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）

1 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1.2 m 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200 mm，厚度10 mm 的钢柱在距离平台2 m 左右处发生塑性折弯，15 t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。

图1 石灰仓结构尺寸和受力分析

石灰仓支撑立柱高4000 mm，直径200 mm，壁厚10 mm；因材料误差壁厚可小0.15～0.30 mm。石灰仓圆柱体部分高8000 mm，整体迎风高度约有9500 mm。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=13.9～17.1 m/s，风压q=0.125×v2=24.15～36.55 kg/m2。

2.2 水平风力

式中 li——第i 段计算高度，m

fi——风压高度变化系数，取fi=1.0

D0i——料仓各计算段外径，mm

K1——体型系数，取K1=0.7

K21，K22——料仓各计算段的风振系数，K2i=1+ζiνiφzi/fi（其中，ζ 为风振脉动增大系数，νi为风振脉动影响系数，φzi为振型系数，当H≤20 m 时，取K2i=1.7）

经过计算，求得P=0.7×1.7×1.0×8×2.4×（24.15～36.55）+0.7×1.7×1.0×1.5×2.4×（24.15～36.55）=655.1～991.7 kg。

2.3 风弯矩

2.4 立柱所受风载荷最大压应力

其中，1.41×2.4 为矩形立柱对角长度；S 为立柱横截面面积。

立柱所用材料为Q235-A，最大抗压强度为235 MPa，安全抗压应力可达140 MPa、远大于2.3 MPa。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=15 000 kg=1.47×105N

石灰料仓自重Gz=1200 kg=1.2 ×104N

立柱受力F=（G+Gz）/4=4.88×104N

每根立柱上的压应力σ1=F/S=4.88×104/0.59×10-2=8.27 MPa。

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12.41 MPa。

静压应力和风载荷应力共同作用下，立柱最大应力可达14.71 MPa，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：①石灰物料储存时间的过长，水分增加导致物料结块；②物料与仓壁的黏着作用；③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15 t 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8 m，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）。

图2 结拱的形状

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7.5 t 荷重，破拱后突然从5 m 高度下落，冲击时间为0.1 s，冲击压力全部作用在一根立柱上。计算的冲击力如下：

因此，单根立柱上的冲击压力σ冲=F/S=81.61×104/0.59×10-2=138 MPa。

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