兩種管板型吊蓋組合的設(shè)計與應(yīng)用

景 玉，劉相周，喬 鑫，黃 勇

中國石油第六建設(shè)有限公司，廣西桂林 541004

1 工程簡介

盤錦項目需要完成兩臺靜設(shè)備吊裝，其中一臺200×104t/a渣油加氫裝置熱高壓分離器（D-103）的尺寸為?3 400 mm×16 720 mm×186 mm，設(shè)備質(zhì)量為251.1 t；其中240×104t/a加氫裂化裝置冷高壓分離器（高毒，V-105）的尺寸為?3 800 mm×16 780 mm×234 mm，設(shè)備質(zhì)量為341.4 t。兩臺設(shè)備均已進(jìn)行熱處理，無法焊接吊耳，需要使用法蘭吊蓋系掛鋼絲繩扣，才能完成兩臺大型設(shè)備的吊裝就位工作。

2 管板型吊蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)備法蘭面的數(shù)據(jù)尺寸、設(shè)備重量，參考相關(guān)規(guī)范確定組合吊蓋結(jié)構(gòu)尺寸[1]。管板型吊蓋的主要組成有上下蓋板、吊耳主板、管軸等，管板型吊蓋的材質(zhì)為Q345-B，所有的構(gòu)件都是通過焊接完成，必須由合格的焊工焊接，保證焊接質(zhì)量，管板組合吊蓋（以下簡稱吊蓋）的結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1、圖2。

圖1 管板組合吊蓋的設(shè)計

圖2 管板組合吊蓋實體模型剖視圖

3 管板型吊蓋

3.1 管板型吊蓋受力分析

兩臺設(shè)備中冷高壓分離器（高毒，V-105）設(shè)備質(zhì)量341.4 t，吊蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按照此設(shè)備的重量進(jìn)行設(shè)計校核。通過靜力學(xué)計算得出初步結(jié)論[2]，再結(jié)合有限元分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.1 設(shè)備呈臥態(tài)時的吊蓋焊縫強(qiáng)度校核

設(shè)備呈臥態(tài)時的受力分析見圖3。

圖3 設(shè)備呈臥態(tài)時的受力分析

（1）設(shè)備的計算吊裝質(zhì)量mc1為：

式中：mc為設(shè)備、吊蓋和連接螺柱螺母三者質(zhì)量（分別取值341.4、3、0.6 t） 之和，kg；k為載荷系數(shù)，取1.1。

（2）設(shè)備呈臥態(tài)時，作用于提升蓋上的提升力FH為：

式中：FH為設(shè)備呈臥態(tài)時，作用于吊蓋的提升力，N；g為吊裝所在地的重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；L1為設(shè)備重心至提升力FH的水平距離，mm，取8 296 mm；L2為設(shè)備重心至溜尾力FT的水平距離，mm，取9 110 mm。

（3） C—C截面的彎曲應(yīng)力為：

式中：M為彎矩，N·m；W為抗彎截面模量，mm3；h為吊蓋吊耳板圓孔中心至C—C截面的距離，mm；R為吊蓋吊耳板圓弧半徑，mm。

（4）C—C截面應(yīng)滿足的強(qiáng)度條件：

當(dāng)C—C截面為焊縫時：

式中：[σ]焊縫為吊耳板焊縫的許用拉應(yīng)力，MPa，一般取 （0.7～1） [σ]；[σ]為吊耳板材料的許用拉應(yīng)力，MPa；安全系數(shù)取1.6。

3.1.2 設(shè)備呈立態(tài)時的吊蓋耳板強(qiáng)度校核

設(shè)備直立時的受力分析見圖4。

圖4 設(shè)備直立時受力分析

（1）A—A截面的拉應(yīng)力為：

式中：FV為設(shè)備直立時作用于提升蓋上的垂直提升力，N；f1為吊耳板孔距外邊緣的距離，mm；f2為補(bǔ)強(qiáng)板孔距外邊緣的距離，mm；t1為吊蓋補(bǔ)強(qiáng)板厚度，mm；t2為吊蓋吊耳板厚度，mm。

（2）B—B截面的剪應(yīng)力為：

式中：c為管軸徑向截面的面積，mm2。

3.1.3 法蘭盲板的強(qiáng)度校核

3.2 吊蓋的有限元分析

3.2.1 管軸分析

吊蓋管軸部分[3]可以簡化為外伸梁，通過SOLIDWORKS軟件對該管軸進(jìn)行有限元分析，分析得出管軸的彎曲應(yīng)力為198.4 MPa，見圖5；最大剪力4×106N，見圖6；最大彎矩7.6×105N·m，見圖7。

圖5 管軸彎曲應(yīng)力/MPa

圖6 管軸剪力/N

圖7 管軸彎矩/（N·m）

3.2.2 吊蓋整體分析

管軸在吊裝過程中與鋼絲繩扣直接接觸，其局部受力較為集中，對其受力情況進(jìn)行靜力學(xué)分析[4]。通過查看在施加載荷后，吊蓋應(yīng)力云圖的變化，對吊蓋整體進(jìn)行了靜力學(xué)分析，以便據(jù)此優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最后得到吊蓋等效應(yīng)力值為266.7 MPa，因此吊蓋能夠滿足強(qiáng)度要求。分析結(jié)果見圖8。

圖8 吊蓋整體結(jié)構(gòu)分析云圖/MPa

3.3 吊蓋焊接制作的工藝流程

吊蓋的主要結(jié)構(gòu)由管道和鋼板組成，總體質(zhì)量3 t，需要使用倒鏈、千斤頂?shù)裙ぞ咄瓿傻跎w的平移、旋轉(zhuǎn)，而后通過焊接將其組合為一個整體。焊接結(jié)果見圖9。

圖9 焊接后吊蓋實物

吊蓋的內(nèi)圈板有四層，焊接需要采用由內(nèi)向外、由下向上的工藝流程，這樣才能保證焊接工作的順利進(jìn)行。具體焊接工藝流程見圖10。

圖10 吊蓋焊接工藝流程

4 吊蓋實際應(yīng)用

4.1 熱高壓分離器 （D-103）吊蓋安裝

熱高壓分離器吊蓋的安裝需要配備規(guī)格為M76×3×800的螺栓，材質(zhì)為25Cr2MoVA，每條螺柱配2個螺母，規(guī)格為M76X3，材質(zhì)為35CrMoA，總計12套。整個安裝過程需要一臺25 t汽車吊配合，所有的螺母通過打擊扳手?jǐn)Q緊，在管軸表面涂抹黃油，減少在起吊過程中鋼絲繩扣與管軸之間的摩擦力[5]，見圖11。使用鋼絲繩扣?104 mm×16 m兩根打雙，單根載荷162 t。

圖11 高壓分離器吊蓋安裝

4.2 冷高壓分離器 （高毒，V-105）吊蓋安裝

冷高壓分離器（高毒）的安裝需要配備規(guī)格為M90×3×830的螺栓，材質(zhì)為25Cr2MoVA，每條螺柱配2個螺母，規(guī)格為M90×3，材質(zhì)為35CrMoA，總計12套。整個安裝過程需要一臺25 t汽車吊配合，所有的螺母通過打擊扳手?jǐn)Q緊，在管軸表面涂抹黃油，減少在起吊過程中鋼絲繩扣與管軸之間的摩擦力，見圖12。使用鋼絲繩扣?104 mm×16 m兩根打雙，單根載荷162 t。

圖12 冷高壓分離器吊蓋安裝

5 管板型吊蓋組合優(yōu)勢

組合管板型吊蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計有三點好處。一是節(jié)省材料，在滿足吊裝要求的前提下，在同一個法蘭吊蓋上設(shè)計兩種法蘭尺寸，能夠同時滿足兩臺設(shè)備的吊裝，直接節(jié)省了一個吊蓋的材料成本和人工成本；二是脫鉤方便，通過吊蓋上面的管軸，可實現(xiàn)自動脫鉤，傳統(tǒng)的施工方式是通過卸扣或是銷軸系掛吊蓋和鋼絲繩扣，完成吊裝后需要人工脫鉤，而管板型吊蓋的結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)自動脫鉤；三是實際操作性高，組合管軸吊耳結(jié)構(gòu)是由鋼管和鋼板構(gòu)成，相比用鍛造方式制作出來的吊蓋，其重量更輕，因此便于運(yùn)輸和安裝。

6 結(jié)束語

實際應(yīng)用證明，此種設(shè)計方法具有很高的實用性，在多方面的效果均顯著。根據(jù)現(xiàn)場的實際施工環(huán)境，合理地應(yīng)用此種設(shè)計方法，可以達(dá)到事半功倍的效果，在節(jié)省材料、降低成本、縮短吊蓋的制作周期等方面效果均較為明顯，保證了項目的施工周期和經(jīng)濟(jì)效益。本項目的成功實施可為今后類似項目吊蓋的設(shè)計及應(yīng)用提供借鑒經(jīng)驗。