塔器吊裝吊耳設(shè)計(jì)新方法的探討

楊之華

南京揚(yáng)子檢修安裝有限責(zé)任公司 江蘇南京 210048

對(duì)于塔器吊裝來(lái)說(shuō)，吊耳結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是塔器順利吊裝的關(guān)鍵[1]。塔器常采用焊接吊耳起吊設(shè)備，一般參照HG/ T21574- 2018《化工設(shè)備吊耳設(shè)計(jì)選用規(guī)范》進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。但實(shí)際在壓力容器制造廠制造此類設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往忽視了吊耳的設(shè)計(jì)和制造，給安裝單位帶來(lái)不便，也給工程施工埋下了隱患。尤其對(duì)于需要整體熱處理的塔器，根據(jù)TSG21- 2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，壓力容器焊接工作全部結(jié)束后方可進(jìn)行焊后熱處理。本文以某石化公司8萬(wàn)m3/ h 重整氫提濃裝置吸附塔整體更換吊裝為例，對(duì)塔器吊裝的吊耳設(shè)計(jì)提出了新的設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)有限元分析，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證，為塔器安全吊裝提供可靠的依據(jù)。

1 吸附塔基本參數(shù)

8 萬(wàn)m3/ h 重整氫提濃裝置吸附塔塔體高度為13753mm，內(nèi)徑為3200mm，筒體厚度28mm，設(shè)備主體材料Q345R（正火）。設(shè)備需要焊后整體熱處理，焊接接頭系數(shù)(φ)為1。設(shè)備最大吊裝重量為33210kg。

2 吸附塔吊裝吊耳設(shè)計(jì)新方法

壓力容器制造廠制造本臺(tái)設(shè)備時(shí)，并沒(méi)有設(shè)計(jì)和制造吊耳，且已送至安裝現(xiàn)場(chǎng)?？紤]到該吸附塔塔頂有公稱尺寸為DN600 的人孔，安裝公司提出了在人孔法蘭上加設(shè)管軸式吊裝工具，通過(guò)人孔法蘭進(jìn)行吊裝的思路，如圖1 所示。

圖1 吊裝工具設(shè)計(jì)圖

3 吸附塔吊耳有限元計(jì)算

3.1 有限元力學(xué)模型建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)和載荷特性，考慮塔體結(jié)構(gòu)及各個(gè)管口結(jié)構(gòu)，設(shè)備主體部分建立全模型，封頭和筒體上的接管包含在有限元模型中。有限元計(jì)算采用ANSYS17.0，并采用SOLID185 單元（8 節(jié)點(diǎn)），網(wǎng)格劃分全部采用規(guī)則的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。整個(gè)模型共175208 個(gè)分節(jié)點(diǎn)，136765 個(gè)網(wǎng)格單元。如圖2 和圖3 所示。

圖2 構(gòu)件有限元模型

圖3 有限元模型網(wǎng)格

3.2 豎吊工況有限元應(yīng)力分析

考慮設(shè)備在起吊時(shí)的危險(xiǎn)工況，動(dòng)載荷系數(shù)取1.6，對(duì)整體施加重力載荷，擋圈與補(bǔ)強(qiáng)圈之間管軸下半部分外表面施加全約束。分析結(jié)果如圖4—7 所示。

圖4 總體應(yīng)力圖

圖5 上封頭應(yīng)力云圖

圖6 人孔應(yīng)力云圖

圖7 吊裝工具應(yīng)力云圖

根據(jù)規(guī)范JB4732－1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)規(guī)范》（2005 年確認(rèn)版），對(duì)吸附塔各部位強(qiáng)度的具體評(píng)定見(jiàn)表1。

對(duì)設(shè)備的有限元應(yīng)力分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。且由該規(guī)范附錄1 可知，3 個(gè)主應(yīng)力的代數(shù)和未超過(guò)4Sm，滿足規(guī)范中第5.5 條要求。沒(méi)有做線性化的最大Tresca 當(dāng)量應(yīng)力小于1.5KSm(K=1)，無(wú)需做線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

平吊工況有限元應(yīng)力分析見(jiàn)圖8—11。表2 為平吊工況應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.3 螺柱計(jì)算

3.3.1 螺柱強(qiáng)度校核

根據(jù)GB150.3- 2011 中7.5.2 條，預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺柱載荷（WG）按公式（1）計(jì)算。

表1 豎立工況應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

圖8 總體應(yīng)力圖

圖9 上封頭應(yīng)力云圖

圖10 人孔應(yīng)力云圖

圖11 吊裝工具應(yīng)力云圖

式中：WG—預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺柱載荷；

Fa—預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力；

DG—墊片壓緊力作用中心圓直徑；

b—墊片有效密封寬度；

y—墊片比壓力。

本設(shè)備中，管口墊片外徑692.2mm，內(nèi)徑641.4mm，墊片接觸寬度為25.4mm，根據(jù)GB150.3- 2011 中表7- 1，得：

b0=35.4/ 2=12.7

表2 平吊工況應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

DG=692.2- 2b=674.16

y=69

WG=Fa=3.14DGby

=3.14×674.16×9.02×69=1317492.821N

由設(shè)備重力引起的豎向載荷(FV）：

FV=33210×9.81×1.6=521264.16N

承受在螺柱上的總載荷（F）：

F=1317492.821N+521264.14N=1838756.98N

該法蘭連接平蓋共設(shè)24 個(gè)M39x3 螺柱，平均到每個(gè)螺柱上載荷（F'）：

F1=1838756.98N/ 24=76614.87N

則螺柱應(yīng)力（σca）計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中：σca——螺柱應(yīng)力；

d1——螺柱直徑。

35CrMoA 螺柱M39×3 屈服強(qiáng)度ReL=685MPa，考慮螺柱安全系數(shù)3.0，取M33 螺柱許用應(yīng)力[σ] =228MPa。

σca＜[σ]=228MPa，表明螺柱校核合格。

3.3.2 螺柱數(shù)量的確定

單只螺柱截面積（A1）計(jì)算見(jiàn)式（3），螺柱數(shù)量（n）的確定見(jiàn)式（4）。

n≥F/ A1[σ]=1838756.98/ (1003.9×228)

= 8.03

滿足吊裝要求的螺柱數(shù)量為10 只，考慮吊裝過(guò)程中的綜合影響因素，確定緊固螺柱數(shù)量最少為18 只。

吊耳板吊索方向的最大剪應(yīng)力（τL）的計(jì)算式見(jiàn)式（5）。

[τ] = 0.5 × 228 = 114 MPa

τL＜[τ]，滿足要求。

綜上所述，吸附塔吊耳吊裝工況中，吊耳、人孔法蘭、設(shè)備封頭、筒體和連接螺栓均滿足吊裝要求。

4 實(shí)際工程應(yīng)用

圖12 實(shí)際施工圖

某石化公司8 萬(wàn)m3/ h 重整氫提濃裝置吸附塔整體更換吊裝，根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的吊耳進(jìn)行了安全吊裝，實(shí)際施工情況如圖12 所示，充分驗(yàn)證了吊耳設(shè)計(jì)新方法是安全可靠的。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合實(shí)例，提出了塔器吊裝吊耳設(shè)計(jì)的新方法，進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。由分析結(jié)果以及實(shí)際應(yīng)用可知，該方法設(shè)計(jì)的吊耳強(qiáng)度是安全的，為在特殊情況下吊裝吊耳設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)方法，可供工程應(yīng)用參考。