關(guān)于大型設(shè)備吊裝工程中設(shè)計分工的探討

孫洪峰

(南京海陸化工科技有限公司，南京 200015)

近年來，隨著現(xiàn)代社會對化學品需求的增長以及工程建設(shè)能力的飛速進步，石化、煉化裝置設(shè)備朝著大型化發(fā)展，石油化工裝置中大型反應器、高塔的噸位和高度與過去相比已不可同日而語【1】。以往1 000 t以上的反應器和80 m以上的高塔非常少見，而今噸位2 000 t以上的反應器和高度100 m以上的塔器在芳烴、乙烯及煤化工裝置里已屢見不鮮。以往設(shè)備的吊耳由設(shè)計院通盤考慮，隨設(shè)備一同出圖。伴隨著設(shè)備大型化帶來的吊裝技術(shù)和大型吊裝機械的發(fā)展變化,以及項目管理模式、專業(yè)分工和設(shè)計工程師自身工程經(jīng)驗等方面的限制，對吊耳結(jié)構(gòu)與設(shè)置上的考慮受到設(shè)備設(shè)計思維影響較多，對吊裝工程機械與吊裝工藝的考慮尚不全面。盡管吊耳自身的設(shè)計制造費用占整個設(shè)備設(shè)計制造費用的比例是很小的，但吊耳設(shè)計不合理，會影響到吊裝工程的進度、質(zhì)量、安全和成本等諸多方面，因此要引起重視，全面考慮。

1 吊裝總質(zhì)量的確定

由于整體吊裝效率高，吊裝工藝技術(shù)簡單，能最大限度地縮短吊裝工期，減少高空作業(yè)，保證人員作業(yè)的安全，保證設(shè)備組對、焊接及焊后熱處理的質(zhì)量，并且設(shè)備上的附件(包括附塔管線、電氣儀表、防腐保溫、防火結(jié)構(gòu)以及梯子平臺、埋板等)安裝可隨設(shè)備一起起吊。在工程建設(shè)過程中，業(yè)主也希望“穿衣戴帽，塔起燈亮”，樹立形象，因此，大型設(shè)備一般來說都盡可能采用整體吊裝。當塔器采用整體吊裝時，確定塔器吊裝時的實際總質(zhì)量至關(guān)重要，它是決定吊耳型式與結(jié)構(gòu)尺寸的重要因素。塔器吊裝時的實際總質(zhì)量應考慮以下因素【2】:

1) 設(shè)備自身質(zhì)量，包括筒體、錐段、封頭、法蘭、接管、人孔及裙座等；

2) 隨塔安裝的塔盤、填料及其支撐梁、支撐環(huán)、分布器、再分布器、噴頭等內(nèi)件質(zhì)量；

3) 保溫(保冷)、防腐、防火層及其支撐圈質(zhì)量；

4) 梯子平臺、欄桿、扶手等勞動保護設(shè)施質(zhì)量；

5) 附塔管線、埋板、管架、托架等依附于設(shè)備的構(gòu)件質(zhì)量。

以上質(zhì)量中，塔盤、填料及其支撐梁、支撐環(huán)、分布器、再分布器、噴頭等內(nèi)件往往由專業(yè)塔內(nèi)件制造商供貨；梯子平臺、欄桿、扶手等勞動保護設(shè)施，附塔管線、管架、托架等依附于設(shè)備的構(gòu)件需要預制并在現(xiàn)場進行鋼結(jié)構(gòu)組裝；保溫(保冷)、防腐、防火層一般進行專業(yè)分包，由專業(yè)施工隊伍完成。一方面，設(shè)計工程師將以上種種因素考慮到吊裝質(zhì)量中，齊全且準確是比較困難的。因為大型設(shè)備除設(shè)備自身質(zhì)量外，其余因素占吊裝總質(zhì)量的比例很大，設(shè)計工程師為了保證吊裝的安全進行，只能將吊裝總質(zhì)量的裕量放得很大，再疊加上吊裝所需的較大的安全系數(shù)，易引起殼體厚度隨之增加。另一方面，由于大型設(shè)備(特別是反應器、塔器)的制造周期較長，需要提前訂貨，設(shè)備的施工圖設(shè)計往往在項目前期就已經(jīng)完成，而此時設(shè)計工程師尚無法掌握塔內(nèi)件到貨計劃、現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)預制情況、專業(yè)施工隊伍進場計劃等相關(guān)資料，甚至在設(shè)計階段業(yè)主也無法確認哪些內(nèi)件在設(shè)備吊裝前安裝，吊裝前是否安裝勞動保護設(shè)施，以及附塔管線、保溫(保冷)、防腐、防火層等結(jié)構(gòu)是否隨設(shè)備一起吊裝。因此，在設(shè)計階段，即便設(shè)計工程師能夠準確計算出以上各項質(zhì)量數(shù)值，除EPC總承包項目外，若項目采用平行發(fā)包模式，要想準確確定吊裝總質(zhì)量也是十分困難的。

2 管軸式吊耳的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在石化、煉化工程建設(shè)中，管軸式吊耳是立式設(shè)備吊裝中最常見的吊耳型式。現(xiàn)以管軸式吊耳為例進行探討。目前，國內(nèi)的設(shè)備管軸式吊耳一般按HG/T 21574—2018《化工設(shè)備吊耳設(shè)計選用規(guī)范》選取，采用小口徑薄壁管軸并在內(nèi)腔加復雜筋板的方式(結(jié)構(gòu)形式如圖1所示)。而國際上通常采用的管軸式吊耳，管軸內(nèi)不設(shè)筋板，或為中空式，或設(shè)加強環(huán)，通過加大管子的直徑和厚度來滿足強度要求(結(jié)構(gòu)形式如圖2所示)。這種吊耳由于筒體吊耳處的焊接應力小，且容易焊接，明顯優(yōu)于國內(nèi)吊耳標準系列。從管軸長度來看，國際上通常以大繩徑少股數(shù)吊索為前提條件，將管軸設(shè)計得較短，而國內(nèi)吊耳標準則以小繩徑多股數(shù)吊索為前提條件，不得不將管軸設(shè)計得較長。從理論上講，前者明顯更為合理，因為管軸受力后，彎曲應力約占吊耳強度的2/3【3】。從吊裝實踐來看，福建煉油乙烯項目吊裝單位承擔該項目的大型設(shè)備吊裝任務時，根據(jù)實際情況進行了優(yōu)化，即在設(shè)備吊耳設(shè)計時摒棄吊耳標準的弊端，超出國內(nèi)標準中列出的標準管軸式吊耳的模式和類別，借鑒國際上管軸式吊耳設(shè)計的先進理念，加大鋼絲繩繩徑以減少股數(shù)，從而縮短了管軸長度，使吊耳的結(jié)構(gòu)形式更為合理。在吊裝方案審查時，作為吊裝方案中的一個亮點得到了中國石化集團吊裝組專家的肯定【4】。

3 吊耳位置的確定

吊耳位置的確定取決于設(shè)備的吊裝條件。設(shè)計工程師在確定吊耳周向方位時，僅能事先了解設(shè)備的管口、梯子平臺外伸梁等的布置情況，清楚其周向方位布置，從而充分考慮其對設(shè)備吊裝的影響，避免軸式吊耳正上方及附近方位有影響吊裝的管口或梯子平臺外伸梁的存在。但是吊耳軸向位置的確定，還需要綜合考慮吊裝現(xiàn)場場地情況、吊裝單位可投入的吊車情況、臺班費用、吊裝單位現(xiàn)有的機索具以及設(shè)備制造排板等情況。

圖1 國內(nèi)的管軸式吊耳形式

圖2 國際通用的管軸式吊耳形式

從理論上說，對于整體吊裝的立式設(shè)備，主吊耳的位置只要在設(shè)備的重心以上即可滿足吊裝要求。但對于高度較大的立式設(shè)備，由于吊耳可選擇的軸向位置范圍較大，常常存在把握不準的情況。從受力的角度分析，吊耳位置若位于設(shè)備重心以上并靠近重心附近,其優(yōu)點是可以減小設(shè)備吊裝時的溜尾力，以便選用較小級別的溜尾吊車，節(jié)約吊車出場費和臺班費。同時，對于細高形薄壁設(shè)備，吊耳設(shè)置在設(shè)備重心附近，還可降低吊裝時的彎曲應力，防止設(shè)備變形。但吊耳設(shè)置在設(shè)備重心附近、遠離頂部存在以下弊端【5】：

1) 需要有較寬闊的吊裝場地。設(shè)備正面起吊時，其頂部會頂?shù)降踯嚤蹢U；若側(cè)面起吊，則平衡梁正對吊車臂桿，需要有較大的作業(yè)半徑，才能避免平衡梁與吊車臂桿相碰。如果吊裝現(xiàn)場空間狹小，受到管廊、鋼結(jié)構(gòu)及周邊設(shè)備的制約，則會增大設(shè)備吊裝的難度。

2) 不利于吊裝過程控制。設(shè)備吊裝達到脫排臨界角時，因設(shè)備自身的慣性，溜尾吊車難以控制設(shè)備的擺動，而設(shè)備的左右搖擺會對吊車臂桿產(chǎn)生側(cè)向力，可能對吊車臂桿產(chǎn)生較大危害。

3) 如果設(shè)備重力產(chǎn)生的力矩不足以克服吊耳與鋼絲繩之間摩擦力產(chǎn)生的力矩，設(shè)備脫排后無法直立。

4) 吊耳距離設(shè)備頂部較遠，吊裝單位的繩索、纜索未必能滿足長度要求。

因此， 吊耳的軸向位置在滿足設(shè)備自身強度的前提下， 最理想的選擇是視吊裝的具體情況決定。

4 標準規(guī)范對吊耳設(shè)計分工的規(guī)定

NB/T 47041—2014《塔式容器》并未明確設(shè)備吊耳的設(shè)計是由設(shè)計單位完成還是由吊裝單位完成，僅在第6.9.2條規(guī)定：“塔式容器設(shè)置吊耳時，吊耳的結(jié)構(gòu)、位置及數(shù)量應考慮吊裝方式及塔式容器的質(zhì)量，由設(shè)計單位和施工單位協(xié)同確定，且應考慮塔殼的局部應力?！庇捎凇端饺萜鳌肥撬髟O(shè)計的基礎(chǔ)性規(guī)范，因此目前國內(nèi)一些設(shè)計院將塔器的吊耳設(shè)計納入其工作范圍。

GB 50798—2012《石油化工大型設(shè)備吊裝工程規(guī)范》第5.1.2條規(guī)定：“設(shè)備吊耳應由施工單位提出技術(shù)條件，并應由設(shè)計單位確認。設(shè)備吊耳宜與設(shè)備制造同步完成?！?/p>

SY/T 6279—2016《大型設(shè)備吊裝安全規(guī)程》第5.2.3及5.3.7.2條、SH/T 3515—2017《石油化工大型設(shè)備吊裝工程施工技術(shù)規(guī)程》第5.1.4條皆明確規(guī)定吊耳設(shè)計由吊裝單位完成。

另外，SH/T 3074—2018《石油化工鋼制壓力容器》第7.9.1規(guī)定：“大型設(shè)備吊耳的設(shè)計應按SH/T 3515由吊裝單位負責完成。設(shè)計單位選用的或制造廠自帶的吊裝設(shè)施，應在吊裝單位核算確認后，才能夠在現(xiàn)場吊裝時采用?！逼錀l文說明中也對該條進行了補充說明：“按照SH/T 3515的規(guī)定，起重施工技術(shù)文件(包括吊耳的計算)應由吊裝單位編制，并由吊裝單位的總工批準。容器的設(shè)計單位不具備吊裝資質(zhì)和技術(shù)。對于特殊設(shè)備，吊裝單位可以根據(jù)吊裝方案，向容器的設(shè)計或制造單位提出安裝吊耳(包括吊耳、尾耳、加強結(jié)構(gòu)等)的要求(包括材料、結(jié)構(gòu)、方位和技術(shù)要求)，由設(shè)計單位確認不會影響容器使用后，再完成吊耳的制作及安裝?！?/p>

5 設(shè)備吊裝一體化總承包模式對吊裝設(shè)計分工的啟示

2004年，中國石化茂名石化乙烯改擴建工程實行大型設(shè)備吊裝一體化總承包，這種新型管理模式顯示出其內(nèi)在優(yōu)勢。由于全廠大型設(shè)備吊裝工程實行統(tǒng)一總承包，總承包方可根據(jù)項目進度計劃、現(xiàn)場場地情況及自身的吊裝資源情況進行細致、全面的考慮，選擇最優(yōu)的吊耳設(shè)計方案。同時，大型設(shè)備吊裝一體化管理，還可使吊裝工程自始至終得到強有力的技術(shù)支持和保障。總承包商可以依托的成員來自業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等單位的吊裝專家組，可對大型設(shè)備吊裝方案進行嚴格的專家級審核【6】。同時，大型設(shè)備吊裝一體化總承包克服了先前吊耳的設(shè)計與使用分屬不同單位造成的協(xié)調(diào)困難、職責不清這一缺陷。此后，在中石化海南石化、青島煉化、福建石化等石化、煉化的大型項目上的應用，進一步體現(xiàn)了大型設(shè)備吊裝一體化總承包模式的專業(yè)化優(yōu)勢。

6 結(jié)論

1) 吊裝單位綜合考慮大型塔器的吊裝、吊耳的設(shè)計由吊裝單位負責完成，更加適應現(xiàn)代石化、煉化工程設(shè)備大型化的特點。

2) 吊裝屬于危險性較大的分部分項工程。吊耳的設(shè)計由吊裝單位負責完成，并不意味著設(shè)計單位對吊耳的設(shè)計撒手不管。總的來說，塔器的設(shè)計單位和吊裝單位在工程管理目標上是一致的，都是要確保塔器吊裝萬無一失。因此，吊裝單位完成吊耳設(shè)計后，經(jīng)設(shè)計單位審核確認各種細節(jié)，再交給制造廠連同設(shè)備本體一起進行制造，并做好后續(xù)吊耳的驗收工作，能夠更加全面地確保吊耳滿足吊裝要求，安全可靠。