大型汽輪機(jī)多功能起吊橫梁的研制

謝龍飛 劉 祥 羅 霞

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

目前，大功率汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)零部件的尺寸及重量越來越大。特別是半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)，最大轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度已超13 m、重量達(dá)282 t；最大高中壓汽缸長(zhǎng)度接近12 m、實(shí)際重量約340 t；最大低壓內(nèi)缸寬度13.2 m、實(shí)際重量約250 t。大功率火電汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)同類大件尺寸和重量約為核電的0.5～0.9倍左右。這些大型件在制造廠經(jīng)鑄造、鍛造、焊接、荒加工、粗加工、熱處理、精加工、試驗(yàn)、總裝、表面防護(hù)、包裝、儲(chǔ)運(yùn)等過程一般需進(jìn)行數(shù)十次、多則過百次的起吊及翻身工作。其中用到起吊橫梁(后稱吊梁)的次數(shù)一般超過50%，而工作量卻要占到吊運(yùn)量的80%以上，起吊效率直接影響制造成本。汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)大型零部件制造精度高，吊運(yùn)中需嚴(yán)防墜落、磕碰和塑性變形，工件懸掛狀態(tài)必須處于正確位置，必須水平。工件制造成本高、報(bào)廢或損傷返修會(huì)帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失，故吊索具和起吊方式須安全可靠。目前公司所用多數(shù)吊梁只能滿足當(dāng)前特定對(duì)象的起吊翻身要求，一旦產(chǎn)品變化，就無法繼續(xù)使用，不得不添制新的吊梁，致使吊索具成本很高?；谶@些問題，研制了新吊梁。

1 現(xiàn)有吊梁和起吊方式

目前，現(xiàn)有吊梁和起吊方式存在以下：

(1)在用吊梁種類多、數(shù)量多，并占用了不少的生產(chǎn)場(chǎng)地；

(2)功能單一，對(duì)起吊對(duì)象有特定要求；

(3)吊點(diǎn)位置調(diào)整繁瑣、費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大；

(4)被吊工件調(diào)平時(shí)間長(zhǎng)、精度低，效率低；

(5)吊索的配備不夠合理，吊索的選擇受吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)受限制；

(6)存在安全隱患主要有梁的吊架位置固定方式不合理，其中最典型的是以壓緊代替定位；

(7)個(gè)別大型吊梁就針對(duì)某個(gè)特定件的起吊、翻身設(shè)計(jì)，下掛繩就幾個(gè)固定吊點(diǎn)，通用性差；

(8)吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)不合理，吊索易損傷；

(9)成本高等其它問題。

電廠吊梁使用頻率較低，功能單一造成吊梁數(shù)量多，既浪費(fèi)又占用場(chǎng)地。現(xiàn)就在用部分典型吊梁進(jìn)行分析。圖1(a)吊梁的吊架在梁上的定位純靠摩擦力，當(dāng)梁傾斜或下掛繩與梁不垂直或吊運(yùn)中晃動(dòng)較大時(shí)，吊架易串位，造成工件滑落。圖1(b)和圖1(c)結(jié)構(gòu)相似，通過鏈輪、絲杠結(jié)構(gòu)手動(dòng)調(diào)整吊架位置，費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，下掛繩須盡量垂直于梁的長(zhǎng)度方向，圖1(b)吊架板鉤棱角R太小，易傷吊帶；圖1(c)吊架橫擔(dān)在梁上，當(dāng)?shù)跫軆啥祟^拉力不一致時(shí)，梁會(huì)橫向傾斜，使用范圍受限。圖1(d)和圖1(e)為同一吊梁，可移動(dòng)滑塊在梁上的定位采用螺釘反壓方式，定位效果差，梁的橫截面高、窄，上下掛繩的吊點(diǎn)高低差過大，工作狀態(tài)梁有側(cè)翻趨勢(shì)。圖1(f)是核電轉(zhuǎn)子專用吊梁，下掛繩的掛點(diǎn)少，無通用性，要吊運(yùn)其它大件，須另配吊梁。上掛繩為吊帶，成本高，對(duì)起重機(jī)吊鉤棱角大小有一定要求，大噸位吊梁在使用時(shí)，常出現(xiàn)吊鉤傷吊帶的現(xiàn)象。另外，吊帶易粘、掛鐵屑。目前，我公司類似吊梁已將吊帶換成鋼絲繩，見圖1(j)。圖1(g)、(h)、(i)、(k)是四種汽缸翻身吊梁，其中圖1(i)是345～400 t改制梁，吊板位置可調(diào)、多吊點(diǎn)、通用，缺點(diǎn)是總長(zhǎng)偏短。另三根梁通用性差，吊點(diǎn)位置少，調(diào)位困難，更換吊索費(fèi)時(shí)費(fèi)事。圖1(j)、圖1(k)是分別用300 t和205 t專用梁改制的通用吊梁，改后額定載荷為300 t和350 t，吊點(diǎn)無棱角，鋼絲繩、吊帶均可，對(duì)被吊工件無特殊要求，允許下掛繩在縱、橫向帶夾角。受原結(jié)構(gòu)和原額定載荷的限制，雖擴(kuò)大了使用功能，但下掛繩掛點(diǎn)最小間距偏小，無法吊運(yùn)偏短工件。除圖1(k)吊梁外，其它用于平吊工件，不能用于翻身。

圖1 典型吊梁

2 吊梁研制

根據(jù)目前產(chǎn)品特點(diǎn)、零部件特性和汽輪機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，新吊梁按等強(qiáng)度、多功能設(shè)計(jì)。吊梁長(zhǎng)度和額定載荷在滿足現(xiàn)有起吊要求的前提下，增加了起吊定位軸用銷子定位，額定載荷大小與吊點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)，擴(kuò)大了最大吊重范圍。吊梁上下掛繩的長(zhǎng)度、夾角、額定載荷及附件可根據(jù)起吊要求選擇。同時(shí)，還充分考慮了公司和電廠廠房高度的差異，吊梁設(shè)計(jì)避免了吊梁使用受限。

2.1 上掛繩的選用

吊梁上掛繩的夾角按60°～90°設(shè)計(jì)，選用GJT72高性能無接頭繩圈索具、額定載荷740 kN，卷成四圈直掛，正常使用夾角是60°，額定載荷490 t；75°時(shí)447 t；90°時(shí)395 t。工件最大重量隨上掛繩的夾角變化而變化，夾角變化是為了滿足工件的起吊高度。

2.2 下掛繩的選用

轉(zhuǎn)子起吊一般選用吊帶，多數(shù)情況繩子接近鉛垂?fàn)顟B(tài)；汽缸和組合件起吊，一般選用鋼絲繩，也可選用吊帶，繩子多為斜拉狀態(tài)。吊梁的設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了兩種情況：一是在最大理論載荷下，下掛繩單側(cè)橫向允許夾角+30°、縱向±10°之間，二是通過計(jì)算選擇下掛繩夾角，橫向夾角小于+45°，縱向±15°之間。

(a)總圖

圖3 起吊定位軸

2.3 吊梁主體部分設(shè)計(jì)

起吊橫梁由吊梁本體、上吊軸組件、吊架組件、定位組件、備用定位組件、斜拉組件、吊點(diǎn)吊重標(biāo)尺七部分組成。如圖2所示?？筛鶕?jù)使用要求組裝起吊定位軸，如圖3。吊梁總長(zhǎng)13.1 m，截面最大尺寸1.3 m×0.8 m，額定載荷(330～490 t)根據(jù)起吊定位軸至吊梁中心的距離而變化，上吊軸組件和吊架組件可根據(jù)起吊要求選用。梁的動(dòng)載系數(shù)1.2，安全系數(shù)按n≥3選取。所有零部件按JBT 4730.3—2005 Ⅰ級(jí)作UT檢測(cè)，所有焊縫按NBT 47013 Ⅰ級(jí)作磁粉檢測(cè)。吊梁完工后按1.5倍額定載荷做起吊試驗(yàn)。

2.3.1 起吊定位軸的定位方式及定位精度

大型件起吊時(shí)，一般是根據(jù)工件的理論重心給出工件吊點(diǎn)位置，當(dāng)因累積誤差致工件水平不達(dá)標(biāo)時(shí)，再微調(diào)吊梁下掛繩掛點(diǎn)位置，有微調(diào)裝置的除外。單次微調(diào)量一般為20～30 mm，無論是總裝扣缸，還是下落轉(zhuǎn)子，其工件水平度一般都能達(dá)到2～4 mm。根據(jù)這一經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將新設(shè)計(jì)吊梁吊點(diǎn)的微調(diào)量按10 mm級(jí)考慮。在計(jì)算工件吊點(diǎn)位置時(shí)，其工件實(shí)際吊點(diǎn)與理論值的誤差<5 mm，約為20～30 mm的14～16。對(duì)于10 mm的微調(diào)量達(dá)不到要求的特殊情況，可選備用定位組件。吊梁本體頂板上有三列?60 mm定位銷孔，列號(hào)1、2、3，列距110±0.1 mm；長(zhǎng)度方向26排，排號(hào)A、B、C～X、Y、Z，排距160±0.1 mm，銷孔編號(hào)為A1、A2、A3～Z1、Z2、Z3。起吊定位軸銷孔與吊梁銷孔對(duì)應(yīng)，列距110±0.1 mm，非等距斜排六排，銷孔編號(hào)為1、2、3～16、17、18，見圖2(b)。起吊定位軸與吊梁對(duì)正銷孔的編號(hào)按“吊梁銷孔編號(hào)—起吊定位軸銷孔編號(hào)”定義?？砂凑毡?確定起吊定位軸的位置裝定位銷；也可根據(jù)梁上標(biāo)尺確定位置，即先按標(biāo)尺刻度對(duì)好起吊定位軸位置，此時(shí)總有1～2個(gè)銷孔對(duì)正，然后裝上定位銷。選用上吊軸組件，定位銷上的備用螺帽須擰上。

2.3.2 確定額定載荷

通過對(duì)現(xiàn)有吊梁特性分析、計(jì)算發(fā)現(xiàn)，適度加大吊梁上掛繩吊耳及吊耳焊縫尺寸，并根據(jù)下掛繩工件吊點(diǎn)位置來確定吊梁額定載荷，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都很合理。這樣梁的自重、成本均只微增不到2%，但梁的額定載荷提高很大，并能滿足更多工件的起吊要求。圖4標(biāo)尺刻線下面的兩組數(shù)字分別表示吊點(diǎn)到吊梁中心的尺寸和額定載荷。6350～6370 mm尺寸段單側(cè)額定載荷165 t；5650～6350 mm尺寸段每靠近吊梁中心1 cm吊重增加0.5 t；5200～5650 mm尺寸段每靠近吊梁中心1 cm吊重增加1 t；5200～6350 mm尺寸段的額定載荷單側(cè)165～245 t；兩端1500～5200 mm尺寸段在總重490 t工件的正常起吊范圍。

2.3.3 確定工件吊點(diǎn)范圍

目前，需用吊梁起吊的汽輪機(jī)零部件吊點(diǎn)最大間距11 500 mm，考慮到后繼工件尺寸會(huì)增加和其它大件的起吊要求，將上吊軸組件和吊架組件吊點(diǎn)間距分別按為5040～12 740 mm和3000～12 740 mm來設(shè)計(jì)。在3000～5040 mm范圍內(nèi)，用斜拉組件來調(diào)整吊架組件的吊點(diǎn)位置。吊轉(zhuǎn)子時(shí)下掛繩一般接近鉛垂方向，而吊靜子件、組合件或整機(jī)時(shí)因工件較寬，多數(shù)情況是下掛繩在橫向帶有一定角度，有些工件又長(zhǎng)又寬致下掛繩在吊梁的縱、橫方向均帶角度。因此下掛繩縱向單側(cè)最大夾角按±10°、橫向+30°考慮，吊梁縱向水平最大允許夾角10°。目前在使用中的同規(guī)格吊梁下掛繩掛點(diǎn)最小間距一般≥6100 mm，很多工件無法吊運(yùn)。

表1 吊梁起吊定位軸對(duì)正銷孔參數(shù)表

圖4 吊點(diǎn)吊重標(biāo)尺

圖5 吊梁本體

2.3.4 吊梁本體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)范和使用要求，梁的結(jié)構(gòu)形式按矩形梁選定。截面內(nèi)空尺寸1180 mm×500 mm，制作或使用時(shí)人可進(jìn)入梁體內(nèi)腔工作。除件Ⅴ-17材料(見圖5)為12Cr1MoVG外，其余均為Q355B，兩種材料的綜合力學(xué)性能和焊接性能優(yōu)良，熔焊金屬選擇AWS ER70S-6 ?1.2 mm焊絲。梁上標(biāo)尺可同時(shí)反映此刻度處的額定載荷和至吊梁中心的尺寸。吊梁設(shè)計(jì)時(shí)還充分考慮焊接和加工工藝性及制造成本等要求。所有焊縫均可選用自動(dòng)或半自動(dòng)焊接，焊接部位無焊接和探傷死角；上平面只需將受力部位加工平即可。上掛繩吊耳按受力方向斜焊，傾斜角度選上掛繩夾角60°～90°的中間值75°。

2.3.5 斜拉組件

當(dāng)用斜拉組件調(diào)整吊架組件下掛繩吊點(diǎn)位置時(shí)，在2000～2520 mm范圍內(nèi)只用一套斜拉組件調(diào)整位置；1500～2000 mm用兩套。當(dāng)斜拉組件將吊架組件吊點(diǎn)拉至極限位置1500 mm處，工件為最大理論重量396.6 t時(shí)，斜拉組件的U型螺栓安全系數(shù)n=2.63，滿足使用要求并符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。斜拉組件吊耳也可用做工件吊點(diǎn)，但吊索須同時(shí)掛于吊耳軸兩端槽內(nèi)，單套吊軸額定載荷165 t。

2.3.6 上吊軸組件和吊架組件

核電汽輪機(jī)高中壓汽缸等零部件的吊運(yùn)，由于工件寬，會(huì)出現(xiàn)下掛繩長(zhǎng)、繩子夾角大的情況，為滿足這類工件的起吊高度要求，需將繩子掛在起吊定位軸上。起吊定位軸吊點(diǎn)、吊架組件的下吊軸中間段和兩端吊點(diǎn)均為圓弧面，鋼絲繩、吊帶均可使用。

2.3.7 各組件強(qiáng)度和安全系數(shù)

目前在用吊梁或類似吊具損傷情況，雖然多數(shù)吊梁接近等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，但實(shí)際損傷是受彎、受拉部位多于受壓部位，故在吊梁設(shè)計(jì)時(shí)，總體是將受彎、受拉部位的安全系數(shù)略大于受壓選定。

3 吊梁制作

在吊梁各零部件中，起吊定位軸和吊梁本體是最重要的工件，下面簡(jiǎn)要介紹它們的工藝流程及質(zhì)量保證措施。

3.1 起吊定位軸

起吊定位軸材料為42CrMoA，屈服強(qiáng)度≥930 MPa。粗加工后調(diào)質(zhì)，要求302～341HBW。主要工藝流程：備料→鍛造→去應(yīng)力→探傷→粗加工→探傷→調(diào)質(zhì)→精加工→探傷→起吊試驗(yàn)→試用。

3.2 吊梁本體

吊梁本體材料為Q355B，吊梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，用普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控龍門銑或鏜床均可。主要工藝流程：備料→焊接→探傷消缺→去應(yīng)力回火→探傷消缺→油漆后轉(zhuǎn)加工→劃線→按圖加工各部位→對(duì)各加工面探傷、消缺→裝標(biāo)尺→起吊試驗(yàn)→試用。

4 吊梁使用

吊梁的起吊范圍適用于三十萬千瓦及以上各機(jī)型汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)大型件，也可用于電廠發(fā)電機(jī)和鍋爐大型件的起吊。吊梁的總體結(jié)構(gòu)即可平吊也可用于工件的翻身，上吊軸組件和吊架組件的主要零部件通用，可根據(jù)不同起吊要求組裝。吊梁使用時(shí)，可根據(jù)吊梁自重、工件的重量及尺寸選擇上、下掛繩規(guī)格，吊梁各掛繩點(diǎn)均為無棱角的曲面或柱面，鋼絲繩和纖維吊帶均可使用。吊運(yùn)核電高中壓汽缸這類零部件，下掛繩掛起吊定位軸，這樣可保證工件的起吊高度。當(dāng)工件吊點(diǎn)的尺寸<2520 mm時(shí)，可用斜拉組件來微調(diào)工件水平，調(diào)整方法為：先按設(shè)計(jì)或工藝給出的工件吊點(diǎn)調(diào)整好吊架組件位置，吊起工件，復(fù)查水平，如不合格，工件落地并保持繩子處于微拉緊狀態(tài)，微量旋轉(zhuǎn)斜拉組件上的螺帽，再吊起，這樣可完成工件水平精調(diào)；當(dāng)工件吊點(diǎn)的尺寸在2520～6370 mm時(shí)，方法不變，將斜拉組件換成葫蘆即可。此時(shí)整個(gè)受力系統(tǒng)是聯(lián)動(dòng)的。

5 結(jié)論

梁的所有焊縫均為穿透性和大尺寸角焊縫，并嚴(yán)格規(guī)定了材料、焊接、加工等質(zhì)量要求，吊梁可長(zhǎng)期使用。上掛繩與吊梁本體選用150 t扁平卸扣連接，保證了吊點(diǎn)的位置精度。下掛繩掛點(diǎn)設(shè)計(jì)成兩圓柱面相貫結(jié)構(gòu)，不論繩子方向怎樣變化，都可避免鋼絲繩或吊帶出現(xiàn)明顯彎折。吊梁與起吊定位軸選用銷子定位，安全可靠。吊梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性優(yōu)良，制造成本低，操作方便，起吊效率高。吊梁功能多，對(duì)被吊工件無特定要求，既可用于工件的平吊，也可用于工件的翻身，徹底解決了目前在用吊梁普遍存在的互不通用的弊端，經(jīng)濟(jì)效果顯著。