严寒地区两万吨级水泥钢板库倒塌的原因

 

与钢板库相比，相同储量混凝土库建设费用约为钢板库的两倍，而且占地面积比较大，建设周期长。而钢板库具有建造周期短、投资省、容积率高的优点，因此在水泥项目投资过程中，不少业主将原采用钢筋混凝土材质建造的水泥库改用钢板建造的钢板库，而且单个库储量达到2万t，这种钢板库在南方建设较多，且有较为成功的使用经验，但是我国北方从2009年以后才开始陆续使用。据笔者了解在北方冬季倒塌的钢板库多达6个，这说明2万吨级大型钢板库在北方的冬季使用存在较大的安全隐患。

 

1、2万吨级钢板库的使用情况

 

我公司钢板库设计规格为Φ26 m×31 m，底部为混凝土基座，出料廊道上方采用拱型钢焊接，库壁采用钢板焊接而成，钢板均采用Q235钢板。其中0～4.5 m钢板厚度为16 mm，4.5 m～9.0 m钢板厚度为14 mm，9.0 m～15 m钢板厚度为12 mm，15.0 m～21.0 m钢板厚度为10 mm，21 m～28.5 m钢板厚度为8 mm，圆拱形库顶钢板厚度为6 mm。钢板库库壁环向每隔1.5 m（即每张钢板宽度方向的中间）用140 mm槽钢弯成弧形作为加强圈，如图1所示。钢板库水泥储量设计为2万t。这些钢板库在2009年年底投入使用，在以后的近三年中陆续使用，在11月之前钢板库的使用并没有出现任何异常。但是进入12月以后，由于气温急剧下降，在2009年12月6日部分钢板库就出现了倒塌现象。倒塌发生在夜间，当时的气温为-32 ℃。倒塌时，整个钢板库底部库壁钢板开裂，水泥大量外溢，造成整个钢板库损坏。倒塌前钢板库内有约1.2万t水泥。

 

 

2 原因分析

 

由于钢板库的倒塌并非只发生在一个水泥企业，在其它水泥企业也有类似事故发生，对这些倒塌的钢板库进行统计分析，我们基本上得出以下三点共性的结论：

 

（1）倒塌发生的时间基本上是冬季的夜间，也就是一年中最冷的时段，室外温度在-20 ℃以下； 

 

（2）倒塌的钢板库内存入的水泥在1万t以上，也就是设计储量的50%以上； 

 

（3）倒塌的钢板库钢板的破裂并非单方向或延焊口处破裂，而是呈不规则多方向破裂，如图2所示。

 

 

钢板库倒塌后，相关设计和施工单位对倒塌钢板库进行统计分析，并与其它发生过钢板库倒塌的单位进行比对分析，排除了设计和施工质量问题。如果说钢板库设计时存在强度考虑不足，那么其它企业不同设计的钢板库为什么也发生了倒塌，而且这些库在春、夏、秋三季使用是安全的，又没有损坏现象，因此我们认为造成钢板库倒塌的原因应有两方面：

 

（1）钢板在低温（-20 ℃）状态下钢板强度下降。由于钢板使用的是普通的Q235材质钢板，这种钢板在低温下呈现冷脆性，塑性、抗拉强度急剧下降。  

 

（2）在低温下，库壁钢板收缩，但是钢板收缩要远远大于库内水泥的收缩，导致钢板收缩后产生的应力超过了在该温度下钢板的抗拉强度而造成钢板破裂。钢板的膨胀系数约为10-5/℃，直径为26 m的圆周当温度变化1 ℃时的膨胀量为1 ℃×26 000 mm×3.14×10-5/℃=0.816 4 mm。由于水泥的温度在入库时约50 ℃（即使是在冬季也基本如此），该温度必然会使钢板库库壁温度上升，经过一段时间以后，钢板库库壁钢板温度会降到自然环境温度并随环境温度变化而变化，而此时库内水泥内部温度由于体积巨大则很难冷却至自然环境温度。因此在冬季库壁钢板温度与水泥温度存在明显的温差，基本上达到70 ℃以上。在低温状态下，钢板的伸长率和抗拉强度都急剧下降，此时钢板在低温下收缩产生的应力已经超过了钢板的抗拉强度，因而导致钢板破裂、钢板库倒塌的惨剧。 

 

3 严寒地区建造与使用钢板库的几点设想

 

（1）选用在低温下抗拉强度高的耐低温钢板； 

 

（2）在钢板库内壁增加一层保温层，减小水泥与库壁钢板的温差，同时也能解决库内水泥由于冬季结露造成的结块现象； 

 

（3）进入冬季后要对库内水泥进行倒库，及时消减库壁钢板的收缩应力； 

 

（4）在钢板库内壁设置压力传感器以便能够直观地了解库壁钢板的受力情况，为水泥倒库提供依据。 

 

4 结束语

 

水泥钢板库在水泥生产线的新建和扩建中扮演着十分重要的角色，尤其是在北方冬储水泥中地位更加重要，因而在设计时不但要考虑到当地环境温度的因素，而且还要考虑到极端恶劣天气的因素，以确保水泥钢板库在北方冬储水泥过程中安全地发挥其优势。