钢板仓常见故障分析及设计优化

摘 要 本文通过对水泥、微粉生产领域采用的大容积钢板仓的常见故障进行分析与对比，结合故障原因，提出针对性的设计优化原则，可有效避免钢板仓发生故障或事故。

关键词 钢板仓；故障；设计；优化

中图分类号TU39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）64-0102-02

0 引言

近年来钢板仓的应用日见增加，与传统的钢筋砼仓体相比，其具有建设工期短、建设费用低、维护费用低等优势。在容量5 000m3~50 000m3范围内，尤其具有优势。

钢板仓由基础、仓壁、仓顶和配套的进料系统、出料系统等组成。目前进仓和出仓多采用气力输送，配合一定的仓底结构，其出料率可达90%以上甚至达到98％~99.9％，且结构简单，使用成本低。如图1。钢板仓建设工期一般在120天以内。

但是，由于多方面的原因，国内钢板仓发生故障甚至事故的情况时有发生，不仅造成人员伤亡和设备损失，还使用户对钢板仓的可靠性和优点产生怀疑，对钢板仓的推广应用极为不利，因此很有必要进行相应的分析与设计完善，使钢板仓真正发挥其优势。

1 板仓设计概述

1）基础设计：为了降低建设费用，多采用允许沉降的钢筋砼筒壳薄壁整体基础，对地基的均匀性和仓内载荷的均匀性要求高；2）仓壁设计：多采用钢板搭接形式，按空仓在内外均压下保持稳定设计，即不受外压，仓壁钢板按满仓的内压强度要求设计；3）仓顶设计：多采用球面薄壳拱顶，内设支撑弦杆；4）进料设计：多为气力输送的管道从仓顶中央进料，基本体保证对仓底对称下料；5）出料设计：多为气动流化和物料自重流动结合，配合相应的仓底基础表面形状和下料口分割，这一部分目前有以下模式：

（1）单点单廊道出料；（2）多点单廊道出料（可为2点、3点、4点下料，很少采用）；（3）多点双廊道出料（可为4点或6点、8点下料），如图3，4；（4）多点三廊道出料（可为9点、11点、14点下料），如图5，6。

各钢板仓设计单位在这部分的处理也相互差别较大，但各种下料方法也各有利弊。单点单廊道出料具有防止仓内偏载、控制简单等优点，但中心冲击压力大，需要设置减压锥，并且出料率比多点出料略低，且流化运行成本略高。多点多廊道出料的出料率高，运行成本低，但控制复杂，且容易发生仓内偏载而导致仓体倾斜等故障。

2 钢板仓的常见故障及其原因

2.1 钢板仓的常见故障

1）出料困难：仓内物料无法正常出料；钢板仓倾斜：基础不均匀沉降使仓体倾斜；3）钢板仓开裂：仓壁钢板或仓顶钢板本身或焊缝开裂；4）钢板仓垮塌：外压过大仓顶或仓壁钢板失稳塌陷。

2.2 出料困难的原因

物料板结，由于物料长期有存放积压板结，或基础裂纹渗水、仓内结露、受潮等。

为防止此问题发生，要定期进行了流化操作，并在基础设计、施工中严格执行防水要求。施工时地基处理要按最不利情况考虑。此外，也有可能是仓内堆料偏载导致基础受力不均而出现裂纹使潮气进入仓内。其他还有气力输送的空气干燥不足、仓内外的气压平衡系统空气干燥不足、钢板仓建好后其气密性不符合要求等原因。

如果物料板结使仓内大量物料不能出库，将导致停产，而且清库工作量大且难以进行，属于比较大的故障，因此必须绝对避免板结。

此外下料口故障等原因也可引起出料困难，但处理比较容易。

2.3 仓体倾斜的原因

1）仓内物料堆积偏心或出料不均匀造成偏载；

2）地基局部浸泡或地基土质不均匀。

其中第一种情况以多点出料的钢板仓为主。后一种情况则各类钢板仓均有可能发生。倾斜有可能导致仓体垮塌。倾斜发现后，可采取一些纠偏措施进行矫正。

2.4 仓体开裂的原因

1）偏载引起仓壁局部超载失稳而开裂；

2）焊接强度不足或焊接有缺陷，造成焊缝开裂，属施工质量问题；

3）疲劳开裂，由于长期进出料引起仓内的压力反复变化，或者温度变化导致仓体膨胀、收缩造成仓内压力变化，导致板材或焊缝疲劳开裂。

2.5 仓体垮塌

1）仓顶塌陷：因外部风、雪载荷作用，或因气压平衡不足，出料太快在仓内产生负压，将仓顶压垮；

2）仓壁塌陷：因外部风载荷作用，或因气压平衡不足，出料太快在仓内产生负压，将仓壁压垮。或物料堆积偏斜引起失稳开裂、进而垮塌。

3 钢板仓的设计优化

1）出料困难：设计完善的基础防水结构，严格的地基处理要求，气力输送和气压平衡的空气必须经过严格的干燥，仓壁气密性要严格控制。并尽量使出料廊道底面处于地下水位之上。必须设计下料口发生故障难以排料时的封料阀门，以实现下料口的维修与更换。并设计备用的紧急出料通料，以便安全清库，处理意外板结等出料困难故障；2）仓体倾斜：优先采用刚性地基和刚性基础，保证入料均匀堆放，并优先采用单点出料方式。多点出料虽然有其优点，但由于人为操作失误或某些下料口发生故障时，易于导致物料偏斜。多点出料虽然可以配合相应的称量、计量系统以保证各点出料量相同，进而防止物料偏载，但由于统计等误差的累积，和人为误操作，偏载的可能性实际是很高的，其主要优点是由于不会发生各下料口同时发生故障而导致大量物料存于仓内，有利于减少清库工作量和难度，这对于单点出料来说有突出优势。此外多点出料的出料率较高。在土质偏软、或地基处理费用大的情况下可以采用允许沉降的基础，但在土壤承载力较高的地区，应采用刚性不沉降基础。

因此，如果采用允许沉降的基础，则必须配套单点出料系统，以防止仓内偏载，并设置紧急出料通道和系统。如果采用刚性不沉降基础，则可以采用多点、多廊道出料系统，也需配有清库通道。无论何种出料方式，均应优先采用重力自流为主的出料方式，以减少使用能耗和维护费用，而以气力流化出料为辅；

3）仓体设计应留着足够的安全余量，并进行温度应力与进出料压力变化的疲劳验算，要考虑物料偏斜的极限情况下仓体的稳定性和强度要求。仓体应按受一定微负压，最大雪载荷，最大风载荷、内部物料偏斜存放这四种载荷共同作用进行设计，只有这样才是安全的。正常情况，由于气压平衡的作用，仓内不会出现负压超标情况，但由于气压平衡系统的故障可能发生，且不易及时觉察，即使有检测报警装置也难免长期之后工作不良，而造成事故。因此，应当按照最不利的载荷组合进行设计。

仓壁应按筒壳设计，即设置环向和轴向加劲肋，加劲肋优先采用T型截面，以提高仓壁的承载能力，并节省钢材。在施工中必须优先保证其环向加劲肋的完整性；

4）仓顶设计应采用加劲球壳并配有弦杆，应至少设计3个均压阀，并配套干燥装置。安排人员定期检查，有故障及时修复，以确保仓壁内外的压力平衡。应在库顶设置人工观察的监视孔，配合外部照明光源定期检查库内物料的情况，以及时发现偏库存放的情况，及时处理。此外，仓顶必须配有补压装置，保持仓内总是处于微正压状态。否则一旦仓内出现负压，即使低于0.01N/mm2的负压，也很有可能将仓体、仓顶压垮；

5）为了防止昼夜、冬夏仓体温度变化太大而产生应力和疲劳、以及仓内结露等问题，仓体必须进行外保温设计，可采取聚苯板、聚氨酯等保温材料进行保温、防腐。

4 其他措施

钢板仓建设完毕，必须进行气密性试验，严格要求达标，不达标要，彻底处理。

在生产使用中，应根据物料的性质确定时间间隔，定期对仓内物料进行活化操作，以防止仓内物料长期存放发生板结，造成出料困难。且每年至少清库一次，进入库内将所有流化系统部件进行全面检查与试验，并更换有故障的器件。

根据地质情况定期进行钢板仓的周圈均布8点的沉降测量，以及时发现倾斜等问题。

5 结论

采取以上的设计优化和措施，将使建设费用比目前通常的设计有所增加，但属于一次性投资，将避免和减少钢板仓发生故障和事故。与发生故障、事故所造成的设备损失、人员损失、停产损失、恢复处理费用等相比，显然是经济的。因此，针对具体的钢板仓建设环境，对应选取以上优化措施以实现避免和减少钢板仓使用故障，而不是单纯考虑建设费用的控制，将为用户带来更好的效益，也必将有利于钢板仓的广泛应用。

参考文献

[1]编委会.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[2]徐灏主编.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991.

[3]周承倜编.薄壳弹塑性稳定性理论[M].北京：国防工业出版社，1979.