千噸級(jí)分離塔吊裝的有限元分析與試驗(yàn)研究

王 欣,馬 寅,施文昊,孫曉天,焦 博

(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116023; 2.中石化第十建設(shè)有限公司,山東淄博255438; 3.大連益利亞工程機(jī)械有限公司,遼寧 大連,116025)

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千噸級(jí)分離塔吊裝的有限元分析與試驗(yàn)研究

王 欣1,馬 寅2,施文昊1,孫曉天3,焦 博3

(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116023; 2.中石化第十建設(shè)有限公司,山東淄博255438; 3.大連益利亞工程機(jī)械有限公司,遼寧 大連,116025)

針對(duì)大型吊裝工程,引入結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試技術(shù),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化狀態(tài),為實(shí)際吊裝過(guò)程提供有力而及時(shí)的數(shù)據(jù)支持.以4000噸履帶起重機(jī)首次吊裝工程為例,對(duì)被吊設(shè)備的裙座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì),并通過(guò)了有限元分析.在實(shí)際吊裝過(guò)程中,引入應(yīng)力測(cè)試技術(shù),進(jìn)行了加強(qiáng)部位的應(yīng)力測(cè)試,并與有限元結(jié)果對(duì)比,相互印證了有限元與測(cè)試結(jié)果的合理性與可信性,同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論,為進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)提供了數(shù)據(jù)支持.應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的引入,將實(shí)時(shí)獲知結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化狀態(tài),為現(xiàn)場(chǎng)指揮者提供了數(shù)據(jù)支持,便于正確判斷指揮.

吊裝; 有限元; 應(yīng)力測(cè)試

WANG Xin1,MA Yin2,SHI Wen-hao1,SUN Xiao-tian3,JIAO Bo3

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China;2.Sinopec Tenth Construction Co.,Ltd.,Zibo 255438,China;3.Dalian YILIYA Construction Machinery Co.Ltd.,Dalian 116025,China)

隨著是石油化工、煤化工、核電等行業(yè)建設(shè)工程的不斷擴(kuò)大與升級(jí),千噸級(jí)吊裝已逐漸普及[1].僅從千噸級(jí)被吊設(shè)備及吊裝用千噸級(jí)起重機(jī)高達(dá)億元的成本角度,對(duì)吊裝技術(shù)及安全性的要求明顯是越來(lái)越高,這就要求吊裝方案的精細(xì)化計(jì)算及吊裝過(guò)程的精細(xì)化控制.目前國(guó)內(nèi)在吊裝方案方面采取了多種方式方法來(lái)不斷挖掘可能存在的吊裝隱患,并提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段,如吊裝仿真、吊裝方案精細(xì)化計(jì)算等.但在吊裝實(shí)施過(guò)程中,仍需要指揮人員及起重人員憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人為判斷.如果通過(guò)相應(yīng)監(jiān)測(cè)手段能提供更多實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),這無(wú)疑將更有效地提高人員的判斷準(zhǔn)確率.

應(yīng)力測(cè)試技術(shù)相對(duì)成熟,在工程機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,主要用于對(duì)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)特性的研究.文獻(xiàn)[2-4]采用動(dòng)態(tài)測(cè)試和瞬態(tài)分析方法研究液壓挖掘機(jī)工作裝置在常態(tài)挖掘過(guò)程中的動(dòng)應(yīng)力特性;文獻(xiàn)[5]對(duì)頂驅(qū)回轉(zhuǎn)頭吊耳進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試及有限元計(jì)算分析;文獻(xiàn)[6]對(duì)井架模型起升過(guò)程進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試分析;文獻(xiàn)[7]對(duì)2萬(wàn)噸橋式起重機(jī)及雙梁多吊點(diǎn)的吊裝方式進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)力測(cè)試;文獻(xiàn)[8]對(duì)1300 t起重船起吊系統(tǒng)中的吊臂、千斤柱進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試與有限元分析;文獻(xiàn)[9]對(duì)大型非錨固原油儲(chǔ)罐進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試與有限元分析.

上述文獻(xiàn)更多是從設(shè)計(jì)研究角度采用應(yīng)力測(cè)試對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)特性分析,還很少有應(yīng)用于吊裝領(lǐng)域里的實(shí)時(shí)吊裝過(guò)程.為此本文將應(yīng)力測(cè)試引入到吊裝過(guò)程中,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力水平,為指揮人員提供更為量化而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù).一方面是理論計(jì)算與實(shí)踐的相互驗(yàn)證與補(bǔ)充,更重要的是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù),預(yù)見(jiàn)可能的危險(xiǎn)性,從而提高吊裝的安全性.由此實(shí)現(xiàn)計(jì)算分析與測(cè)試的有機(jī)結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到實(shí)施全過(guò)程的吊裝安全性.

本文以4000 t履帶起重機(jī)的首次吊裝工程為例,該吊裝是國(guó)際最大噸位履帶起重機(jī)的吊裝,所選用的溜尾機(jī)也是全新結(jié)構(gòu).由于噸位大、產(chǎn)品新,因此給吊裝帶來(lái)了很大挑戰(zhàn).為確保吊裝的安全性與實(shí)時(shí)性,根據(jù)吊裝條件,對(duì)被吊設(shè)備的裙座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì),并通過(guò)了有限元分析.然后在吊裝實(shí)施過(guò)程中對(duì)被吊設(shè)備的重要部位安裝了應(yīng)力測(cè)試裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力狀態(tài),以便準(zhǔn)確判斷實(shí)施過(guò)程中的每一步工作.

1 吊裝工程描述

本次吊裝的是萬(wàn)華煙臺(tái)工業(yè)園項(xiàng)目工程中重量最重、高度最高的一臺(tái)設(shè)備——丙烯丙烷分離塔.設(shè)備直徑達(dá)10.4 m,長(zhǎng)114.7 m,總重達(dá)1 283 t,是目前世界上最大的丙烷脫氫裝置核心塔器.此設(shè)備整體預(yù)制好后呈水平狀態(tài)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng),通過(guò)主副溜尾起重機(jī)協(xié)同作業(yè),將其在空中翻轉(zhuǎn)至直立工作狀態(tài),然后由主起重機(jī)獨(dú)立吊裝至目標(biāo)位置.考慮吊具及附件等,吊裝總重為1 680 t,起升高度為118 m,因此選用徐工集團(tuán)的XGC88000型4 000 t履帶起重機(jī)作為主起重機(jī),主、副臂組合工況108+33 m,負(fù)荷率達(dá)94%.溜尾機(jī)也是全新產(chǎn)品,僅借用了履帶起重機(jī)的下車(chē),增加必要的溜尾平臺(tái)和油缸等器具,組成新型自行式溜尾機(jī),協(xié)助分離塔在空中翻轉(zhuǎn).圖1是作業(yè)過(guò)程.

此次吊裝有三處創(chuàng)新:一是分離塔為目前全球噸位最重、高度最高的設(shè)備;二是主起重為世界上最大噸位的4 000 t履帶起重機(jī);三是溜尾機(jī)為全新型自行式產(chǎn)品,這給吊裝帶來(lái)很大挑戰(zhàn).此外,溜尾機(jī)的高度明顯降低,增加了作業(yè)的安全性,與此同時(shí),也使得溜尾吊點(diǎn)與以往的設(shè)計(jì)有所不同,從常規(guī)的上至方式改為下至方式.分離塔末端的裙座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)也需要細(xì)致計(jì)算,因此本文將從裙座結(jié)構(gòu)入手,提出其加強(qiáng)方案,應(yīng)用有限元加以計(jì)算分析,然后在實(shí)施過(guò)程中采取應(yīng)力測(cè)試監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),輔助吊裝指揮完成作業(yè).

圖1 吊裝過(guò)程

2 分離塔裙座結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)設(shè)計(jì)與分析

通常的反應(yīng)器在正常工作時(shí)豎立于地面,作為支撐結(jié)構(gòu)的裙座通過(guò)螺栓與地基支座連接,主要承受反應(yīng)器自重的軸向載荷,結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單,僅是筒狀結(jié)構(gòu).在吊裝安裝時(shí),需要將水平放置的反應(yīng)器通過(guò)主、副溜尾起重機(jī)協(xié)同翻轉(zhuǎn)成直立的工作狀態(tài).在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中,置于裙座結(jié)構(gòu)上的溜尾吊點(diǎn)將承受較大的徑向載荷,這與反應(yīng)器工作狀態(tài)時(shí)的縱向載荷相比,載荷方向指向其薄弱的徑向方向,會(huì)產(chǎn)生很大變形,易導(dǎo)致破壞,因此必須對(duì)裙座結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng).

圖2 裙座的加強(qiáng)形式

目前裙座的加強(qiáng)方式有多種[10],如圖2所示.加強(qiáng)的最主要目的是減小變形,分散集中載荷.由于溜尾吊點(diǎn)設(shè)置在裙座中心軸線下方,為了更好地傳遞載荷,選取了十字梁、雙梁和兩個(gè)三角型梁的加強(qiáng)形式進(jìn)行對(duì)比分析.通過(guò)對(duì)分離塔水平狀態(tài)的有限元計(jì)算,如圖3所示,可以看到,十字型和雙梁結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱,筒體局部變形較大,易產(chǎn)生應(yīng)力集中.三角梁形式本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,而且與筒體支點(diǎn)數(shù)量多,可將筒體劃分多個(gè)區(qū)格,使得局部剛性較強(qiáng),阻止變形能力強(qiáng).但下三角形形式不夠均布,應(yīng)力較大,因此最終選擇接近正三角形的結(jié)構(gòu)形式,作為裙座的加強(qiáng)形式.

圖3 裙座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元建模

三角形梁由3根H型鋼組成,兩兩型鋼與筒體匯合處采用加強(qiáng)筋板連接,減少應(yīng)力集中.在筒體下方兩H型梁與筒體交匯處適當(dāng)拉開(kāi)距離,設(shè)置兩個(gè)溜尾吊點(diǎn).為便于計(jì)算,在建立整體分離塔有限元模型時(shí),分離塔筒體采用板殼單元,三角形加強(qiáng)梁的H型鋼采用梁?jiǎn)卧?吊耳采用實(shí)體單元.由于裙座加強(qiáng)部位是分析重點(diǎn),而且單元種類多,因此對(duì)此處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分,筒體其他部位應(yīng)力梯度相對(duì)不大,網(wǎng)格進(jìn)行了相對(duì)粗分.整體模型如圖4所示,單元數(shù)為97462,節(jié)點(diǎn)數(shù)為104331.

圖4 分離塔有限元模型

分離塔在吊裝過(guò)程中主要承受自重及主吊點(diǎn)和溜尾吊點(diǎn)載荷,在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中,裙座相應(yīng)部位會(huì)與溜尾機(jī)平臺(tái)接觸,并起到一定支撐作用.此接觸處的位置將隨著翻轉(zhuǎn)角度的變化而變化,當(dāng)達(dá)到直立狀態(tài)時(shí),溜尾吊點(diǎn)和接觸處脫離分離塔,則僅主吊點(diǎn)連接主起重機(jī)和分離塔.圖5是分離塔在水平狀態(tài)、翻轉(zhuǎn)狀態(tài)和直立狀態(tài)下的受力分析圖.

圖5 受力分析圖

分離塔狀態(tài)約束條件水平狀態(tài)1點(diǎn)與2點(diǎn)全位移約束翻轉(zhuǎn)狀態(tài)1點(diǎn)3點(diǎn)全位移約束直立狀態(tài)1點(diǎn)全位移約束

通過(guò)受力狀態(tài)進(jìn)行有限元模型的約束與載荷施加,3種狀態(tài)的約束條件見(jiàn)表1.在翻轉(zhuǎn)狀態(tài),溜尾吊點(diǎn)力作為載荷施加在相應(yīng)吊點(diǎn)孔處,需要通過(guò)力矩平衡原理計(jì)算獲得,見(jiàn)式(1).分離塔的自重及重心位置依據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)按密度和質(zhì)量點(diǎn)方式施加,并保證有限元模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的一致性.

(1)

式中：FY，F(xiàn)Z分別為y和z向的載荷；M為力矩；F1,F2,F3分別為主起重機(jī)吊點(diǎn)力、溜尾吊點(diǎn)力和溜尾機(jī)平臺(tái)支撐力.

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述約束與載荷的施加情況,我們對(duì)分離塔在水平、翻轉(zhuǎn)及直立幾個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行了分析,選取分離塔在6°,15°,30°,45°,50°,60°狀態(tài)的應(yīng)力云圖,如圖6所示.從各個(gè)狀態(tài)的應(yīng)力云圖中可以看到,分離塔的應(yīng)力很小(75 MPa以內(nèi)),應(yīng)力較大的部位集中在裙座的三角形梁上,但普遍在160 MPa以下,滿足材料使用要求(Q345B材料,許用應(yīng)力為257 MPa).由此看出,三角型梁結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)措施是合理可行的.

3 應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)方案與實(shí)施

為進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性,也為了保證實(shí)際作業(yè)過(guò)程的安全與可靠性,本文提出在實(shí)施吊裝過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試.

圖6 有限元應(yīng)力云圖

應(yīng)力測(cè)試采用常用而成熟的電阻應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試法[11],應(yīng)用應(yīng)變儀完成測(cè)試工作,測(cè)量原理如圖7所示,測(cè)試工具見(jiàn)表2.

圖7 測(cè)試原理

儀器元件名稱型號(hào)用途靜態(tài)應(yīng)變采集儀DH3816靜態(tài)數(shù)據(jù)采集應(yīng)變片BX120-3BA測(cè)試結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)線3芯、低阻導(dǎo)線傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)筆記本電腦-控制、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)選擇.從有限元計(jì)算結(jié)果中看到,分離塔的應(yīng)力很小,應(yīng)力主要集中在裙座的三角形梁上,因此選取了三角形梁的上下翼緣板各4個(gè)測(cè)點(diǎn),位置在接近梁的中段(圖8a所示).由于梁翼緣板主要承受單向應(yīng)力,因此在沿應(yīng)力主方向粘貼應(yīng)變片.吊耳的受力及應(yīng)力也是值得關(guān)注的,因?yàn)樯婕暗絻傻醵d荷的均衡問(wèn)題,為此在吊耳處選擇8個(gè)測(cè)點(diǎn),分別設(shè)置在吊耳孔的正上方和側(cè)方以及前后耳板位置,如圖8b所示,并沿著主應(yīng)力方向粘貼應(yīng)變片.這樣,共選擇12個(gè)測(cè)點(diǎn),分別位于三角形梁和吊耳處.

圖8 測(cè)點(diǎn)選擇

圖9 應(yīng)變片與測(cè)試工具

實(shí)際貼的應(yīng)變片及測(cè)試儀器如圖9所示,測(cè)試儀置于溜尾機(jī)尾部,與溜尾機(jī)一同行走.測(cè)試儀在測(cè)試過(guò)程中,每間隔一定時(shí)間進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試并記錄,最終形成應(yīng)力歷程曲線.為了解應(yīng)力與分離塔狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,我們?cè)谂c裙座接觸的溜尾平臺(tái)上安裝了角度記錄儀,用來(lái)記錄應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的角度狀態(tài).圖10是吊裝與測(cè)試過(guò)程.

4 應(yīng)力測(cè)試與有限元結(jié)果的對(duì)比與討論

根據(jù)實(shí)際吊裝試驗(yàn),我們對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了整理,選取了6°,15°,30°,45°,50°和60°狀態(tài)下的測(cè)試應(yīng)力,并與有限元結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.

(1) H型梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比分析.表3是H型梁測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力對(duì)比,圖11是測(cè)點(diǎn)誤差.從表和圖中可以看出,H型梁的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨分離塔角度的變大而減小,這是符合應(yīng)力變化趨勢(shì)的,因?yàn)榱镂擦﹄S著分離塔角度的增加而逐漸減小.此外,H型梁上測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力誤差普遍在±10%以內(nèi),表明有限元計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果還是比較接近的,有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果具有較好的可信度.

(2) 溜尾吊耳測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值對(duì)比分析與討論.表4是溜尾吊耳測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力對(duì)比,可以看出,吊點(diǎn)前后耳板的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力有明顯變化,表明吊耳前后單板承受的載荷不均,如測(cè)點(diǎn)7與8,測(cè)點(diǎn)9與10,測(cè)點(diǎn)11與12,測(cè)點(diǎn)13與14.左右吊點(diǎn)的對(duì)稱測(cè)點(diǎn)應(yīng)力也有不同,如測(cè)點(diǎn)7與13,測(cè)點(diǎn)8與14,測(cè)點(diǎn)9與11,測(cè)點(diǎn)10與12,表明左右吊點(diǎn)載荷不均.而有限元是按照載荷均布來(lái)計(jì)算的,因此其結(jié)果與實(shí)測(cè)應(yīng)力誤差較大,但可以看出兩者應(yīng)力趨勢(shì)是相同的,都是隨分離塔角度的增加而減小.

測(cè)點(diǎn)6°工況30°工況60°工況測(cè)試值計(jì)算值測(cè)試值計(jì)算值測(cè)試值計(jì)算值1-184.7-165.0-174.1-162.1-105.6-116.92-162.9-164.9-149.1-162.0-92.7-116.73-200.9-161.9-187.8-164.2-108.5-99.74-188.9-162.2-184.3-163.9-112.3-99.95-437.7-410.4-365.8-391.9-260.4-248.8

圖11 測(cè)點(diǎn)誤差

表4 溜尾吊耳上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值對(duì)比分析表 單位(MPa)

分析其原因,主要有兩點(diǎn):一是分離塔重心在x軸上存在出入,圖紙與實(shí)際完成的產(chǎn)品重心之間存在一定的差異,而有限元分析是按圖紙數(shù)據(jù)來(lái)建模計(jì)算的.由于分離塔中要安裝很多附件,在各附件重量重心估計(jì)上難免存在誤差,這將導(dǎo)致左右吊點(diǎn)載荷有差異;另一點(diǎn)是溜尾吊點(diǎn)在方案設(shè)計(jì)時(shí)是要求其載荷始終處于裙座的徑向平面內(nèi),但實(shí)際情況是,吊點(diǎn)與油缸之間是通過(guò)鋼絲繩連接的,因此會(huì)不可避免存在一定的角度誤差,致使吊點(diǎn)前后耳板載荷存在差異.圖12是溜尾吊點(diǎn)與溜尾機(jī)的鋼絲繩連接圖.

由此我們可以看出,應(yīng)力測(cè)試可以很好地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,并能及時(shí)準(zhǔn)確地提供結(jié)構(gòu)應(yīng)力,為指揮者提供更好的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支持.同時(shí)也可根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)形式,使得載荷更為均布.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析裙座的加強(qiáng)結(jié)構(gòu),本文選用三角型梁結(jié)構(gòu),并進(jìn)行有限元分析.在實(shí)際吊裝過(guò)程中,引入結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試,與有限元結(jié)果對(duì)比,相互印證兩者的計(jì)算結(jié)果的合理性.與此同時(shí),應(yīng)力測(cè)試是對(duì)設(shè)計(jì)方案的檢驗(yàn),也是對(duì)設(shè)計(jì)方案的有力補(bǔ)充,可以提供更真實(shí)準(zhǔn)確的應(yīng)力結(jié)果,給予指揮者及時(shí)的數(shù)據(jù)支持,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的判斷與指揮,順利完成吊裝任務(wù).因此,應(yīng)力測(cè)試的引入,對(duì)吊裝過(guò)程的安全實(shí)施提供了良好的數(shù)據(jù)支持與安全保證.通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以進(jìn)一步有的放矢地對(duì)結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)進(jìn)行改善.

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Finite element analysis and testing on kiloton knockout tower lifting

For heavy lifting constructions,the structural stress testing is proposed for real-time structural stress variation monitoring and timely data supporting.By using the first lifting by a 4000-ton crawler crane as an example,the skirt structure is designed and reinforced via finite element analysis (FEA).During practical lifting process,the stress testing is applied for the enforced position.With comparison of the results from FEA and testing,the further structural and mechanism improvements are realized via data supporting.The real-time stress variation can assist on-site directors in correct judgment and instruction.

lifting; finite element; stress testing

TG 405

A

1672-5581(2016)01-0077-06