超重型設(shè)備吊裝索具設(shè)計與改裝應(yīng)用施工技術(shù)

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

1 施工技術(shù)簡介

隨著我國煉油、石油化工、煤化工等行業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)備的生產(chǎn)能力和制造規(guī)模不斷擴大。為縮短設(shè)備安裝周期，減少人員高空作業(yè)，大型設(shè)備多采用整體吊裝方式。為確保吊裝安全，需要在實施吊裝前制定完備的吊裝方案，包括起重吊裝工藝和吊裝索具的設(shè)計。

本施工技術(shù)主要涉及吊裝索具設(shè)計中的設(shè)備提升吊蓋和溜尾支撐梁的設(shè)計改裝應(yīng)用，該項技術(shù)已經(jīng)在洛陽宏興項目150萬t/a加氫裂化裝置加氫精制反應(yīng)器吊裝項目中成功實施。加氫裂化裝置反應(yīng)器是該項目建設(shè)中單體體積最大、重量最重的設(shè)備，設(shè)備直徑3.6m、高約35m、凈重680t，主吊車采用1250t履帶吊車，溜尾450t履帶吊車，是加氫裂化裝置生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵設(shè)備。

由于反應(yīng)器壁厚度大（最小厚度達到215mm），質(zhì)量也較大，而且是經(jīng)過焊后整體處理，不允許在殼體上焊接吊裝用管軸式吊耳。因此專門設(shè)計了一個與設(shè)備頂部法蘭相匹配的盲法蘭式提升蓋作為此類設(shè)備的吊裝主吊點。提升吊蓋主要由法蘭盲板和吊耳組成，法蘭盲板與設(shè)備頂部法蘭相匹配，且用雙頭螺柱與設(shè)備進行連接固定，吊耳為連接吊裝鋼絲繩等索具的承重結(jié)構(gòu)。該技術(shù)通過CAD圖紙設(shè)計優(yōu)化，利用解析計算分析吊蓋受力強度，再利用solidworks對危險部位進行有限元分析的方法，可得到吊蓋應(yīng)力的分布情況，從而保證吊裝安全順利實施。

根據(jù)溜尾受力設(shè)計成的一對焊接在裙座處的管軸式吊耳，為了改善設(shè)備的受力狀態(tài)以及保持被吊設(shè)備的平衡、縮短吊裝鋼絲繩的高度，避免吊裝繩索受設(shè)備影響、平衡各吊點的受力，在溜尾處設(shè)計支撐梁作為吊裝索具。根據(jù)設(shè)備溜尾受力為400t和尾部裙座直徑，利用現(xiàn)場的現(xiàn)有材料選取兩根規(guī)格：Φ273×20mm，長度為4300mm的鋼管制作成支撐梁，設(shè)計原理與吊蓋設(shè)計相近，通過solidworks軟件建立模型進行優(yōu)化設(shè)計。

2 技術(shù)原理

2.1 工藝流程簡介

（1）根據(jù)設(shè)備設(shè)計圖紙以及設(shè)備參數(shù)進行索具的選型，利用solidworks軟件對設(shè)備頂部法蘭進行強度分析，確保使用提升吊蓋吊裝設(shè)備滿足強度要求；

（2）利用計算機畫圖軟件CAD和solidworks分別進行索具的平面圖設(shè)計和三維圖形建模；

（3）待設(shè)計建模完成后，結(jié)合solidworks有限元分析功能和傳統(tǒng)的計算校核方法對索具進行強度校核，并且通過分析結(jié)果對薄弱部位進行加固或增加支撐，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，最終確定設(shè)計方案；

（4）待設(shè)計方案確定后，委托施工現(xiàn)場設(shè)備制造廠進行索具的焊接制作；

（5）索具制作完成后運至現(xiàn)場，主吊車和溜尾吊車就位，利用輔助吊車進行索具吊蓋以及支撐梁的連接安裝；

（6）索具完成后，進行設(shè)備試吊，確認(rèn)符合吊裝安全要求后，開始正式吊裝作業(yè)；

（7）吊裝完成后對設(shè)備進行摘鉤，吊車撤場，完成吊裝。

2.2 索具的設(shè)計選型

2.2.1 提升吊蓋的設(shè)計

根據(jù)設(shè)備設(shè)計圖紙以及吊蓋設(shè)計手冊進行選型，通過CAD軟件畫出吊耳的設(shè)計平面圖；然后利用solid works軟件建立模型，根據(jù)圖紙中給定的設(shè)備材質(zhì)，對模型進行材料定義，從而畫出三維實體模型；再通過不斷的優(yōu)化分析制作成實際吊蓋索具。詳見圖1和圖2。

2.2.2 吊蓋強度校核

對于吊蓋而言，其薄弱點在兩個吊耳板上。吊裝過程中設(shè)備從呈臥態(tài)到豎直狀態(tài)時，吊蓋耳板受力情況要進行兩個極限狀態(tài)的分析。

2.2.2.1 設(shè)備呈臥態(tài)時

設(shè)備呈臥態(tài)時吊蓋受力情況如圖3和圖4所示。

圖1 提升吊蓋CAD及銷軸設(shè)計圖

圖2 提升吊蓋設(shè)計模型圖

圖3 設(shè)備臥態(tài)時吊蓋受力示意圖

圖4 設(shè)備呈臥態(tài)時吊蓋受力方向及整體受力示意圖

（1） 設(shè)備呈臥態(tài)時提升吊蓋受力FH計算公式見式（1）和（2）。

式中：l1——主吊點到設(shè)備重心的距離，12249.43mm；

l2——溜尾吊點到設(shè)備重心的距離，15791.88mm。

則得：

因此，吊蓋受力最大為FHMax=FH?k=4049kN×1.21=4899.29kN。

（2） C-C 截面彎曲應(yīng)力（σc）計算方式如下：

根據(jù)第三強度理論，C-C截面應(yīng)力

可見，C-C截面強度滿足吊裝需求。

（3） 截面 A-A 的彎曲應(yīng)力（σA）計算公式如下：

可見，A-A截面強度滿足吊裝需求。

2.2.2.2 設(shè)備呈立態(tài)時

設(shè)備呈立態(tài)時吊蓋受力情況如圖5所示。

圖5 設(shè)備豎直狀態(tài)時吊蓋受力示意圖

（1） 截面 B-B 拉應(yīng)力

（2） 截面 A-A 剪切應(yīng)力

（3） 截面 C-C 焊縫拉應(yīng)力

因此，吊蓋剪切強度滿足吊裝需求。

2.2.2.3 連接螺栓預(yù)緊力

提升蓋與設(shè)備頂部法蘭之間的連接螺栓預(yù)緊力需要進行計算，每個螺栓的預(yù)緊力（F）可按公式（3）計算。

式中：F預(yù)緊——每根螺栓的預(yù)緊力，N；

FH——設(shè)備抬頭時作用于設(shè)備頂部的提升力，N；

n——螺栓數(shù)目；

f——提升蓋法蘭盲板與設(shè)備法蘭間的滑動摩擦系數(shù)，一般取0.3。

連接螺栓的預(yù)緊應(yīng)采用分級、對稱擰緊的方式進行。預(yù)緊力矩（M）可按公式（4）計算。

式中：M預(yù)緊——每根螺栓的預(yù)緊力矩，N?mm；

F預(yù)緊——每根螺栓的預(yù)緊力，N；

Kt——預(yù)緊力矩系數(shù)，取0.25；

dm——緊固螺栓的最小直徑，mm。

2.2.2.4 銷軸強度校核

銷軸受力情況如下圖6所示，當(dāng)設(shè)備處于豎直狀態(tài)并離地時銷軸受力最大，按此時狀態(tài)校核銷軸強度。

圖6 設(shè)備豎直狀態(tài)時銷軸受力示意圖

銷軸所受剪切力

銷軸材質(zhì)為35CrMo，查GB3077-2015得到材料屈服強度為835MPa。

[σ軸] = 835MPa＞σ軸= 123.14MPa

綜上所述，吊蓋整體滿足吊裝過程中設(shè)備各個狀態(tài)時的強度需求。

2.2.3 支撐梁的設(shè)計

支撐梁根據(jù)設(shè)備設(shè)計圖紙和支撐梁設(shè)計手冊設(shè)計，其設(shè)計原理同提升吊蓋，通過建立模型進行優(yōu)化設(shè)計，見圖7。

圖7 支撐梁設(shè)計圖

2.2.4 支撐梁校核

2.2.4.1 支撐梁受力分析

平衡梁在動態(tài)平衡狀態(tài)下的受力示意圖見圖8。此時，

平衡梁處于動態(tài)平衡中，豎直方向力相等，

即，：F1×sin15° +F4×sin15°+G=F2×sin74°+F3×sin74°

又， F2=F3

所以，得：F2=F3=23.7kN

圖8 支撐梁受力分析圖

2.2.4.2 剛度校核

由《起重機設(shè)計手冊》P521式4-1-30，剛度條件為λ≤[λ]。

式中：L = 4300mm；

對于Φ273×20鋼管，

因此，r= （I/A）1/2=89.7mm

查《起重機設(shè)計手冊》P545表4-1-40，取μ=1；

查《起重機設(shè)計手冊》P522表4-1-16，取[λ]=150；

所以得到，λ=1×4300/89.7=47.94 ≤[λ]

可見，支撐梁剛度滿足要求。

2.2.4.3 強度校核

由《起重機設(shè)計手冊》P521式4-1-30，剛度條件為：

式中：F =Gtan30o/4=（6.8×106×tan30o）/4

故，σ=61.71MPa

鋼管材料為Q235，σ=61.71MPa≤[σ]=235 MPa

可見，支撐梁強度滿足要求。

2.2.4.4 穩(wěn)定性校核

由《起重機設(shè)計手冊》P523式4-1-36，穩(wěn)定性條件為：

由《起重機設(shè)計手冊》P523表4-1-17，取ψ=0.847

所以，σ=72.86MPa≤[σ]

可見，支撐梁穩(wěn)定性滿足要求。

2.2.4.5 支撐梁吊耳校核

支撐梁吊耳示意圖見圖9。

圖9 支撐梁吊耳示意圖

吊耳材質(zhì)為Q235，σs=235MPa。

安全系數(shù)為1.6。

[σ]=σs/1.6=146.7MPa

[τ]=81MPa（取 0.55[σ]）

（1）吊耳截面拉伸應(yīng)力（σ）計算式見公式（7）。

吊耳拉伸載荷F2=23.7kN

Fv=F2=23.7kN

A=（150-60）×20=1800mm2

故，σ=F2/A=23.7×103/1800=13.2MPa≤[σ]=147MPa

（2）支撐梁吊耳孔擠壓強度計算式見公式（8）。

式中：T=F2=23.7kN

d——吊耳孔直徑，60mm；

t1——吊耳板厚度，20mm。

故，σr=19.8MPa≤[σ]=125MPa

可見，支撐梁強度滿足要求。

（3）支撐梁吊耳截面剪切應(yīng)力計算式見公式（9）。

式中：Fv=F2=23.7kN

可見，支撐梁的強度滿足要求。

通過以上分析計算證實，該平衡梁能夠滿足要求。

2.3 索具有限元受力分析

利用solidworks軟件建立模型進行受力分析，如圖10和圖11所示。單元總數(shù)為19073，節(jié)點總數(shù)為31069，通過分析結(jié)果對薄弱部位進行加固或增加支撐，優(yōu)化吊蓋的設(shè)計。

圖10 吊蓋的實體網(wǎng)格劃分圖

圖11 吊蓋有限元分析圖

從應(yīng)力分布圖可以看出，最薄弱處為頂部吊耳剪切面，其最大值為223.6MPa，而吊蓋材質(zhì)Q345允許最大應(yīng)力345MPa，因此滿足安全需求。吊蓋整體最大變形量為0.5306mm，在允許變形范圍內(nèi)。

2.4 索具與設(shè)備安裝連接

通過計算和有限元分析，最終確定吊蓋設(shè)計方案并制作成實體吊蓋，利用雙頭螺柱與設(shè)備頂部法蘭進行連接，并且通過銷軸與φ234mm鋼絲繩圈索具進行連接，詳見圖12和圖13。

圖12 吊蓋和支撐梁實體圖

2.5 設(shè)備的提升與就位

主吊、溜尾索具安裝完成后，認(rèn)真檢查各方面機具設(shè)備及人員是否全部就位；確認(rèn)無誤后，開始試吊作業(yè)；設(shè)備試吊前，各崗位起重機司機、指揮人員及觀察人員全部到位，兩臺吊車同時起鉤，使設(shè)備離開運輸鞍座300mm；然后靜置1h后，經(jīng)由業(yè)主、監(jiān)理、安全人員及專業(yè)工程師檢查鎖具、吊車站位地基、吊車狀態(tài)確認(rèn)符合吊裝安全要求后，方可開始正式吊裝作業(yè)；待設(shè)備豎直時，拆除溜尾索具撤出溜尾吊車，由1250t履帶吊車主吊就位?，F(xiàn)場施工圖見圖14—16。

圖13 索具與設(shè)備連接圖

圖14 設(shè)備試吊圖

圖15 設(shè)備提升圖

3 適用范圍

本施工技術(shù)適用于提升吊蓋作為頂部中心設(shè)有大接管法蘭類設(shè)備吊裝的主吊耳；適用于同裝置內(nèi)同類超重型設(shè)備的吊裝，避免同類型設(shè)備每臺都進行單獨的吊耳設(shè)計；適用于壁厚大、質(zhì)量較大，而且都經(jīng)過焊后整體處理，不允許在殼體上焊接吊裝用吊耳的設(shè)備，如反應(yīng)器、熱高壓分離器、冷低壓分離器等。

圖16 設(shè)備就位圖

4 總結(jié)

本施工技術(shù)通過對設(shè)備吊裝索具的設(shè)計與改裝，從而達到節(jié)約施工成本的目的，主要是自主對提升吊蓋的設(shè)計改造，并將設(shè)計完成的吊蓋委托現(xiàn)場設(shè)備制造廠家進行制作。制作成本費和設(shè)計費總計12萬元，而如果直接購買此類型吊蓋的費用高達25萬元，從而節(jié)約成本13萬；支撐梁利用現(xiàn)場的材料進行制作，避免了直接從廠家購買的費用約8萬元；主吊鋼絲繩利用本單位自有的鋼絲繩圈即可滿足吊裝，節(jié)約了購買鋼絲繩的費用5萬元；吊蓋設(shè)計成通過銷軸與鋼絲繩連接的形式，節(jié)約了再次購買卡環(huán)等形式連接索具的費用3萬元?？傊?，通過設(shè)計與改裝，本項目的吊裝索具節(jié)約成本總共達到了29萬元，實現(xiàn)了較大的經(jīng)濟效益。

該項施工技術(shù)將傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗和當(dāng)今主流計算機設(shè)計軟件相結(jié)合，保證了設(shè)備吊裝過程的安全性和施工效率，施工過程安全高效，方便快捷。同時，減少了施工周期，降低了施工人員的高空作業(yè)以及勞動強度，提高自有機索具使用率，降低機索具的采購成本，施工過程做到了能源節(jié)約、安全環(huán)保。