薄壁高塔吊耳的選型及核算

中石化上海工程有限公司 上海 200120

正文：

石化與煉油裝置中的塔設(shè)備是裝置中的重要設(shè)備，由于設(shè)計、制造與安裝合同的銜接和制約，塔設(shè)備本體一般按照上游專業(yè)條件先行設(shè)計，其后再由安裝公司考慮塔設(shè)備的吊裝方案。雖然在設(shè)計塔設(shè)備本體時，已根據(jù)NB/T47041考慮了“運輸或吊裝時的作用力”，但在實際計算過程中，NB/T47041或HG/T21574均未給出塔設(shè)備從臥置到豎立這一吊裝過程中殼體的受力情況和具體的計算模型。當安裝公司介入時，塔設(shè)備往往已完成主材訂貨或卷板作業(yè)，此時若由于吊耳選型或吊裝安全問題需要修改原塔設(shè)備設(shè)計，那么一則因為重新進行的設(shè)、校、審工作，造成出圖進度延誤，一則可能出現(xiàn)的重新訂貨板材，造成工期延誤，這無疑為項目順利進行增加了不定因素。

為了盡可能避免后期在制定吊裝方案時可能產(chǎn)生的諸多修改問題，本文以某一項目中的薄壁細高塔為研究對象，考慮塔設(shè)備在吊裝過程中的受力情況，并以大型塔器較常使用的軸式吊耳及尾耳為基礎(chǔ)，校核吊耳的強度。

1. 塔設(shè)備參數(shù)

本文選用某項目變徑塔為研究對象，設(shè)備簡圖見圖1.1。該設(shè)備總質(zhì)量23.5t，主體材料為S30408，在吊裝時，取常溫下許用應(yīng)力[σ]S=137MPa。本設(shè)備設(shè)置兩個吊耳，一個尾耳，吊耳參照設(shè)備重量及直徑選用AXB-300-20型，尾耳則參照AP-35型，與吊耳呈90°分布，吊耳材料為Q235B，許用拉應(yīng)力[σ]L=[σ]T=140MPa，許用剪應(yīng)力及吊耳焊縫應(yīng)力[τ]L=[τ]T=0.6×140=84MPa。參考吊耳標準，考慮吊裝綜合影響系數(shù)，在整個吊耳校核過程中設(shè)備重量按實際重量的1.65倍考慮。

圖1.1

2. 塔設(shè)備整體受力分析及計算結(jié)果

針對上述塔設(shè)備，首先考慮塔設(shè)備整體吊裝過程中的受力情況，其次校核吊耳管軸及尾耳的強度，最后考慮吊耳墊板與筒體間的焊縫是否滿足吊裝要求。

2.1 重心計算

塔設(shè)備從設(shè)備底板向上分五部分，依次為l1=520 0mm，m1=4270kg，l2=600mm，m2=660kg，l3=5350mm，m3=3850kg，l4=450mm，m4=300kg，l5=25000mm，m5=14420kg，則塔設(shè)備重心位置為：

2.2 吊耳受力情況

在校核塔設(shè)備吊裝過程中的受力情況時，將塔設(shè)備整體視作一個桿件，軸耳和尾耳分別為桿件的兩個支點。起吊前，塔設(shè)備呈臥置狀態(tài)，設(shè)備與地面夾角θ=0°，塔豎立后，設(shè)備與地面夾角θ=90°。在這一過程中，塔設(shè)備軸耳和尾耳的受力見圖2.1，根據(jù)靜力學(xué)平衡方程，軸耳和尾耳豎直向上的力及沿軸向和徑向的分力可按表2.1計算所得。

圖2.1

表2.1

其中，

m——塔設(shè)備吊裝計算重量，m=23500×1.65=38775，kg；

H——尾耳至設(shè)備中心線的距離，H=1126，mm

則，根據(jù)表2.1公式，可計算出軸耳和尾耳在豎立過程中，每舉升5°的受力情況。從計算結(jié)果可知塔設(shè)備在臥置狀態(tài)時，最大，=192874.4 N，塔設(shè)備在豎立狀態(tài)時，最大，=380382.8 N。

2.3 塔設(shè)備危險截面校核

顯而易見，塔設(shè)備在臥置狀態(tài)時，設(shè)備殼體承受最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，其受力圖和力矩圖見圖2.2，此時塔體有兩處彎矩較大。在校核塔設(shè)備軸向穩(wěn)定性時，除了要考慮彎矩引起的軸向應(yīng)力外，還需考慮設(shè)備自重引起的軸向應(yīng)力。

圖2.2

塔設(shè)備均勻載荷：q=m·g/（L2+L3）=10.44 N/mm；

根據(jù)彎矩圖，L3-L1段最大彎矩，最大彎矩位于軸耳安裝位置處, 該處筒體抗彎截面模量。

L1+L2段最大彎矩，最大彎矩位于處；該處筒體抗彎截面模量W2=15494335mm3；

L1+L2段彎矩引起的軸向彎曲應(yīng)力：；

L1+L2段重力引起的軸向應(yīng)力：；

則，L1+L2段最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力：；

L1+L2段最大拉應(yīng)力：。

筒體許用軸向壓縮應(yīng)力的取值參照GB/T150.3，首先計算應(yīng)變系數(shù)A，其次，根據(jù)對應(yīng)的外壓圓筒應(yīng)力系數(shù)曲線圖，若A值在設(shè)計溫度下金屬材料線的右方，則過此點垂直上移，與設(shè)計溫度下金屬材料線相交（中間溫度用內(nèi)插法），再過此點水平方向右移，得到B值；若系數(shù)A在設(shè)計溫度金屬材料線的左方，則直接按B=2/3AEt（Et為設(shè)計溫度下金屬材料的彈性模量，MPa。）求得B值。

對文章設(shè)備，A=2.097×10-3，B=106 MPa

L1+L2段最大壓應(yīng)力：。

結(jié)論：通過上述計算，筒體兩處危險截面軸向應(yīng)力均通過校核。

2.4 軸式吊耳強度校核

圖2.3

本塔設(shè)備吊耳參照HG/T21574標準，相關(guān)尺寸見圖2.3。按2.2章計算結(jié)果，塔設(shè)備吊裝過程中軸耳最大拉力FLLmax=380382.8 N，發(fā)生在設(shè)備直立狀態(tài)時，則單個吊耳沿筒體軸向的最大載荷FL1=380382.8/2=190191.4 N。參照HG/T21574標準，假設(shè)吊索方向與耳軸呈15°，則吊耳沿筒體徑向載荷FL2=FL1·tan15°=50961.6 N；

則吊耳管軸彎曲應(yīng)力：σ3=M3/W3=18.83 MPa。

則吊耳管軸拉應(yīng)力：σ4=FL2/A1=1.69 MPa，管軸剪應(yīng)力：τL=FL1/A1=6.31 MPa。

吊耳管軸組合應(yīng)力：σL拉=σ3+σ4=20.52 MPa；

則，σL=23.25 MPa ＜ [σ]L=140 MPa，τL=6.31 MPa ＜ [τ]L=84 MPa；

結(jié)論：吊耳管軸校核合格。

參照HG/T21574標準，吊耳管軸根部焊縫的剪切應(yīng)力：

結(jié)論：吊耳管軸根部焊縫校核合格。

吊耳處筒體局部應(yīng)力校核可按WRC-107，此處不再另列結(jié)果。

2.5 尾耳強度校核

本塔設(shè)備尾耳部件尺寸見圖2.4。按2.2章計算結(jié)果，尾耳沿軸向最大載荷FTHmax=166137.3 N，沿徑向最大載荷FTVmax=192874.4 N，發(fā)生在塔設(shè)備臥置狀態(tài)時。

圖2.4

尾耳軸向彎矩：M5= FTH×LT=43195698 N·mm，抗彎截面模量：W5=605520 mm3，則尾耳的彎曲應(yīng)力：σ5= M5/ W5=71.34MPa。

尾耳吊孔處根據(jù)受力方向，其拉應(yīng)力：σ6=FTV/A2=19.4 MPa，剪應(yīng)力：τT=FTH/（A2/2）=33.43 MPa，其中A2為1-1截面處截面積。

根據(jù)第四強度理論：σT拉=σ5+σ6=71.34+19.4=90.74 MPa；

則，τT=33.43 MPa ＜[τ]T=84 MPa；σT=107.6 MPa ＜[σ]T=140 MPa。

結(jié)論：尾耳校核合格。

參照HG/T21574標準，尾耳根部焊縫的剪切應(yīng)力：

結(jié)論：尾耳根部焊縫校核合格。

3. 結(jié)論及拓展

根據(jù)上述計算結(jié)果，可見該塔設(shè)備在吊裝過程中，不管是塔體本身或是軸耳及尾耳都是安全可靠的，該計算方法可運用在其它相類似設(shè)備中，作為同類型塔設(shè)備吊耳選型的輔助校核用。