不同形式補強圈對吊裝強度影響

肖 滌 劉利強 呂 濤 莊君麗 王研陶

(1.北京燕化正邦設備檢修有限公司；2.北京化工大學機電工程學院；3.北京石油化工學院機械學院)

隨著石油石化裝備的國際化發展，設備的大型化是我國面臨的重要課題，施工過程中的吊裝是必須要解決的關鍵問題之一。吊裝直接影響著設備的設計與制造，目前我國對中小型設備的吊裝施工流程和操作方法都有嚴格的規范，但大型設備的吊裝施工流程和操作方法極不規范，大多依據工程經驗，而美國及挪威等發達國家都擁有豐富的大型設備吊裝經驗和工程規范[1～3]。筆者針對大型塔設備的吊裝過程，分析了吊裝過程對不同形式的補強圈結構強度的影響，為大型塔設備吊裝提供合理方案。

1 吊裝過程簡介

大型塔設備安裝過程中，在吊車吊裝能力滿足和吊裝環境適宜的條件下，采取整體吊裝方法。整體吊裝高空作業風險小，焊接質量能得到保證，且施工時間大幅度縮短，因此大型塔設備都優先選取整體吊裝方法。在吊裝時，采用主、輔兩臺吊車整體滑移吊裝的方法，主要分為起吊狀態、45°狀態和直立狀態3個步驟(圖1)。主、輔吊點都采用套扎型管軸式吊耳，每側有4股鋼絲繩系掛，上部采用無彎矩支撐梁，避免鋼絲繩在夾角處受力，從而影響設備垂直度(圖2)。吊車站位和行走路線的地基處理是實現大型設備吊裝的關鍵，因此在施工前要對主吊站位和輔吊行走路面做地基處理，以滿足各吊車的地基承載力。

圖1 雙吊車滑移法吊裝示意圖

圖2 主吊車鋼絲繩綁扎示意圖

通過吊裝過程可知，在塔體起吊和塔體直立狀態下對吊耳強度要求較高。在起吊狀態，塔體中部撓度能達到要求的情況下，直立狀態下管軸式吊耳能否滿足強度要求是必須要分析的問題。直立狀態下，頂部吊耳的補強圈形式對吊裝強度影響較大，筆者在完成起吊狀態下的撓度計算后，分析了頂部吊耳的3種形式的補強圈對結構強度的影響。

2 大型萃取精餾塔基本參數及建模

大型萃取精餾塔是北京燕山石化公司的重點安裝工程，其基本參數如下：

塔體材料 Q345R

公稱直徑 4 600mm

筒體壁厚 20mm

塔體總高 76 720mm

塔體總重 260t

在建模過程中需要考慮封頭處的開孔，忽略筒體上的接管孔，同時在距頂部3.2m處和裙座底端分別設置兩個管軸式吊耳。建立大型精餾塔有限元模型，采用六面體單元C3D8I，劃分網格(圖3)。保證節點對應，塔體的中心軸為z軸。將底部吊耳和頂部吊耳的x和y方向固定，整個過程中施加重力[4,5]。

圖3 大型萃取精餾塔有限元模型及網格劃分

3 撓度及筒體應力計算

3.1 水平狀態下

水平狀態下塔體中部的撓度分布如圖4a所示，從圖4a可以看出：塔體中部的撓度最大，且最大值小于60mm。筒體應力分布如圖4b所示，從圖4b可以看出：筒體最大應力出現在塔體中部，且最大值小于50MPa。因此，水平起吊時塔身滿足強度要求。

圖4 撓度及筒體應力分布云圖

3.2 直立狀態下

直立狀態下，對頂部吊耳的補強圈建立有限元模型并進行網格劃分(圖5)。頂部吊耳的補強圈有3種形式：補強圈不開孔(圖5a)；補強圈開6個φ90mm的孔，孔周內側采用角焊縫(圖5b)；補強圈開8個φ25mm的孔，孔周全部塞焊(圖5c)。

圖5 頂部吊耳補強圈有限元模型及網格劃分

直立狀態下的強度計算結果如圖6所示，從圖6可以看出：吊耳的最大應力分別為375.0、335.3、319.6MPa；筒體的最大應力分別為65.9、49.2、44.6 MPa。

圖6 直立狀態下3種補強圈對吊耳和筒體應力的影響

因此，可得出以下結論：無論哪種形式的補強圈，頂部吊耳與鋼絲繩接觸位置的最大應力均超過了材料許用應力(185MPa)，需對其進行加強；與吊耳接觸的筒體的最大應力值遠小于材料的許用應力，補強圈形式對筒體最大應力的影響很小，補強圈形式三優于其他兩種；直立狀態下，最大應力出現在焊縫與筒體相連區域，且最大應力值小于50MPa，遠小于材料許用應力，垂直起吊時塔體安全。

采用形式三的補強圈時，在補強圈中間位置設置8個φ25mm的塞焊孔，并用塞焊釘將其堆滿。直立狀態下焊縫與塞焊釘的應力分布如圖7所示，從圖7可以看出：塞焊釘最大應力出現在楔釘與筒體相連區域，且最大應力小于材料的許用應力，滿足強度要求。但在計算時，筆者并未考慮焊接質量對應力分析的影響，因此需在施工過程中保證楔釘的焊接質量。

圖7 直立狀態下焊縫和塞焊釘應力分布

4 結束語

通過在補強圈中間位置設置8個φ25mm的塞焊孔，并用塞焊釘將其堆滿，改善補強圈與筒體的接觸，滿足吊裝強度要求，為大型塔設備吊裝提供了合理方案。但開孔過大會導致焊接質量難以保證，并破壞了補強圈的整體性，從而導致吊裝強度下降。

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