鍋爐鋼結(jié)構(gòu)大型BH疊梁吊裝裝置的設(shè)計(jì)

中建鋼構(gòu)江蘇有限公司 靖江 214532

1 工程概況

江西新昌電廠是江西省首個(gè)以“上大壓小”方式建設(shè)的電力項(xiàng)目，位于南昌市北郊的新建縣樵舍鎮(zhèn)，毗鄰贛江，緊靠京九鐵路。

一期工程建設(shè)2 臺(tái)1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，總投資約52 億元人民幣。該項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)于完善南昌城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，打造南昌現(xiàn)代制造業(yè)重要基地，具有重要的電源支撐作用。

該電廠共有BH疊梁4 根，單片梁翼板最厚為120 mm，構(gòu)件最長約為43 m，最高為8.6 m，寬約為1.6 m，疊梁最大質(zhì)量約為300 t。

圖1 新昌電廠效果圖

2 BH疊梁吊裝裝置設(shè)計(jì)思路[1-5]

為保證疊合式BH梁安裝質(zhì)量，在工廠制造過程中，要求BH梁進(jìn)行整體試裝。而目前擁有單臺(tái)行車或門吊起吊能力達(dá)1 600 kN的廠家不多，大多數(shù)采用抬吊；且市場上還沒有起吊能力達(dá)800 kN的水平吊鉤，多數(shù)廠家采取焊接臨時(shí)吊耳，對(duì)BH梁母材傷害嚴(yán)重且工作量較大。為保證其安全吊裝必須設(shè)計(jì)一套合理的吊裝裝置。

思路如下：采用3 臺(tái)600 kN以上的門吊利用專用的1 000 kN扁擔(dān)進(jìn)行BH梁（大板梁）的抬吊，設(shè)計(jì)專用的500 kN吊鉤與專用1000 kN拉板進(jìn)行BH梁的安全鎖扣，以避免在工件上多處焊接臨時(shí)吊耳板，省去粗大的鋼絲繩捆綁工作。在扁擔(dān)中部設(shè)計(jì)一套轉(zhuǎn)向吊耳以防扁擔(dān)兩端吊車升降不同步對(duì)吊耳產(chǎn)生較大的扭矩，專用吊鉤與扁擔(dān)采用專拉板連接，拉板與扁擔(dān)側(cè)利用1 000 kN的銷軸連接，與吊鉤端利用500 kN銷軸連接。所用鋼板全部進(jìn)行UT檢測，要求Ⅲ級(jí)合格；所有銷軸均采用45#鋼加工并經(jīng)熱處理；所有吊孔均需鏜孔加工，以避免與銷軸配合工作時(shí)局部接觸應(yīng)力較大，避免孔壁微裂紋（圖2）。

圖2 吊裝裝置及對(duì)應(yīng)用途示意

3 實(shí)施方式[6-8]

3.1 扁擔(dān)設(shè)計(jì)制造

為避免由于扁擔(dān)兩端吊車升降不同步，造成耳板產(chǎn)生較大的側(cè)向彎矩作用。設(shè)計(jì)一根如圖3所示的箱形結(jié)構(gòu)扁擔(dān)，在扁擔(dān)中間設(shè)計(jì)一套轉(zhuǎn)向吊耳，采用Φ120 mm銷軸進(jìn)行連接。因而即使扁擔(dān)兩端存一定高差時(shí)，吊物重力也不會(huì)對(duì)耳板產(chǎn)生彎矩作用。為避免轉(zhuǎn)向耳板在銷軸上發(fā)生橫向移動(dòng)而產(chǎn)生偏心受力狀況，在轉(zhuǎn)向耳板兩側(cè)各加設(shè)1 件套筒。

圖3 扁擔(dān)示意

3.2 扁擔(dān)制造技術(shù)要求

（a）所用鋼板必須經(jīng)過UT檢測合格，材質(zhì)為Q345B。下翼板與腹板均采用整料下料，中間不允許拼接。

（b）箱形梁腹板與翼板組合焊接采用坡口焊，鈍邊10 mm，角度50°。組合前先用砂輪機(jī)將組合區(qū)域打磨，要求露出金屬光澤。

（c）扁擔(dān)兩端的吊耳下料時(shí)預(yù)留5 mm機(jī)加工余量，待加強(qiáng)圈焊后整體鏜孔加工。再插入扁擔(dān)兩端腹板中間。要求吊耳先與扁擔(dān)腹板采用坡口焊，焊后再蓋上翼板。

（d）為保證扁擔(dān)受力均勻、吊耳銷軸受力狀況良好，要求扁擔(dān)校正合格后對(duì)銷軸孔進(jìn)行整體鏜孔加工，以保證兩側(cè)銷孔同心度誤差小于0.5 mm。

（e）扁擔(dān)幾何尺寸偏差要求：兩端扭曲小于3 mm，側(cè)彎小于5 mm，腹板相對(duì)翼板的垂直度小于2 mm，吊耳位置偏差小于2 mm。

（f）轉(zhuǎn)向耳板裝配完后，再將扁擔(dān)下翼緣裝配孔部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.3 吊鉤拉板設(shè)計(jì)制造

為避免由于單吊點(diǎn)板鉤力臂較長對(duì)約束點(diǎn)產(chǎn)生較大的力矩，此次設(shè)計(jì)為雙吊點(diǎn)板鉤，以縮小力臂，減小約束點(diǎn)的力矩，從而提高板鉤的安全性能。為解決雙吊點(diǎn)板鉤采用鋼絲繩不便于翻邊作業(yè)，且鋼絲捆綁麻煩的難題，在雙吊點(diǎn)板鉤之間設(shè)計(jì)一套拉板。拉板與吊鉤采用Φ90 mm的銷軸進(jìn)行連接，而與扁擔(dān)間采用Φ120 mm的銷軸進(jìn)行連接（圖4）。

圖4 吊鉤及拉板示意

4 方案設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)條件

扁擔(dān)按1 000 kN承重，用2 臺(tái)600 kN門吊抬吊。扁擔(dān)、拉板、吊耳均采用Q345B鋼板，銷軸采用45#圓鋼。

4.2 扁擔(dān)設(shè)計(jì)計(jì)算

由于扁擔(dān)在起吊過程中，產(chǎn)生最大的彎矩在中間轉(zhuǎn)向吊耳處，而此處下翼緣挖了一個(gè)220 mm×400 mm的吊孔。故按最不利工況、最危險(xiǎn)截面來進(jìn)行強(qiáng)度分析。截面如圖5所示。

圖5 最危險(xiǎn)截面

4.2.1 截面參數(shù)計(jì)算

各矩形相對(duì)于下翼緣邊的面積矩之和為2 177.5 萬mm3，截面面積之和為49 500 mm2，截面截面中心軸高為440 mm，截面極慣性矩為4 244 012 500 mm4，截面抗彎矩為9 645 483 mm3。

4.2.2 扁擔(dān)內(nèi)力計(jì)算

考慮到豎向載荷取起升動(dòng)載系數(shù)K1=1.1，起升沖擊系數(shù)K2=1.05，運(yùn)行沖擊系K3=1.0，則此扁擔(dān) 1 000×1.1×1.5×1.05=1 210 kN校核。

由工作原理圖可知，扁擔(dān)相當(dāng)于一簡支梁受力，由受力平衡可知，兩端受力605 kN。最大彎矩為1 778 700 N·m。

4.2.3 扁擔(dān)強(qiáng)度校核

（a）最大正應(yīng)力。由彎矩產(chǎn)生的最大正應(yīng)力σ=M÷W=1 778 700 000÷9 645 483=184.4 MPa＜ [σ]

（b）最大剪應(yīng)力。按腹板進(jìn)行抗剪，翼板忽略不計(jì)，則平均剪應(yīng)力= 19.8 MPa，最大剪應(yīng)力按平均剪應(yīng)力的1.5 倍計(jì)算，則最大剪應(yīng)力為29.7 MPa＜ [τ]。

4.3 吊耳設(shè)計(jì)計(jì)算

在扁擔(dān)兩端設(shè)計(jì)吊耳，兩吊耳按100 t起重質(zhì)量與吊具本身質(zhì)量設(shè)計(jì)，考慮動(dòng)荷系數(shù)，則各吊耳板受力為623 kN。其吊耳孔按650 kN門吊卡環(huán)設(shè)計(jì)成Φ125 mm，配Φ120 mm銷軸。

（a）銷軸孔壁承壓應(yīng)力：=127 MPa＜ [σc]。

（b）銷軸孔處危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算：=55.5 MPa＜[σ]。

4.4 拉板設(shè)計(jì)計(jì)算

拉板采用厚40 mm鋼板2 塊組成整體，起重過程中形成簡支梁結(jié)構(gòu)，如圖所示。強(qiáng)度校驗(yàn)時(shí)，只需校驗(yàn)上孔處拉應(yīng)力、剪應(yīng)力及危險(xiǎn)截面的正應(yīng)力。拉板示意圖如圖6所示。

圖6 拉板超重過程示意

（a）上吊孔銷軸孔壁承壓應(yīng)力：σc=123 MPa＜ [σc]。

（b）上吊孔銷軸孔處危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算：σ=68 MPa＜ [σ]。

（c）危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算。如圖7所示，拉板3 點(diǎn)均采用鉸約束，相當(dāng)簡支梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)彎矩線性關(guān)系，可A-A面處正應(yīng)力最大。核算正應(yīng)力時(shí)，可假設(shè)A-A處未倒圓，則截面高度可按364 mm，力臂按209 mm計(jì)算。核算 A-A面處最大正應(yīng)力。

圖7 拉板計(jì)算示意

A-A截面抗彎模量：I=321 523 626.7 mm4，W=17 666 613 mm3。

A-A截面彎矩：M=243 770 100 N·mm。

A-A截面最大正應(yīng)力：σ=138 MPa＜[σ]。

A-A截面剪應(yīng)力為：τ=20.4 MPa＜ [τ]。

4.5 吊鉤設(shè)計(jì)計(jì)算

吊鉤采用厚60 mm鋼板數(shù)控切割而成，要求受力角度均倒圓，以避免應(yīng)力集中。為保證吊車梁根部受力，其工作面向下傾斜5 mm。因?yàn)? 只吊耳同時(shí)起吊1 000 kN的重物，故每只吊鉤在豎直方向所受力為500 kN。

4.5.1 約束點(diǎn)確定

因?yàn)锽H梁的翼緣寬度為1 600 mm，左右兩吊鉤內(nèi)腔寬度為1 620 mm，考慮最不利因工況，即大板翼緣一側(cè)頂緊，另一側(cè)與吊鉤內(nèi)腔壁20 mm間隙。故對(duì)單個(gè)吊鉤受力分析時(shí)，其約束點(diǎn)考慮吊鉤內(nèi)壁20 mm處。

4.5.2 受力分析

根據(jù)圖8所示，吊鉤平衡，則可知T1=T2=500 kN，P1=P2，吊鉤關(guān)于約束點(diǎn)（A）平衡，則P1×330=T1×280，故，P1=P2=424 kN，合力N1=N2=656 kN。

4.5.3 危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)應(yīng)力仿真可知如圖9所示，1-1截面為危險(xiǎn)截面。此截面抗彎模量為：W=936 360 mm3，此截面彎矩為M=156 862 720 N·mm，此截面最大正應(yīng)力為σ1=167.5 MPa，此截面拉應(yīng)力為σ2=35 MPa，拉力與彎矩聯(lián)合作用下的正應(yīng)力為σ=σ1+σ2=202.5 MPa。

圖8 受力分析

圖9 危險(xiǎn)截面

5 結(jié)語

本吊裝裝置設(shè)計(jì)傳力清晰、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠，且在實(shí)踐應(yīng)用中得到了很好的見證，成功解決了大型BH疊梁的翻邊、轉(zhuǎn)運(yùn)、試裝、吊裝等吊運(yùn)工作，切實(shí)提高了相關(guān)工序的作業(yè)效率，為更好、更快地完成大型BH疊梁的制造贏得了時(shí)間，同時(shí)也保證了疊梁的制作質(zhì)量，為以后加工更大更復(fù)雜的大型BH梁打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。