制良好，保證了過(guò)渡段和偏心錐段的制作精度，為后續(xù)拼裝工序打下良好基礎(chǔ)。

圖6 主肢變斜率和變徑情況下放樣示意

4.2 地面單片組裝

在塔架組裝現(xiàn)場(chǎng)用H 型鋼（HM440 × 300 ×11×18） 和鋼管 （φ108 mm ×4.5 mm） 搭設(shè) 1 個(gè)長(zhǎng)30 m、寬12 m 的拼裝平臺(tái)，并用水平軟管抄平。拼裝時(shí)，按圖打出地樣，并焊接定位擋板。主肢上同一節(jié)點(diǎn)處的連接板夾角60°通過(guò)樣板校準(zhǔn)并點(diǎn)固，其余各構(gòu)件嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸定位點(diǎn)焊，單片組裝完成后檢查兩端的主肢間距和對(duì)角線尺寸。

圖7 變徑處偏心錐段放樣

4.3 空間立體拼裝

首先進(jìn)行側(cè)面三角橫梁的拼裝，通過(guò)計(jì)算θ值，制作樣板，按照樣板調(diào)整主肢軸向的傾斜角度。但是，考慮到三角橫梁的長(zhǎng)度較大（最大的長(zhǎng)約11 m），傾斜角輕微偏差很容易產(chǎn)生“差之毫厘謬以千里”的結(jié)果，所以還需測(cè)量橫梁兩端軸向距離以驗(yàn)證傾斜度。圖8 為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量示意。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量示意

上文錐體結(jié)構(gòu)控制計(jì)算方法中的尺寸，均為桿件中心到中心的理論值，在實(shí)際拼裝時(shí)無(wú)法直接測(cè)量。但在確定的傾斜角度下，任意截取一段主肢，兩端軸向距離將與上文模型中|F1M1|成比例。參照?qǐng)D4 和圖8，有：

將|F′M′|理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，也就能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證、復(fù)核橫梁傾斜程度的目的。

現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量通過(guò)吊線墜的方法實(shí)施。以橫梁為鋼管為例（如圖8 所示），在橫梁上部任意位置通過(guò)圓環(huán)吊一線墜，由角尺比對(duì)即可確定該線墜所對(duì)應(yīng)的橫梁上的R 點(diǎn)，任取一段|RW|，由W 點(diǎn)拉一水平線繩，與線墜一起即可測(cè)得|F′M′|。

經(jīng)過(guò)角度樣板和線墜測(cè)量復(fù)核的雙重控制，起吊后橫梁水平度就得到了保證。

接著及時(shí)點(diǎn)焊牢固，開(kāi)始安裝第三根主肢。首先將光滑的主肢安放在傾斜的三角橫梁端頭，嚴(yán)格按照理論值調(diào)整線段|A1M1|長(zhǎng)度，高度確定后再安裝點(diǎn)焊連接板。依次類(lèi)推，最終在保證其傾斜角度的情況下完成第三根主肢與三角橫梁的連接，如圖9 所示。

圖9 第三根主肢安裝示意

拼裝完成后，檢查上、下結(jié)合面的各尺寸差、豎面對(duì)角線長(zhǎng)度差、截面對(duì)角線差等，嚴(yán)格控制在允許偏差范圍內(nèi)[3]。確認(rèn)無(wú)誤后，采取利于控制變形的順序進(jìn)行對(duì)稱(chēng)、均勻施焊，長(zhǎng)焊縫采用分段跳焊法，并加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的監(jiān)測(cè)。

5 分段吊裝后各主肢傾斜偏差測(cè)量

分段組裝后的主肢在空間上是傾斜的，其主視圖也是傾斜的，如圖10 所示。而各鋼結(jié)構(gòu)施工驗(yàn)收規(guī)范只對(duì)垂直度做了規(guī)定[4]，將依照垂直度的測(cè)量對(duì)傾斜主肢在水平方向上的允許偏差進(jìn)行換算，如圖11 所示。

圖10 圖紙上主視圖形狀尺寸示意

圖11 傾斜主肢水平偏差換算示意

整個(gè)塔架是由不同錐度的四段組成（與吊裝分段并不完全一致），在塔架分段吊裝后，通過(guò)經(jīng)緯儀和鋼卷尺測(cè)量各待測(cè)錐段的|C1E|值（見(jiàn)圖5），而后計(jì)算其與圖紙偏差值，最大偏差值見(jiàn)表1。

總之，經(jīng)過(guò)吊裝后的復(fù)核證明，預(yù)制階段采取的測(cè)量方法及措施能夠有效地控制錐體結(jié)構(gòu)的拼裝和空中組對(duì)，滿足精度要求。該方法解決了水平臥式狀態(tài)下三角橫梁傾斜度和主肢斜率測(cè)量難題，節(jié)約大量的預(yù)制時(shí)間，使現(xiàn)場(chǎng)的施工過(guò)程及結(jié)構(gòu)復(fù)驗(yàn)更為簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確。

表1 塔架安裝后整體尺寸偏差測(cè)量值

6 結(jié)論

塔架分段預(yù)制時(shí)，采用新的拼裝方案，并經(jīng)計(jì)算分析提出簡(jiǎn)單易行的測(cè)量方法用于錐體結(jié)構(gòu)的安裝控制和檢驗(yàn)，在實(shí)踐中應(yīng)用效果良好，既保證了制作和安裝精度，也節(jié)約了大量的時(shí)間和資源。這也為今后特殊結(jié)構(gòu)制作、安裝時(shí)，通過(guò)測(cè)量控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)化，尋求更加方便準(zhǔn)確的測(cè)量方法提供了借鑒。