Стальной силос — Подъём двумя кранами: Проектирование, Выполнение и Управление рисками

Подъём двумя кранами (tandem lifting) — это метод, при котором два крана совместно воспринимают нагрузку от одного элемента стального силоса или смонтированного кольца оболочки в процессе монтажа. Данный метод применяется, когда один кран не может обеспечить требуемую грузоподъёмность, вылет стрелы или геометрию подъёма. Я назначал этот способ подъёма на проектах от силосов для клинкера ёмкостью 8 000 тонн во Вьетнаме до цементных силосов ёмкостью 15 000 тонн в Саудовской Аравии — и я также рекомендовал клиентам отказаться от него, когда условия площадки этого не позволяли. Вот что действительно имеет значение.

1. Когда подъём двумя кранами становится необходимым

1.1 Пороговые значения массы, обуславливающие решение

Один гусеничный кран грузоподъёмностью 250 тонн может поднять кольцо оболочки массой 12 тонн на радиусе 18 метров. Это вполне комфортный режим. Однако при перемещении собранных секций кровли массой 35–45 тонн или подъёме конусной сборки диаметром 20 метров на радиусе 28 метров вы выходите за пределы возможностей большинства операций с одним краном без перехода на кран грузоподъёмностью 500 тонн и выше. И вот в чём дело — кран на 500 тонн не всегда доступен. В Западной Африке я ожидал одиннадцать недель доставки крана грузоподъёмностью 600 тонн из Южной Африки. Проект нёс потери в размере 14 000 долларов США в день из-за вынужденного простоя.

Подъём двумя кранами позволяет задействовать два менее мощных крана — например, два крана по 250 тонн — для выполнения подъёмных операций, которые в противном случае потребовали бы одного крупного крана. Однако расчёт не является абсолютно аддитивным. Совокупная грузоподъёмность никогда не достигает 500 тонн. Коэффициент эффективности распределения нагрузки обычно составляет 70–80 % от теоретической суммы, в зависимости от геометрии и строповки. Таким образом, два крана по 250 тонн обеспечивают примерно 350–400 тонн полезной грузоподъёмности при подъёме двумя кранами, а не 500 тонн. Учитывайте этот фактор — иначе вы об этом пожалеете.

1.2 Ограничения площадки, исключающие альтернативные варианты

На некоторых площадках подъём двумя кранами является единственно возможным вариантом. Я работал над проектом силоса для шлака на севере Китая, где силос необходимо было возвести внутри существующего здания — каркасного строения с высотой в свету 24 метра и шагом колонн 6 метров. Ни один кран не мог разместиться внутри. Листы оболочки приходилось подавать через проём шириной 4 метра и поднимать сверху с помощью двух кранов, расположенных по обе стороны здания. Это был либо подъём двумя кранами, либо отказ от проекта.

Подземные коммуникации создают еще одно типичное ограничение. На цементном заводе в Индонезии непосредственно под планируемой площадкой для крана проходила сеть ливневых водосточных коллекторов. Мы не могли установить там ни одного тяжелого крана без укрепления 80 метров коллектора — только на подготовку грунта уходило $380,000. Два более легких крана по обе стороны от зоны прохождения коммуникаций решили задачу без какого-либо воздействия на коллекторы.

1.3 Решения, обусловленные графиком

Иногда совместный подъем определяется не физикой, а временем. Если на площадке уже есть два крана для других подъемных работ — металлоконструкций, оборудования, трубопроводов — и добавление последовательности совместных подъемов не требует дополнительных затрат на перебазирование, экономика меняется. Я видел проекты, где подход с совместным подъемом позволил сэкономить 3–4 недели по сравнению с ожиданием более крупного крана. При накладных расходах в $12,000–18,000 в день это экономия в $250,000–500,000. Математика жесткая и простая.

2. Инженерный расчет подъема: распределение нагрузки и строповка

2.1 Расчет доли нагрузки

Именно здесь большинство планов терпят крах. Нельзя просто предположить, что каждый кран примет на себя 50%. Распределение нагрузки зависит от геометрии — угла каждой стропы, положения точек строповки относительно центра тяжести груза и жесткости самого груза. Для симметричного секционного верха силоса с двумя точками строповки распределение может быть 50/50. Для несимметричной сборки — скажем, конуса со смещенным разгрузочным патрубком — один кран может нести 65%, а другой — 35%.

Я выполняю эти расчеты в 3D с использованием реальной геометрии строп, а не двумерного приближения. Разница существенна. На силосе для золы-уноса грузоподъемностью 12 000 тонн в Индии наш 2D-эскиз показывал распределение 55/45. 3D-модель показала 62/38, потому что стропы не были вертикальными — они отклонялись на 18° от вертикали, что сместило нагрузку в сторону более крутой стропы. Эта разница в 7% стала запасом между безопасным подъемом и срабатыванием сигнализации перегрузки на кране A.

Грузоподъемность каждого крана должна быть скорректирована на фактический вылет стрелы и конфигурацию. Кран на 250 тонн может показывать 42 тонны при вылете 28 метров и длине стрелы 35 метров. Но если вы работаете на аутригерах с выдвижением на 80% на площадке с несущей способностью грунта 15 кПа, может потребоваться дополнительное снижение грузоподъемности на 10–15% для обеспечения запаса устойчивости. Проверьте допустимое давление на грунт на соответствие требованиям производителя крана. Я видел, как подкладки под кран проседали на 40 миллиметров в неподготовленный грунт во время совместного подъема. Нагрузка сместилась. Никто не пострадал, но ситуация была на грани.

2.2 Проектирование строповки и траверсы

Вам нужна балка-траверса — или две — для распределения нагрузки между кранами и предотвращения повреждения кромок листов оболочки стропами. Для типового кольца оболочки силоса я задаю балку-траверсу с грузоподъемностью в 1,5 раза превышающую максимальную нагрузку на один кран. То есть если на кран А может приходиться 28 тонн, балка-траверса должна иметь грузоподъемность не менее 42 тонн. Это обеспечивает коэффициент запаса 1,5 по текучести, что является стандартным требованием согласно ASME BTH-1 для грузозахватных приспособлений под крюком.

Сама балка-траверса имеет собственный вес. Стальная балка-траверса для подъема шириной 15 метров может весить 1,5–2,5 тонны. Этот вес вычитается из грузоподъемности крана. Не забывайте о нём. Я рассматривал планы подъемных операций, в которых вес строп и такелажа не учитывался вовсе — в плане значилось 35 тонн стали силоса, а фактический вес поднимаемого груза с такелажем составлял 37,8 тонн. При загрузке крана на 85% эти 2,8 тонны становились разницей между допуском к операции и запретом.

Стропы должны быть подобраны по длине с допуском до 50 миллиметров при совместном подъеме двумя кранами. Неравномерная длина строп означает неравномерное распределение нагрузки. Я задаю плоские ленточные стропы из полиэстера с коэффициентом запаса 7:1 и требую, чтобы оба стропа были из одной производственной партии. Разные партии могут иметь разные характеристики удлинения под нагрузкой, что изменяет геометрию строповки в процессе подъема.

2.3 Коэффициенты динамических нагрузок

Совместный подъем двумя кранами — не статическая операция. При подъеме груз ускоряется. При повороте — раскачивается. При опускании — замедляется. Каждое из этих действий создает динамические усилия. При контролируемом подъеме с ускорением 0,5 м/с² коэффициент динамического усиления составляет 1,05–1,1. При внезапной остановке — например, когда крановщик нажимает аварийный стоп, потому кто-то вошел в опасную зону — этот коэффициент может возрасти до 1,3 и выше.

EN 13001-2 требует, чтобы при проектировании конструкций кранов учитывались эти динамические коэффициенты, но именно ваш план подъемных операций должен обеспечивать управление ими на практике. Я задаю максимальную скорость подъема 0,3 м/с для совместных подъемов грузов массой свыше 20 тонн. Да, медленнее. Но поведение груза остается предсказуемым. На одном проекте в Бразилии попытались поднимать груз со скоростью 0,8 м/с, чтобы сэкономить время. Груз отклонился на 400 миллиметров в поперечном направлении. Они остановились, выждали 20 минут, пока колебания затухнут, а затем возобновили подъем со скоростью 0,25 м/с. Вывод был сделан.

3. Выполнение: координация, связь и контроль

3.1 Роль руководителя подъемных операций

При каждом совместном подъёме нужен один человек с абсолютными полномочиями — руководитель подъёмных работ. Не машинист крана. Не бригадир стропальщиков. Один человек. Этот человек отдаёт все команды, и все команды передаются по одному радиоканалу. Я видел, как совместные подъёмы заканчивались аварией, потому что двое отдавали указания по разным каналам. Кран A услышал "подъём", а Кран B — "стоп". Груз закрутился на 12° за три секунды. Мы прервали подъём.

Руководитель подъёмных работ должен находиться там, где он может одновременно видеть оба крана и груз. На загруженной площадке это не всегда возможно. В таких случаях я расставляю наблюдателей у каждого крана с видеокамерами, передающими изображение на планшет руководителя. Это не идеальный вариант, но он работает. Главное — чтобы каждый машинист крана получал команды только от одного источника.

Я требую предварительного совещания — "целевого инструктажа" — с каждым участником работ. Это значит оба машиниста кранов, оба сигналиста, бригада стропальщиков, руководитель подъёмных работ и инженер по технике безопасности на площадке. На инструктаже рассматриваются последовательность подъёма, протокол связи, критерии прерывания работ и порядок действий в аварийной ситуации. Это занимает 20 минут. Обсуждению не подлежит. Я отменял подъёмы, потому что машинист второго крана не явился на инструктаж. Нет инструктажа — нет подъёма.

3.2 Синхронизированный подъём

Два крана, поднимающие груз с разной скоростью, вызывают его крен. Крен в 1° на конструкции шириной 15 метров смещает центр тяжести на 130 миллиметров. Этого достаточно, чтобы изменить распределение нагрузки между кранами на 5–8%. При 2° смещение составляет 10–15%. При 3° мы попадаем в опасную зону.

Я устанавливаю максимально допустимый крен при совместном подъёме в 1,5°. Руководитель подъёмных работ контролирует его с помощью инклинометра, установленного на грузе — беспроводного устройства, передающего данные на дисплей. Если крен превышает 1,5°, подъём останавливается. Оба крана удерживают груз. Руководитель оценивает ситуацию и корректирует действия.

Разница скоростей подъёма между двумя кранами должна быть менее 0,1 м/с. Для этого нужны машинисты, которые тренировались вместе. Если у вас два машиниста, никогда ранее не работавших совместно, я рекомендую пробный подъём с тестовым грузом — как правило, составляющим 50% от фактического веса поднимаемого груза — перед основными работами. Пробный подъём занимает час. Это самая дешёвая страховка, которую вы когда-либо купите.

3.3 Погодные ограничения

Ветер — главный враг при совместных подъёмах. Порыв ветра со скоростью 15 м/с на площадь парусности 100 м² — например, на секцию крыши силоса — создаёт боковое усилие порядка 14 кН. Это 1,4 тонны, толкающие груз в сторону. Краны не рассчитаны на боковые нагрузки при подъёме. Они рассчитаны на вертикальный подъём с минимальным раскачиванием.

Я устанавливаю предельную скорость ветра 10 м/с (36 км/ч) по устойчивому ветру, с порывами не более 12 м/с. Это консервативный подход, но я уже попадал в подобную ситуацию. На проекте в прибрежной части Вьетнама прогноз обещал ветер 8 м/с. Через десять минут после начала подъёма налетел шквал 16 м/с. Груз качнулся, индикатор грузоподъёмности одного из кранов сработал на аварийное отключение, и нам пришлось опустить груз на аварийные подкладки. Вся процедура прерывания заняла 45 минут. Никто не пострадал, но график просел на 6 часов.

Проверяйте прогноз погоды на всю продолжительность подъёма плюс два часа. Совместные подъёмы занимают больше времени, чем работа одним краном — накладные расходы на координацию увеличивают сроки на 30–50%. Подъём, который одним краном занял бы 40 минут, двумя кранами может занять 60–70 минут. Учитывайте это.

4. Управление рисками и типичные причины отказов

4.1 Смещение груза и обрыв строп

Наиболее частая причина аварии при совместных подъёмах — это не обрушение крана, а смещение груза. Груз смещается, один из кранов принимает на себя долю, превышающего его расчётную, и либо срабатывает индикатор грузоподъёмности крана (лучший исход), либо прочностной запас конструкции крана оказывается превышен (худший исход). За 15 лет я видел три случая смещения груза. Все три были вызваны проскальзыванием строп на неокованных кромках.

Каждый острый край, контактирующий со стропом, должен быть защищён. Я требую применение резиновых или полиуретановых накладок толщиной не менее 10 мм на всех кромках в радиусе 500 мм от точки контакта со стропом. Для оболочечных плит с вальцованными кромками радиус может составлять 6 мм — это слишком малый радиус для полиэфирного стропа без защиты. Строп, нагруженный через кромку радиусом 6 мм, теряет 30–40 % своей грузоподъёмности из-за локальной концентрации напряжений. Это не теория. Я проводил такие испытания. Строп с номинальной грузоподъёмностью 20 тонн разрушился при нагрузке 12,8 тонны на незащищённой кромке.

4.2 Нарушение связи

Отказ радиосвязи во время совместного подъёма двумя кранами является критическим инцидентом. Оба оператора должны слышать каждую команду одновременно. Если один оператор теряет радиосвязь, а другой — нет, возникает ситуация, при которой один кран выполняет команды, а второй удерживает груз или — что ещё хуже — продолжает выполнять последнюю полученную команду.

Я требую наличия двух независимых каналов связи: основной радиосистемы на выделенной частоте и резервной системы — либо второго радиостанции на другой частоте, либо проводной интерком-связи между руководителем подъёма и каждым краном. Обе системы проверяются перед началом подъёма. При отказе любой из них подъём прекращается. Исключений нет.

Жестовая сигнализация не является заменой радиосвязи при совместном подъёме двумя кранами. Расстояние между кранами может составлять 30–50 метров. На таком расстоянии жестовые сигналы ненадёжны. Я наблюдал, как сигнальщики применяли жестовую сигнализацию из-за разряда батареи радиостанции. Операторы по-разному интерпретировали сигналы. Груз наклонился на 2,1°. Мы прекратили подъём. Используйте радиостанции.

4.3 Ошибки конфигурации крана

Таблицы грузоподъёмности крана зависят от его конфигурации. Кран грузоподъёмностью 250 тонн с стрелой 40 метров, на 100 % выдвинутыми аутригерами и 6,5 тонны противовеса, снятого для транспортировки, будет иметь совершенно другую таблицу грузоподъёмности по сравнению с тем же краном с полным противовесом. Я анализировал планы подъёмных операций, в которых конфигурация крана на площадке не соответствовала конфигурации, заложенной в плане. План рассчитывался на 100 % противовес. На кране было установлено 70 %. Это означает снижение грузоподъёмности на 30 % — а на совместном подъёме двумя кранами, где вы уже работаете на 80 % от грузоподъёмности, это катастрофа.

Физически проверьте конфигурацию крана. Обойдите кран по периметру. Проверьте противовесные блоки. Пересчитайте их. Проверьте вылет аутригеров — они полностью выдвинуты или частично? Проверьте длину стрелы — соответствует ли она длине, указанной в плане? Я выявлял ошибки конфигурации на трёх проектах. На одном кран имел на 2 тонны меньше противовеса, чем было указано. На другом аутригеры были выдвинуты на 75% вместо 100%. Оба случая привели бы к перегрузке при совместном подъёме.

5. Кейс: Силос для клинкера грузоподъёмностью 10 000 тонн — Цементный завод, Центральный Вьетнам

Параметры проекта

Диаметр силоса: 22,4 метра. Высота силоса: 48 метров. Масса кровельной сборки: 38,6 тонны, включая стальную конструкцию, пневмотранспортные желоба и воздуховоды, предварительно смонтированные на ней. Ограничение площадки: существующий конвейерный канал шириной 6 метров, расположенный в 12 метрах к югу от оси силоса. Имеющиеся в наличии краны: два Liebherr LTM 1250-6.1 (грузоподъёмность каждого — 250 тонн). Максимально необходимый вылет стрелы одного крана: 32 метра.

Обоснование выбора совместного подъёма

Один кран грузоподъёмностью 250 тонн на вылете стрелы 32 метра имеет примерно 22 тонны доступной грузоподъёмности с учётом массы строповочных приспособлений. Это значительно ниже массы кровельной сборки в 38,6 тонны. Кран грузоподъёмностью 500 тонн был доступен, но его установка потребовала бы перекрытия конвейерного канала на 14 дней — потеря производства на сумму $190,000. Перекрытие канала было неприемлемо.

Совместный подъём двумя кранами грузоподъёмностью по 250 тонн, расположенными по разные стороны канала, обеспечил совокупную грузоподъёмность примерно 36 тонн при требуемой геометрии — после применения коэффициента использования 75% для совместного подъёма и вычета 2,8 тонны на распределительную траверсу и стропы. Это оставляло 33,2 тонны полезной грузоподъёмности при массе груза 38,6 тонны. Всё ещё недостаточно.

Решение: мы демонтировали воздуховоды с кровельной сборки и подняли их отдельно. Это снизило массу груза при совместном подъёме до 31,4 тонны. При грузоподъёмности 33,2 тонны мы получили запас 5,4%. Небольшой, но допустимый согласно EN 13001-2 для запланированного подъёма с полным инженерным обоснованием.

Выполнение

Несущая способность грунта: проверена методом штамповых испытаний — 165 кПа. Крановые маты: плиты из древесно-композитного материала размером 2,4 м × 2,4 м × 200 мм под каждым аутригером. Распределительная траверса: изготовлена на заказ, длина 14 метров, расчётная грузоподъёмность 50 тонн, масса 1,8 тонны. Стропы: четыре полиэфирных стропа длиной 8 метров, ГПП 10 тонн каждый, из одной производственной партии.

Инструктаж перед подъемом: 25 минут со всем персоналом. Связь: основная рация на канале 7, резервная рация на канале 12. Ветер: 6 м/с устойчивый, порывы до 8 м/с. Продолжительность подъема: 55 минут от первой команды на подъем до установки груза на кожух оболочки. Максимальный зафиксированный крен: 1,1°. Инцидентов не было.

Воздуховоды были подняты два дня спустя в виде подъема одним краном — 7,2 тонны на радиусе 28 метров, что значительно укладывается в грузоподъемность 250-тонного крана. Общие дополнительные затраты на подход с последовательным подъемом по сравнению с ожиданием 500-тонного крана: около $45,000, включая специальную траверсу, дополнительную строповку и дополнительный подъем воздуховодов. Экономия по сравнению с закрытием траншеи: $190,000. Чистая выгода: $145,000.

6. Альтернативы последовательному подъему

6.1 Гидравлические портальные системы

Гидравлические порталы могут поднимать 50–500 тонн с точной синхронизацией — гидравлическая система автоматически поддерживает равномерный подъем во всех точках. Радикоординация не требуется. Недостаток: порталы медленные. Подъем груза массой 40 тонн, который занимает 55 минут при последовательной работе кранов, может занять 4–6 часов с порталом. Кроме того, порталы нуждаются в прочном, ровном основании — обычно железобетонной плите или сильно уплотненной гравийной подушке. На слабых грунтах порталы проседают.

Я использовал порталы на трех проектах. Все три были в стесненных условиях, где доступ для кранов был невозможен. Если у вас есть доступ для кранов, краны быстрее и гибче.

6.2 Гидравлические домкраты с канатными пучками

Гидравлические домкраты с канатными пучками — это специалисты по тяжелым подъемам. Один такой домкрат может поднять 200–400 тонн. Несколько домкратов — 4, 8, 12 — могут поднимать тысячи тонн с точностью до миллиметра. Они применяются при надвижке пролетных строений мостов, монтаже морских модулей и в отдельных случаях при подъеме крыш силосов в крайне стесненных условиях.

Стоимость значительна. 4-точечная система гидравлических домкратов с канатными пучками для подъема груза массой 40 тонн может обойтись в $80,000–120,000 аренды и монтажа. Для крыши силоса массой 40 тонн это избыточно. Гидравлические домкраты с канатными пучками оправданы при массе груза свыше 150 тонн или когда требуется точность позиционирования до миллиметра. Ниже этого порога краны экономичнее.

Часто задаваемые вопросы

Q1: Какой максимальный вес можно поднять двумя 250-тонными кранами последовательно?

Теоретическая суммарная грузоподъёмность составляет 500 тонн, однако практическая совместная грузоподъёмность составляет 70–80 % от этого значения — приблизительно 350–400 тонн — в зависимости от геометрии, углов строповки и массы такелажа. Для конкретного подъёма необходимо рассчитать фактическое распределение нагрузки на основе центра тяжести и геометрии строп. Никогда не предполагайте распределение 50/50. Я сталкивался с распределением настолько неравномерным, как 68/32 при асимметричных грузах. Всегда выполняйте расчёты для вашего конкретного подъёма.

Q2: Нужно ли, чтобы оба крана были одной модели?

Нет, но это предпочтительно. Различные модели кранов имеют разные скорости подъёма, разные характеристики графиков грузоподъёмности и разное время отклика на команды оператора. Если вы работаете с парой кранов грузоподъёмностью 250 тонн и 200 тонн, менее мощный кран раньше достигнет предельной нагрузки, и вам потребуется организовать подъём таким образом, чтобы более мощный кран принимал на себя основную долю нагрузки. Я успешно выполнял совместные подъёмы кранами разных моделей, но, когда это возможно, предпочитаю использовать краны одной модели. Скорости подъёма лучше согласованы, и операторы могут предугадывать поведение друг друга.

Q3: Какие стандарты регулируют совместные подъёмы двумя кранами?

Основными стандартами являются EN 13001 (безопасность кранов — общие требования к конструкции), EN 13852 (морские краны, однако принципы распределения нагрузки применимы) и ASME B30.5 для мобильных кранов в Северной Америке. Что касается строповочных приспособлений, ASME BTH-1 регламентирует грузозахватные устройства ниже крюка. В Китае GB/T 3811 применяется к проектированию кранов, а GB 6067 — к безопасности кранов. Ваш план подъёмных работ должен ссылаться на применимый стандарт для вашей юрисдикции и быть рассмотренным квалифицированным инженером — не крановщиком и не руководителем площадки, а инженером-строителем или инженером по подъёмным работам с опытом совместных подъёмов двумя кранами.

Подход Manxing к сложному монтажу силосов

В компании Manxing мы реализовали проекты силосов по схеме EPC в более чем 30 странах — для хранения цемента, клинкера летучей золы, угля, шлака и заполнителей. Совместный подъём двумя кранами — это лишь один из инструментов в нашей методологии монтажа, а не вариант по умолчанию. Мы оцениваем каждый подъём с учётом всего спектра возможных вариантов: один кран, два крана совместно, гидравлическая портальная система, странд-джек или монтаж методом надвижки. Выбор оптимального метода зависит от массы груза, условий площадки, графика работ и профиля рисков — а не от того, какое оборудование оказалось доступным.

Если вы планируете проект по строительству силосов, и геометрия монтажа отличается сложностью — существующие конструкции, коридоры инженерных коммуникаций, ограничения по высоте или нагрузки, превышающие грузоподъёмность одного крана — мы поможем вам оценить возможные варианты. Наша инженерная команда разрабатывала планы совместных подъёмов двумя кранами, планы подъёма с помощью портала и комбированные схемы монтажа силосов вместимостью до 20 000 тонн. Мы не действуем наугад. Мы выполняем расчёты, проводим проверку и приступаем к реализации.

Свяжитесь с инженерной командой Manxing для оценки монтажа с учётом особенностей вашего объекта: manxingstorage.com