塔設(shè)備吊耳的受力分析及計算關(guān)鍵點探討

厲曉英，閆龍龍

（1.山東豪邁化工技術(shù)有限公司，山東青島 266031；2.環(huán)球石墨烯（青島）有限公司，山東青島 266111）

塔類設(shè)備一般頂部設(shè)置兩個吊耳，頂部為軸耳或側(cè)壁板式吊耳，尾部設(shè)置溜尾吊耳，在吊裝時，兩種吊耳配合使用。吊耳本身的安全與否，直接關(guān)系到吊裝過程能否順利進行，因此，在整個吊裝過程中，對塔類設(shè)備的吊耳進行受力分析和校核是必不可少的。

塔類等大型直立設(shè)備的吊裝方法，常見的有以下幾種[1]：

（1）利用一臺吊機主吊，另一臺吊機在設(shè)備尾部溜尾；

（2）利用一臺吊機主吊，尾部設(shè)置滾排滑移；

（3）利用兩臺吊機在主吊耳位置一起抬吊，尾部設(shè)備滾排滑移。

雙機配合主吊溜尾吊裝法是一種經(jīng)常采用且十分重要的吊裝方法，通過主吊機的提升、溜尾吊機抬尾推送的過程，將設(shè)備翻轉(zhuǎn)直立后，主吊機單獨安裝就位。

吊裝過程主要分為三個階段：第一是水平起吊位置，第二是從水平位置到脫鉤位置，第三是豎直吊裝位置。本文對整個過程中上部吊耳和尾部吊耳進行了受力分析，總結(jié)了吊耳的受力變化規(guī)律，并舉例說明了校核過程，為塔設(shè)備吊耳的設(shè)計計算和安全吊裝提供參考。

1 吊裝過程受力分析

圖1是一臺塔式容器，其下端設(shè)置一個尾部吊耳，上部設(shè)置兩個軸式吊耳或側(cè)壁板式吊耳（圖1為側(cè)壁板式吊耳）。在吊裝過程中，從設(shè)備水平到設(shè)備豎直過程，對整個過程進行受力分析。

根據(jù)塔體受力平衡及力矩平衡，可以得到式（1）和式（2）：

計算得到：

圖1 塔設(shè)備吊耳受力示意Fig.1 Force schematic diagram of tower vessel lifting lugs

對于尾部吊耳來說，

式中LL——上部吊耳沿豎直方向的受力；

LH——上部吊耳沿設(shè)備軸線方向的受力；

LV——上部吊耳垂直于設(shè)備軸線方向的受力；

TL——尾部吊耳沿豎直方向的受力；

TH——尾部吊耳沿設(shè)備軸線方向的受力；

TV——尾部吊耳垂直于設(shè)備軸線方向的受力；

G——塔設(shè)備的重量；

X——尾部吊耳到重心的距離；

Y——上部吊耳到重心的距離；

θ——起吊角度。

由計算過程可知，LL和TL的大小與起吊角度θ有關(guān)，由式（6）可知，在水平到豎直的過程中，即θ從0°到90°，tanθ不斷增大，即TL不斷減小，由于TL+LL=G，則LL在不斷增大。也就是說，在實際設(shè)備起吊的過程中，在水平起吊位置，溜尾吊耳的受力最大，溜尾吊車的受力也最大，在接近垂直位置時，溜尾吊耳和溜尾吊車的承載力接近零，而上部吊耳及主吊車的承載力達到最大。

HG/T 21574—2018《化工設(shè)備吊耳設(shè)計選用規(guī)范》[2]對各種形式的吊耳進行了描述，并對各種形式吊耳的設(shè)計計算進行了規(guī)定。此規(guī)范將吊耳簡化成一個懸臂梁，采用材料力學(xué)的方法對其進行受力計算，得到了相應(yīng)的應(yīng)力值和結(jié)果[3]，與許用應(yīng)力相比較，來校核吊耳的安全性。

2 軸耳受力分析

對軸耳（如圖2所示）來講，在設(shè)備起吊的過程中，軸耳所受的力隨著起吊角度的增大而增大，在設(shè)備接近垂直位置時達到最大值。即軸耳最危險的受力狀態(tài)，發(fā)生在設(shè)備起吊至直立狀態(tài)但尚未就位時。根據(jù)文獻[2]的規(guī)定，軸耳的校核包括對軸耳強度的校核和耳軸與端板連接角焊縫的強度校核。其中，軸耳強度的校核包括兩部分：（1）由橫向載荷引起的吊耳橫向應(yīng)力及豎向載荷引起的彎曲應(yīng)力所組成的組合應(yīng)力；（2）由橫向載荷引起的橫向應(yīng)力、豎向載荷引起的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力組成的組合應(yīng)力。

圖2 軸耳示意圖Fig.2 Schematic diagram of trunnion lug

即：

耳軸與端板連接角焊縫，當有墊板時，校核分為兩部分：（1）橫向載荷引起的拉應(yīng)力和豎向載荷引起的彎曲應(yīng)力組成的組合應(yīng)力；（2）橫向載荷引起的拉應(yīng)力、豎向載荷引起的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力組成的組合應(yīng)力。

即：

軸耳在不同起吊角度所受力的情況不同，因此對軸耳的校核要考慮設(shè)備從水平到豎直的整個過程。

軸耳強度校核步驟如下：

（1）根據(jù)第1節(jié)的計算公式，求得在各個起吊角度時單個吊耳的豎向載荷、橫向載荷?？紤]吊裝綜合影響系數(shù)為1.35，其中包括動載荷系數(shù)為1.2，不平衡系數(shù)為1.125[2]。

（2）考慮各個起吊角度，對吊耳強度進行校核，考慮橫向載荷造成的橫向應(yīng)力，豎向載荷造成的剪應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，求出其組合應(yīng)力，與許用應(yīng)力相比較，組合應(yīng)力小于許用應(yīng)力即校核通過。

墊板與筒節(jié)的連接角焊縫步驟如下：

（1）根據(jù)焊縫的尺寸，計算得到焊縫的面積和焊縫截面的抗彎截面模量；

（2）計算在吊裝過程中，各個角度由豎向載荷引起的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，由橫向載荷引起的拉應(yīng)力，并求得其組合應(yīng)力，若小于許用應(yīng)力，則校核通過。其中，焊縫為角焊縫，需要考慮角焊縫系數(shù) 0.7。

3 側(cè)壁板式吊耳受力分析

側(cè)壁板式吊耳（如圖3所示）的受力變化情況和軸耳相同。

對于側(cè)壁板式吊耳，主要校核吊孔的擠壓，吊耳頭部強度，吊耳墊板截面強度及吊耳與墊板連接角焊縫的強度。其中，吊孔擠壓的校核和吊耳頭部強度的校核與頂部板式吊耳的校核方法相同。墊板截面包括設(shè)備臥置狀態(tài)和豎直狀態(tài)兩種情況，主要考慮由豎向載荷造成的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力組成的組合應(yīng)力，滿足下列條件即可：

吊耳與墊板連接角焊縫主要校核豎直剪切應(yīng)力和橫向剪切應(yīng)力，使其小于許用切應(yīng)力。

圖3 側(cè)壁板式吊耳示意Fig.3 Schematic diagram of side plate-type lifting lug

在吊裝過程中，側(cè)壁板式吊耳的校核步驟與軸耳類似，如下：

（1）根據(jù)第1節(jié)的計算公式，求得各個起吊角度，吊耳所受的豎向載荷和橫向載荷；

（2）校核吊孔的擠壓強度，吊耳頭部強度，吊耳墊板截面強度，使其小于許用應(yīng)力；

吊耳與墊板連接角焊縫的強度校核步驟如下：

（1）根據(jù)焊縫的尺寸，計算得到焊縫的面積和焊縫截面的抗彎截面模量；

（2）計算由在吊裝過程中各個角度豎向載荷造成的豎直剪切應(yīng)力，和橫向載荷造成的橫向剪切應(yīng)力，分別使其小于許用剪應(yīng)力，同樣需要考慮角焊縫系數(shù)0.7。

4 尾部吊耳受力分析

由第1節(jié)的計算可知，尾部吊耳（如圖4所示）在起吊過程中，水平位置所受拉力最大，到豎直位置受力為0。但是隨著起吊角度增大，尾部吊耳所受的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力會逐步增加，因此，校核尾部吊耳的強度要考慮整個起吊過程。

在文獻[2]中規(guī)定尾部吊耳的計算可按設(shè)備臥置時的布置形式為Ⅰ型的頂部吊耳校核。和側(cè)壁板式吊耳的校核類似，尾部吊耳主要校核吊孔的擠壓，吊耳頭部強度，吊耳板與墊板或封頭連接角焊縫，在此不做贅述。

圖4 尾部吊耳示意Fig.4 Schematic diagram of tailing lug

在吊裝過程中，尾部吊耳的校核步驟如下：

（1）根據(jù)第1節(jié)的計算公式，求得單個吊耳的豎向載荷、橫向載荷，其中考慮動態(tài)載荷系數(shù)為1.35；

（2）校核吊孔的擠壓強度，吊耳頭部強度，頭部主要校核剪切和拉伸，與許用應(yīng)力相比較，應(yīng)力小于許用應(yīng)力即可。

墊板和吊耳板之間焊縫、墊板和筒體之間的焊縫校核步驟如下：

（1）根據(jù)焊縫的尺寸，計算得到焊縫的面積和焊縫截面的抗彎截面模量；

（2）計算得到吊裝過程中各個角度的焊縫拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，并求得其組合應(yīng)力，與許用應(yīng)力相比較即可。

5 實例分析

某設(shè)備總長16.5 m，總質(zhì)量118.2 t，該設(shè)備是矩形容器，為確保強度和剛度滿足使用要求，在外表面設(shè)置了合適的筋板。設(shè)備上部設(shè)置兩個軸耳，下端設(shè)置一個尾部吊耳，兩者配合進行吊裝，如圖5所示。對吊耳在吊裝過程中的各個角度進行受力分析和強度校核。

首先，根據(jù)第1節(jié)的公式求出不同角度的吊耳所承受的重量，如表1所示。由表1可知，從0°到90°吊裝的過程中，吊耳上所受的力在一直變化，其中，頂部吊耳所受力在不斷增大，尾部吊耳所受力在不斷減小。吊耳的應(yīng)力校核過程應(yīng)該貫穿整個吊裝過程，分別對不同吊裝角度進行校核，計算步驟根據(jù)第1節(jié)和第4節(jié)的描述進行，在此不做贅述。校核過程發(fā)現(xiàn)，尾部吊耳所受組合應(yīng)力在起吊角度為61°時出現(xiàn)最大值，這也說明在尾部吊耳的校核過程，不能以簡單受力最大點作為組合應(yīng)力出現(xiàn)的最大點，而應(yīng)該綜合考慮力和力矩的作用，找出整個吊裝過程的最危險點，以保證吊裝過程的安全。

除了對于吊耳進行強度校核外，還需要對吊裝過程中吊耳與筒體的局部應(yīng)力、設(shè)備（殼體）截面彎矩（如設(shè)備殼體上的縱向彎曲應(yīng)力等）進行校核，可參考文獻[2]附錄C部分，也可以使用有限元的方法對塔器及吊耳進行應(yīng)力分析[4-5]，在此不做贅述。

圖5 設(shè)備示意圖Fig.5 Schematic diagram of vessel

表1 吊耳在不同角度的受力情況Tab.1 Force of lifting lugs at different angles kN

6 結(jié)束語

（1）設(shè)備在起吊過程中，吊耳上所受的力在一直變化。其中，上部吊耳的受力在不斷增大，尾部吊耳的受力在不斷減小。

（2）在校核吊耳強度時，不能簡單以受力最大點作為組合應(yīng)力出現(xiàn)的最大點，而應(yīng)該綜合考慮力、力矩的作用，找出整個吊裝過程的最危險點，保證吊裝過程的安全。

（3）除了對吊耳進行強度校核外，還需要對吊裝過程中吊耳與筒體的局部應(yīng)力、設(shè)備（殼體）截面彎矩進行校核。