塔器吊裝安全性校核及加固措施

■張來民 陜西化建工程有限責任公司陜西西安712100

塔器吊裝安全性校核及加固措施

■張來民 陜西化建工程有限責任公司陜西西安712100

塔器在化工、石油化工裝置中是生產裝置的重要工藝設備，對建設項目有重要的意義。文章就設備整體強度及受壓處局部穩定性、吊點處穩定性、府座處的校核進行了分析和探討。

塔器吊裝安全性加固措施

1 前言

在化工、石油化工裝置中，塔器等靜止設備占相當大的比例，它們是生產裝置的重要工藝設備。因此保證吊裝過程中這些設備的安全，對建設項目的按期竣工、順利投產具有十分重要的意義。

吊裝過程中，設備要承受其自重、吊裝工具施加于其上的力，且由此在設備的一些部位（如吊點處、支座等）會產生很大的應力，其可能會使設備產生變形、失穩等不同形式的破壞，而影響工程進展、造成損失。為了確保設備在安裝過程的安全，國外設備（特別是大型設備）設計時就對此應力進行核算，并設計了吊裝所需的吊點位置及相應的吊耳、支座鉸鏈等。國家標準《鋼制壓力容器》（GB150）中雖然在“總論”中提及設計時需考慮容器在運輸或吊裝時承受的作用力，但在《鋼制塔式容器》——JB/T4710中沒有具體的計算模型及計算規定——“塔式容器需設置吊耳時，吊耳的結構、位置、及數量應按吊裝方式及塔式容器的質量確定且應考慮殼體的局部應力”。受設計、制造合同內容的影響及設計、制造與安裝銜接制約，國內塔器實際設計時主要考慮設備在生產運行狀態下的各種受力及應力校核，很少設計吊耳并計算。所以，在吊裝作業前，除設計安全的工機具外，為了確保設備自身的安全和吊裝作業的安全，核算吊裝過程中塔器的應力是非常必要的。

另一方面，吊裝規范及相關的工具書，雖然對此問題也有要求、提及，但缺少系統、全面、具體具有指導意義的描述。以往，這項工作是憑經驗，很不準確也不安全，常有設備變形或失穩等形式的破壞現象發生，或者要經過大量繁雜的計算。為了便于同仁的工作，筆者就此問題談點個人見解。

因臥置設備安裝時，人們很容易按照設備工作狀態的受力方式去吊裝它，所以一般他們不必驗算。而直立塔、器則一般由臥置初始狀態安裝到直立狀態。所以，直立設備在吊裝開始時的整體強度、壓應力處的局部穩定性，吊點處的穩定性及底座的校核則是安裝工作中經常碰到的問題。當然，為了確保設備的安全，不僅如此，還有確保內襯不破壞等問題，因此，下面我們就設備整體強度及受壓處局部穩定性、吊點處穩定性、底座處的校核三個問題進行分析、探討。

2 設備整體的強度和穩定性

2.1 強度和穩定性的校核

2.1.1 應力分析

顯見，直立設備在安裝過程其整體最大拉應力和最大壓應力發生在設備起始吊裝的臥置狀態，見圖1。這時，其應力按式（1）計算：

式中，Mmax—設備所受的最大彎矩，N-mm

W—設備橫截面的抗彎截面模量，mm3（此式中為等截面的W）

2.1.2 應力校核

①整體強度校核（拉應力），按式（2）校核

②穩定性校核（壓應力）：

a、《鋼制壓力容器》（GB150）規定：

許用軸向壓應力（無加強圈）：

取兩者中的較小值。

B值按下列步驟求?。?/p>

先求系數A：

式中，R＝圓筒內半徑，mm

δ＝圓筒的有效厚度，mm

然后據材料查外壓圓筒和球殼厚度計算圖。若A值落在設計溫度下（安裝時為常溫）材料線的右方，則按圖查取B值；若系數A落在設計溫度下材料線的左方，則按下式計算B值：

式中，E—設計溫度下材料的彈性模量，MPa。碳鋼在常溫下的E＝2×105MPa

有加強圈時，經過復雜的計算后，仍按上述步驟求取B。

b、而參考資料1則按下列公式求取許用壓應力（單位換算后的公式）：

式中，δ、R意義單位同上；

δy=

（在圓周方面的殼體當量厚度），mm；

δx=（在縱向的殼體當量厚度），mm；

此處Ay—一個周向加強圈的橫截面積，mm2；

dy—周向加強圈的間距，mm；

Ax—一個縱向加強圈的橫截面積，mm2；

dx—縱向加強圈的間距，mm；

若無加強件時，δx、δy＝δ。

c、比較上述兩種許用壓應力的獲取過程及結果，可得結論：

前者誤差大，后者比前者簡便，且能滿足工程實際安全的需要，但偏于安全。如一Q235材料的設備，厚度與內徑之比為0.01時（工程最常出現的情況）：

按前者，據圖2及上述方法的得：[σ]cr=107Mpa

[σ]cr=78.33MPa

因此設備壓應力的校核應采用既合理又便于實際計算的公式（3）中進行：

式（3）中σomax—設備所需的最大壓力應力，Mpa；其余同前。

2.2 應力校核不安全時的措施

當應力校核不安全時，可采用以下措施后再進行校核，直到安全為止。

由以上應力計算及應力校核公式（1）、(2)、(3)。容易看出，可以通過某些方法來減小Mmax或增加最大彎矩截面處的抗彎模量，進而降低最大應力，還可對設備進行加固而提高設備的許用應力，進而保證設備吊裝時的安全。

2.2.1 選擇合適的吊點位置

(1)對于等截面勻質設備，使用單吊點時，吊點的合理位置：

如前述，設備最大應力發生在吊裝起始的臥置狀態，這時設備相當于一端懸臂的簡支梁，其分析模型見圖3（a）。根據材料力學的知識我們很容易地畫出設備的彎矩圖見圖3（b）。

為了便于選擇合理的吊點，下面分析一下設備的彎矩圖，首先，建立圖3（a）所示坐標系，得如下彎矩方程：

為了使Mmax最小，│M1│max=M2max

簡化、解方程│M1│max=M2max得：L=2.62a就是吊點位置于距設備頂部的距離為設備總長的0.276倍，設備的最大彎矩最小或最大應力最小，有利于設備的安全。

選擇合適的吊點位置，是最大應力發生在有加固件的截面，從而降低設備的最大應力。

(2)多吊點吊裝：

據材料力學的知識，容易知道，增加簡支梁的支點時可大大降低底梁的最大彎矩。使用該措施時，注意各吊點要保證同時受力，否則一些吊點則不起作用而發生事故。

(3)對最大應力（彎矩）處進行加固：

當使用上述兩種方法均難以湊效或其難以實現，而加固容易進行時，可采用此方法。此方法的的通常做法是，在設備內做加固圈（支撐圈）或在設備外部加固一構件。

3 吊裝點處的核算及加固

在目前的安裝施工中，最常用的吊點形式有管軸式吊耳和綁扎式兩種型式，下面分別來進行分析。

3.1 管軸式吊耳

3.1.1 吊點對設備的應力及校核

吊點作用在設備上的局部應力需用線載荷來表示，而線載荷的大小由載荷和載荷線來確定。吊耳與設備直接連接的有效焊縫均作為載荷線考慮。當兩平行焊縫相距不超20mm，應看作一條載荷線。

(1)線載荷的計算：

塔、器設備吊裝時，吊點通過吊耳作用于設備壁上的力及力矩在器壁上產生線載荷。在計算線載荷前，需要計算出載荷線及其有關的力學參數。

一般管軸式吊耳結構見圖四（a），其載荷線見圖4（b）有L1、L2、L3、L4四條。

a、求載荷線束對吊耳中心水平軸線的慣性矩：

式中，J1、J2、J3、J4為載荷線L1、L2、L3、L4對水平軸線的慣性矩。

r1—吊耳加固板的外徑，mm，一般r1=1.5r2；

r2—吊耳外徑，mm；

r3—吊耳內徑，mm。

b、求載荷線的長度：

L=2π(r1+r2)+2r3mm

式中除L外，其余符號含義同前。

c、求線載荷值：

先據吊裝重量等條件求出圖四（a）所示的PB、PA、ML,然后求下列線載荷：

(2)吊點處的應力核算：

按下式計算：

式中，σat—器壁生根部位應力，Mpa；

f—線載荷值，N/mm；

其余同前。

3.1.2 應力校核不安全時的措施：

當吊耳對設備施加的壓應力大于材料的許用應力時，根據公式（4）可采取以下措施來降低局部應力。

①增大吊耳數量以降低吊耳的載荷，從而降低局部應力。②增大吊耳尺寸，以增加載荷線的長度和慣性矩，或采用卡箍式吊點（此法特別適合于需加墊或不銹鋼設備）降低應力。

③在吊耳處加固設備或將吊耳置于有加固件的部位，以增加設備的當量厚度而降低應力。

3.2 綁扎式吊點：

在設備綁繩處，除了承受軸向壓應力及彎曲應力外，設備還承受綁繩作用在其周圍的徑向壓力，此壓力使塔體綁繩處一圈產生很大的周向應力。在此徑向壓力超過臨界壓力時，殼體即會喪失穩定而破壞。因此，必須核算殼體的穩定性，必要時還應采取措施加固殼體。

3.2.1 殼體的穩定性校核

將用支撐加強的設備部分，看作截面積不變的其兩端用鉸鏈連接的拱見圖5，此時殼體的單位長度上臨界壓力按下式計算：

K—系數，當無支撐時，K=3；有支撐時，按表1選取。

計算時，應計算加強截面及殼體截面二者復合截面的慣性矩。其殼體截面的寬度b應等于綁繩的壓擠面寬加上8δ（殼體

式中，R、E同前；

J—塔壁上圈截面的慣性矩（mm4），厚度）。一般吊裝時，綁繩處都應加墊有木塊，此時，b可考慮按木塊的長度計算。

表1 系數K的取值表

由于綁繩的拉力P（即為起吊滑車組所受的拉力）作用在單位長度塔壁弧線上的有效載荷可近式按下式計算：

3.2.2 保證殼體穩定性的措施

由公式（5）可以很容易地看出，通過下述措施增加K值和塔壁的慣性矩以提高臨界拉力，可以保證綁扎處的安全。

（1）塔內加支撐或加固圈，增加K值或提高J；

（2）塔外加墊板或加加固圈；

（3）將綁扎吊點置于有加固件（如塔盤等）的地方。

4 設備支座（尾部）的應力核算及加固

4.1 應力核算

設備開始吊裝離開水平位置后，設備底座和排子上鞍座從理論上講為兩點接觸，這時底座環的彎矩見圖6：

MB1=MB2=Mmax=-0.086RBr（N·mm）

式中，r—近似取裙座筒體中心半徑，mm；

RB—設備底座處的支反力，N;

強度條件為：

式中，W—底座處的抗彎截面積模量，mm3；其余符號意義、單位同前?？箯澞Ａ縒按圖7計算。

4.2 加固措施

由以上強度條件可知，當底座環強度不能滿足時，可在裙座筒體設加固圈或在最大彎矩處（鞍座頂端與底座環板的接觸點）設立支撐。然而，往往底座環板與鞍座接觸點的擠壓強度不能滿足，這時可以通過加在底座環處的加固梁設置底座鉸鏈來解決。

5 結束語

綜上所述，可以得出以下結論：

5.1 在設備安裝過程中，校核因吊裝而產生的設備應力是非常必要的工作，也是設備吊裝方案設計的重要內容。

5.2 通過公式（2）、（3）、（4）、（5）、（6）分別對設備整體、吊點處、底座處的應力校核和采取以下措施可以保證吊裝過程設備的安全。

(1)選擇、設計合適的吊點位置、吊點數量和吊點形式、結構、尺寸。

(2)在設備的最大應力處設置加固圈或支撐，或通過改變吊點的位置而使最大應力發生在有加固件（塔盤、抗風圈）處。

(3)設置底座回轉鉸鏈，從而改變設備底座在吊裝過程中的受力以保證吊裝過程的安全。

以上是對保證設備吊裝過程安全探討。由于資料、知識水平有限，不妥之處在所難免，望各位同仁、專家批評、指正。

參考資料

1《化工容器設計》.[美]L.E勃朗奈爾、E.H楊著.璩定一、謝瑞授譯.上海科學出版社.

2《靜置設備吊點對器壁局部應力的核算》.胡家新.

3《石油化工吊裝工作手冊》石化部第三石化建設公司編.石油化學工業出版社.

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