WS300稳定土厂拌设备料仓倒塌事故分析

设备管理与维修2021翼4
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上）WS300稳定土厂拌设备料仓倒塌事故分析
高振坤
（天津利丰工程技术有限公司，天津300459）
摘要：某WS300稳定土厂拌设备在调试期时，受恶劣气候影响石灰料仓在工地出现倒塌事故，致使工人一死一伤。

计算和分析事
故原因，认为料仓底部4根立柱中间没有加强连接结构、设备就位时间不长、设备稳定性差，在料仓静压、风载荷、物料冲击振动载荷应力的联合作用下引弯折，导致设备垮塌。

在立柱之间加设拉筋加强结构，增加设备整体的刚性和稳定性，未再发生过类似事故。

关键词：
厂拌设备；石灰料仓；倒塌；风载；破拱；冲击中图分类号：
X913.4文献标识码：
B DOI ：
10.16621/ki.issn1001-0599.2021.04.291事故发生经过
某公司WS300稳定土厂拌设备石灰料仓在张家口蔚县工地出现倒塌事故，致使工人一死一伤，现场情况是设备安装就
位仅两三天时间，设备尚处于调试期，且当时天气气候恶劣，有7级阵风和雨。

设备就位后因急于生产，石灰料仓和附近水
泥仓中储满了物料，各集料皮带机均在运行状态，石灰仓和水泥仓均有张紧钢丝绳拉紧。

整体料仓被安放在1.2m 高的水泥墩平台上。

因石灰仓底部螺旋输送机出料不畅，料仓底部有工人用铁锤敲击石灰仓锥形卸料斗部位，同时内部石灰因雨天潮气结块起拱，料仓顶部也站有工人用钢钎进行破拱作业。

石灰仓倒塌事故发生时，局部阵风风力可达7级，料仓底部直径200mm ，厚度10mm 的钢柱在距离平台2m 左右处发生塑性折弯，15t 料仓整体倒塌，并砸在平地上变形，石灰仓锚固的张紧钢丝绳被料仓倾覆力连根拔起。

石灰仓结构尺寸和受力分析如图1所示。

石灰仓支撑立柱高4000mm ，直
径200mm ，壁厚10mm ；因材料误差壁厚可小0.15~0.30mm 。

石灰仓圆柱体部分高8000mm ，整体迎风高度约有9500mm 。

因料仓立柱折弯变形导致整体料仓失稳倒塌，故应从整体料仓立柱的强度、刚度、稳定性方面入手分析料仓的受力情况、外界风载荷、振动载荷情况以及物料载荷压力情况。

2风载受力分析2.1料仓风载荷
7级风：
风速v =13.9~17.1m/s ，风压q =0.125伊v 2=24.15~36.55
kg/m 2。

图1石灰仓结构尺寸和受力分析查滚圈内表面是否焊平，用电弧气刨刨去一道焊层，检查焊接质量，确认无问题后，再焊接第二层。

为加快进度，焊接第二层用椎5mmJ507焊条。

焊接采用多层多道焊接方式进行施焊，每层焊接厚度不超过4mm ，上层焊道压住下层焊道的1/2耀2/3。

每层焊接后用风铲锤击焊道表面，由中间向侧面方向锤击，去除焊渣，消除焊接应力。

焊道横向由里向外向上排列施焊，焊接过程连续进行。

第一段焊接留下30毅坡口接茬，以备下一段焊接时结合，确保整体质量。

层间温度控制在330耀370益，检查每层焊道，若存在裂纹、气孔、弧坑未填满等缺陷，及时处理。

5.3第二段坡口焊接
第一段焊接到滚圈1/2厚度时停止焊接，用电弧气刨切割
另一段焊层，完成后进行第二段焊接。

每层焊道压住第一段坡口
接茬，待焊接厚度与第一段平齐后，采取两人同步焊接。

方法是两人同时打弧，结合处交替施压焊道，焊接速度提高1倍，更好保证焊接质量。

5.4
焊接余应力消除与表面打磨
焊接完成后，按4.4焊接应力消除方案消除残余应力。

待温度降至常温后，焊口表面打磨光洁，经检测，焊接质量符合使用
要求，系统恢复正常生产，滚圈修复成功，修复过程用时85h 。

6结论
（1）设计滚圈备件时，应根据设备运行环境和受力情况，在满足使用条件下选择材料，即芯部有较好的韧性、表面有较高的硬度、抗耐磨性。

例如，ZG310-570（ZG45）、ZG35SiMn ，不能参照转炉、阳极炉滚圈选取材料，并非越贵越硬的材料就是好材料。

（2）焊接大型零部件，在负荷没有卸载条件下，为确保部件尺寸不发生形变，坡口切割一定要分段进行，不可整体切断。

（3）对中碳调质钢ZG42CrMo 材料，采用手工电弧焊方法进行堆焊，首先要选择合适的焊接材料。

实践证明，选用力学性能综合指标均较母材性能低的焊条，效果较为理想。

（4）为防止ZG42CrMo 材料焊接出现的冷、热裂纹，在严寒的冬季，坡口切割及焊接前工件应进行预热，减少应力集中。

焊接过程中控制好层间温度和焊后的热处理残余应力消除，是保证焊接质量的关键。

采用合理的焊接工艺，可以使手工电弧堆焊质量满足设计使用要求。

（5）焊接修复后的滚圈不可长期维持使用，需立即着手准备备件，适时更换。

〔编辑凌瑞〕
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上）2.2水平风力
P=K 1K 21q 0f 1l 1D 01伊10-6+K 1K 22q 0f 2l 2D 02伊10-6
式中l i ———第i 段计算高度，m
f i ——
—风压高度变化系数，取f i =1.0D 0i ———料仓各计算段外径，mm K 1———
体型系数，取K 1=0.7K 21，K 22———料仓各计算段的风振系数，K 2i =1+灼i 淄i 渍zi /f i
（其中，灼为风振脉动增大系数，淄i 为风振脉动影响系数，渍zi 为振型系数，当H 臆20m 时，取K 2i =1.7）
经过计算，求得P =0.7伊1.7伊1.0伊8伊2.4伊（24.15~36.55）+0.7伊
1.7伊1.0伊1.5伊
2.4伊（24.15~36.55）=655.1~991.7kg 。

2.3风弯矩
经过计算，M w I-I
=P 1L 1/2+P 2（L 1+L 2/2
）=（104.9~158.9）伊9.81伊1.5/2+（551.8~835.1）伊9.81伊5.5=30.5~46.1kN ·m 2.4立柱所受风载荷最大压应力
滓F max =M w I-I
/（1.41伊2.4伊S ）
其中，1.41伊2.4为矩形立柱对角长度；S 为立柱横截面面积。

滓F max =46.1伊103/（1.41伊2.4伊0.59伊10-2）=2.3MPa
立柱所用材料为Q235-A ，最大抗压强度为235MPa ，安全抗压应力可达140MPa 、远大于2.3MPa 。

可见，单纯的风载荷不会导致料仓失稳倒塌。

3料仓静应力分析
石灰总重G =15000kg=1.47伊105N 石灰料仓自重G z =1200kg=1.2伊104N 立柱受力F=（G+G z ）/4=4.88伊104N
每根立柱上的压应力滓1=F/S =4.88伊104/0.59伊10-2=8.27MPa 。

考虑到设备刚就位几天，整体4根立柱受力难免不均，设备整体稳定性差，估算立柱上受的力为平均重力的1.5倍，则有立
柱上的静压应力为12.41MPa 。

静压应力和风载荷应力共同作用下，立柱最大应力可达
14.71MPa ，
这也不会导致料仓失稳倒塌。

4料仓动载荷分析
由于工地现场料仓内石灰不能很好地出料，经分析得知石灰物料在料仓内的流动性不好，造成石灰在料仓内堵塞从而结拱。

产
生这种现象的因素很多，其主要因素有3个：淤石灰物料储存时间的过长，水分增加导致物料结块；于物料与仓壁的黏着作用；盂料仓的结构造型，导致物料无法顺利流通，局部会因为压力过大而结拱。

（1）料仓内石灰储存时间虽然不长，但因为雨天有水气，料仓的密封性不好，加之干粉石灰容易吸水，从而导致石灰物料在仓内15t 总重的压力下有一部分结块。

石灰拱在料仓内部形成，拱上部的物料堆积泄不出去，操作工人为了让石灰畅快地输送到集料仓内，采用铁锤敲击料仓底部，力度很大，整个料仓都会瞬间振动，就是为了破坏石灰拱。

如果石灰拱不大，在上部石灰的重压下和铁锤的振击力作用下，石灰会很快泄到螺旋输送机上。

如果石灰拱的厚度过大，这时就得在顶部用铁钎来破坏石灰拱。

（2）料仓内石灰稳定流动时石灰与料仓内壁的摩擦因数大导致石灰物料与仓壁的静摩擦角大，在底部锥形仓部位石灰流动容
易被阻滞，这是原因之一；另外料仓内储存石灰物料的高度为
8m ，
干粉石灰物料的颗粒很细，物料透气性变差，石灰物料在仓内形成负压，在料仓出口处形成结拱，这是原因之二。

（3）料斗出口的形状也是影响物料流动性的一个因素，圆形出口比长方形出口更容易结拱，由于料仓底部为螺旋输送机接口是法兰式圆盘，所以对接的出口是圆形的（图2）。

综上可知，无论是哪种结拱形式，都需要借助外力把已结的拱从力学角度进行破碎。

石灰仓本身带有压缩空气破拱装置，但
该装置未能有效发挥作用。

工人进行锤击的目的，主要是使仓壁振动而使物料运动，锤击力不足以引起料仓和支柱的过大振动，但当石灰拱被破坏掉时，拱层上部的石灰会很快塌落，此时如果拱层距离底部料仓出口的空间过大，拱层上部或侧部落下的石灰会形成很大的冲击，导致整个料仓都会剧烈振动乃至摇晃。

尽管料仓顶部有张紧钢丝绳也不能使料仓保持稳定。

为定性验证上面分析，下面假设石灰拱上部有7.5t 荷重，破拱后突然从5m 高度下落，冲击时间为0.1s ，冲击压力全部作用在一根立柱上。

计算的冲击力如下：
下落速度v =2gh 姨=2伊9.81伊5姨2伊9.81伊5姨=9.9m/s
冲击力F=mg+mV/t =7500伊9.81+7500伊9.9/0.1=816075N
因此，单根立柱上的冲击压力滓冲=F/S =81.61伊104/0.59伊10-2=
138MPa 。

此数值接近于立柱的安全许用应力140MPa ，再加之前述的风载荷应力和静压应力，则超过了10mm 厚的200mm 直径的立柱截面许用应力。

由于料仓底部4根立柱是独立的，中间没有加强连接结构，设备就位时间不长，设备安装误差没法消除，稳定性差，单根立柱的刚性也差，所以在上述这些应力的联合作用下，尤其是破拱时的冲击应力作用下，容易发生弯折，从而导致设备垮塌。

5优化措施
吸取了以上教训后，在后来其余厂拌设备的安装调试过程中，在立柱之间加设了拉筋加强结构，增加了设备整体的刚性和
稳定性，未再发生过垮塌这样的重大事故。

参考文献
［1］NB/T 47003.2—2009，固体料仓［S ］.北京：中国标准出版社，2009.［2］王顺喜.仓料储存防拱综述［EB/OL ］.https:///p-306909389.html.
［3］天津鼎盛公司.WS300稳定土厂拌设备说明书［Z ］.
［4］朱兆华.石灰石料仓事故倒塌分析［J ］.化工设计通讯，2017，43（6）：161，183.［5］刘鸿文.材料力学［M ］.北京：高等教育出版社，1983.
〔编辑
吴建卿〕
图2
结拱的形状。