千噸級分離塔吊裝的有限元分析與試驗研究

王 欣,馬 寅,施文昊,孫曉天,焦 博

(1.大連理工大學機械工程學院,遼寧 大連 116023; 2.中石化第十建設有限公司,山東淄博255438; 3.大連益利亞工程機械有限公司,遼寧 大連,116025)

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千噸級分離塔吊裝的有限元分析與試驗研究

王 欣1,馬 寅2,施文昊1,孫曉天3,焦 博3

(1.大連理工大學機械工程學院,遼寧 大連 116023; 2.中石化第十建設有限公司,山東淄博255438; 3.大連益利亞工程機械有限公司,遼寧 大連,116025)

針對大型吊裝工程,引入結構應力測試技術,實現實時監測結構應力變化狀態,為實際吊裝過程提供有力而及時的數據支持.以4000噸履帶起重機首次吊裝工程為例,對被吊設備的裙座結構進行了加強設計,并通過了有限元分析.在實際吊裝過程中,引入應力測試技術,進行了加強部位的應力測試,并與有限元結果對比,相互印證了有限元與測試結果的合理性與可信性,同時對結果進行了討論,為進一步改善結構與機構提供了數據支持.應力測試技術的引入,將實時獲知結構應力的變化狀態,為現場指揮者提供了數據支持,便于正確判斷指揮.

吊裝; 有限元; 應力測試

WANG Xin1,MA Yin2,SHI Wen-hao1,SUN Xiao-tian3,JIAO Bo3

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China;2.Sinopec Tenth Construction Co.,Ltd.,Zibo 255438,China;3.Dalian YILIYA Construction Machinery Co.Ltd.,Dalian 116025,China)

隨著是石油化工、煤化工、核電等行業建設工程的不斷擴大與升級,千噸級吊裝已逐漸普及[1].僅從千噸級被吊設備及吊裝用千噸級起重機高達億元的成本角度,對吊裝技術及安全性的要求明顯是越來越高,這就要求吊裝方案的精細化計算及吊裝過程的精細化控制.目前國內在吊裝方案方面采取了多種方式方法來不斷挖掘可能存在的吊裝隱患,并提供先進的設計手段,如吊裝仿真、吊裝方案精細化計算等.但在吊裝實施過程中,仍需要指揮人員及起重人員憑借經驗進行人為判斷.如果通過相應監測手段能提供更多實時的準確監控數據,這無疑將更有效地提高人員的判斷準確率.

應力測試技術相對成熟,在工程機械等領域得到了廣泛應用,主要用于對結構靜動特性的研究.文獻[2-4]采用動態測試和瞬態分析方法研究液壓挖掘機工作裝置在常態挖掘過程中的動應力特性;文獻[5]對頂驅回轉頭吊耳進行了應力測試及有限元計算分析;文獻[6]對井架模型起升過程進行了應力測試分析;文獻[7]對2萬噸橋式起重機及雙梁多吊點的吊裝方式進行了實際應力測試;文獻[8]對1300 t起重船起吊系統中的吊臂、千斤柱進行了應力測試與有限元分析;文獻[9]對大型非錨固原油儲罐進行了應力測試與有限元分析.

上述文獻更多是從設計研究角度采用應力測試對結構進行動特性分析,還很少有應用于吊裝領域里的實時吊裝過程.為此本文將應力測試引入到吊裝過程中,實時監測關鍵部位的應力水平,為指揮人員提供更為量化而準確的數據.一方面是理論計算與實踐的相互驗證與補充,更重要的是通過實時監測過程數據,預見可能的危險性,從而提高吊裝的安全性.由此實現計算分析與測試的有機結合,從而實現從設計到實施全過程的吊裝安全性.

本文以4000 t履帶起重機的首次吊裝工程為例,該吊裝是國際最大噸位履帶起重機的吊裝,所選用的溜尾機也是全新結構.由于噸位大、產品新,因此給吊裝帶來了很大挑戰.為確保吊裝的安全性與實時性,根據吊裝條件,對被吊設備的裙座結構進行了加強設計,并通過了有限元分析.然后在吊裝實施過程中對被吊設備的重要部位安裝了應力測試裝置,實時監測應力狀態,以便準確判斷實施過程中的每一步工作.

1 吊裝工程描述

本次吊裝的是萬華煙臺工業園項目工程中重量最重、高度最高的一臺設備——丙烯丙烷分離塔.設備直徑達10.4 m,長114.7 m,總重達1 283 t,是目前世界上最大的丙烷脫氫裝置核心塔器.此設備整體預制好后呈水平狀態運輸到現場,通過主副溜尾起重機協同作業,將其在空中翻轉至直立工作狀態,然后由主起重機獨立吊裝至目標位置.考慮吊具及附件等,吊裝總重為1 680 t,起升高度為118 m,因此選用徐工集團的XGC88000型4 000 t履帶起重機作為主起重機,主、副臂組合工況108+33 m,負荷率達94%.溜尾機也是全新產品,僅借用了履帶起重機的下車,增加必要的溜尾平臺和油缸等器具,組成新型自行式溜尾機,協助分離塔在空中翻轉.圖1是作業過程.

此次吊裝有三處創新:一是分離塔為目前全球噸位最重、高度最高的設備;二是主起重為世界上最大噸位的4 000 t履帶起重機;三是溜尾機為全新型自行式產品,這給吊裝帶來很大挑戰.此外,溜尾機的高度明顯降低,增加了作業的安全性,與此同時,也使得溜尾吊點與以往的設計有所不同,從常規的上至方式改為下至方式.分離塔末端的裙座結構加強也需要細致計算,因此本文將從裙座結構入手,提出其加強方案,應用有限元加以計算分析,然后在實施過程中采取應力測試監測結構的應力狀態,輔助吊裝指揮完成作業.

圖1 吊裝過程

2 分離塔裙座結構的加強設計與分析

通常的反應器在正常工作時豎立于地面,作為支撐結構的裙座通過螺栓與地基支座連接,主要承受反應器自重的軸向載荷,結構內部構造簡單,僅是筒狀結構.在吊裝安裝時,需要將水平放置的反應器通過主、副溜尾起重機協同翻轉成直立的工作狀態.在翻轉過程中,置于裙座結構上的溜尾吊點將承受較大的徑向載荷,這與反應器工作狀態時的縱向載荷相比,載荷方向指向其薄弱的徑向方向,會產生很大變形,易導致破壞,因此必須對裙座結構進行加強.

圖2 裙座的加強形式

目前裙座的加強方式有多種[10],如圖2所示.加強的最主要目的是減小變形,分散集中載荷.由于溜尾吊點設置在裙座中心軸線下方,為了更好地傳遞載荷,選取了十字梁、雙梁和兩個三角型梁的加強形式進行對比分析.通過對分離塔水平狀態的有限元計算,如圖3所示,可以看到,十字型和雙梁結構相對薄弱,筒體局部變形較大,易產生應力集中.三角梁形式本身結構穩定,而且與筒體支點數量多,可將筒體劃分多個區格,使得局部剛性較強,阻止變形能力強.但下三角形形式不夠均布,應力較大,因此最終選擇接近正三角形的結構形式,作為裙座的加強形式.

圖3 裙座加強結構有限元分析

2.1 有限元建模

三角形梁由3根H型鋼組成,兩兩型鋼與筒體匯合處采用加強筋板連接,減少應力集中.在筒體下方兩H型梁與筒體交匯處適當拉開距離,設置兩個溜尾吊點.為便于計算,在建立整體分離塔有限元模型時,分離塔筒體采用板殼單元,三角形加強梁的H型鋼采用梁單元,吊耳采用實體單元.由于裙座加強部位是分析重點,而且單元種類多,因此對此處進行了網格細分,筒體其他部位應力梯度相對不大,網格進行了相對粗分.整體模型如圖4所示,單元數為97462,節點數為104331.

圖4 分離塔有限元模型

分離塔在吊裝過程中主要承受自重及主吊點和溜尾吊點載荷,在翻轉過程中,裙座相應部位會與溜尾機平臺接觸,并起到一定支撐作用.此接觸處的位置將隨著翻轉角度的變化而變化,當達到直立狀態時,溜尾吊點和接觸處脫離分離塔,則僅主吊點連接主起重機和分離塔.圖5是分離塔在水平狀態、翻轉狀態和直立狀態下的受力分析圖.

圖5 受力分析圖

分離塔狀態約束條件水平狀態1點與2點全位移約束翻轉狀態1點3點全位移約束直立狀態1點全位移約束

通過受力狀態進行有限元模型的約束與載荷施加,3種狀態的約束條件見表1.在翻轉狀態,溜尾吊點力作為載荷施加在相應吊點孔處,需要通過力矩平衡原理計算獲得,見式(1).分離塔的自重及重心位置依據實際數據按密度和質量點方式施加,并保證有限元模型與實際結構的一致性.

(1)

式中：FY，FZ分別為y和z向的載荷；M為力矩；F1,F2,F3分別為主起重機吊點力、溜尾吊點力和溜尾機平臺支撐力.

2.2 計算結果分析

根據上述約束與載荷的施加情況,我們對分離塔在水平、翻轉及直立幾個狀態下進行了分析,選取分離塔在6°,15°,30°,45°,50°,60°狀態的應力云圖,如圖6所示.從各個狀態的應力云圖中可以看到,分離塔的應力很小(75 MPa以內),應力較大的部位集中在裙座的三角形梁上,但普遍在160 MPa以下,滿足材料使用要求(Q345B材料,許用應力為257 MPa).由此看出,三角型梁結構的加強措施是合理可行的.

3 應力測試試驗方案與實施

為進一步驗證計算結果的合理性,也為了保證實際作業過程的安全與可靠性,本文提出在實施吊裝過程中對結構應力進行測試.

圖6 有限元應力云圖

應力測試采用常用而成熟的電阻應力應變測試法[11],應用應變儀完成測試工作,測量原理如圖7所示,測試工具見表2.

圖7 測試原理

儀器元件名稱型號用途靜態應變采集儀DH3816靜態數據采集應變片BX120-3BA測試結構應變數據導線3芯、低阻導線傳輸測試數據筆記本電腦-控制、儲存數據

應力測點選擇.從有限元計算結果中看到,分離塔的應力很小,應力主要集中在裙座的三角形梁上,因此選取了三角形梁的上下翼緣板各4個測點,位置在接近梁的中段(圖8a所示).由于梁翼緣板主要承受單向應力,因此在沿應力主方向粘貼應變片.吊耳的受力及應力也是值得關注的,因為涉及到兩吊耳載荷的均衡問題,為此在吊耳處選擇8個測點,分別設置在吊耳孔的正上方和側方以及前后耳板位置,如圖8b所示,并沿著主應力方向粘貼應變片.這樣,共選擇12個測點,分別位于三角形梁和吊耳處.

圖8 測點選擇

圖9 應變片與測試工具

實際貼的應變片及測試儀器如圖9所示,測試儀置于溜尾機尾部,與溜尾機一同行走.測試儀在測試過程中,每間隔一定時間進行應力測試并記錄,最終形成應力歷程曲線.為了解應力與分離塔狀態的對應關系,我們在與裙座接觸的溜尾平臺上安裝了角度記錄儀,用來記錄應力所對應的角度狀態.圖10是吊裝與測試過程.

4 應力測試與有限元結果的對比與討論

根據實際吊裝試驗,我們對測試結果進行了整理,選取了6°,15°,30°,45°,50°和60°狀態下的測試應力,并與有限元結果進行了對比.

(1) H型梁測點應力對比分析.表3是H型梁測點的應力對比,圖11是測點誤差.從表和圖中可以看出,H型梁的測點應力隨分離塔角度的變大而減小,這是符合應力變化趨勢的,因為溜尾力隨著分離塔角度的增加而逐漸減小.此外,H型梁上測點處的應力誤差普遍在±10%以內,表明有限元計算結果與測試結果還是比較接近的,有限元計算的應力結果具有較好的可信度.

(2) 溜尾吊耳測點的應力值對比分析與討論.表4是溜尾吊耳測點的應力對比,可以看出,吊點前后耳板的測點應力有明顯變化,表明吊耳前后單板承受的載荷不均,如測點7與8,測點9與10,測點11與12,測點13與14.左右吊點的對稱測點應力也有不同,如測點7與13,測點8與14,測點9與11,測點10與12,表明左右吊點載荷不均.而有限元是按照載荷均布來計算的,因此其結果與實測應力誤差較大,但可以看出兩者應力趨勢是相同的,都是隨分離塔角度的增加而減小.

測點6°工況30°工況60°工況測試值計算值測試值計算值測試值計算值1-184.7-165.0-174.1-162.1-105.6-116.92-162.9-164.9-149.1-162.0-92.7-116.73-200.9-161.9-187.8-164.2-108.5-99.74-188.9-162.2-184.3-163.9-112.3-99.95-437.7-410.4-365.8-391.9-260.4-248.8

圖11 測點誤差

表4 溜尾吊耳上各測點的應力值對比分析表 單位(MPa)

分析其原因,主要有兩點:一是分離塔重心在x軸上存在出入,圖紙與實際完成的產品重心之間存在一定的差異,而有限元分析是按圖紙數據來建模計算的.由于分離塔中要安裝很多附件,在各附件重量重心估計上難免存在誤差,這將導致左右吊點載荷有差異;另一點是溜尾吊點在方案設計時是要求其載荷始終處于裙座的徑向平面內,但實際情況是,吊點與油缸之間是通過鋼絲繩連接的,因此會不可避免存在一定的角度誤差,致使吊點前后耳板載荷存在差異.圖12是溜尾吊點與溜尾機的鋼絲繩連接圖.

由此我們可以看出,應力測試可以很好地檢驗設計方案,并能及時準確地提供結構應力,為指揮者提供更好的現場數據支持.同時也可根據測試數據,進一步改進結構與機構形式,使得載荷更為均布.

5 結論

通過對比分析裙座的加強結構,本文選用三角型梁結構,并進行有限元分析.在實際吊裝過程中,引入結構應力測試,與有限元結果對比,相互印證兩者的計算結果的合理性.與此同時,應力測試是對設計方案的檢驗,也是對設計方案的有力補充,可以提供更真實準確的應力結果,給予指揮者及時的數據支持,從而實現準確的判斷與指揮,順利完成吊裝任務.因此,應力測試的引入,對吊裝過程的安全實施提供了良好的數據支持與安全保證.通過試驗數據,可以進一步有的放矢地對結構與機構進行改善.

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Finite element analysis and testing on kiloton knockout tower lifting

For heavy lifting constructions,the structural stress testing is proposed for real-time structural stress variation monitoring and timely data supporting.By using the first lifting by a 4000-ton crawler crane as an example,the skirt structure is designed and reinforced via finite element analysis (FEA).During practical lifting process,the stress testing is applied for the enforced position.With comparison of the results from FEA and testing,the further structural and mechanism improvements are realized via data supporting.The real-time stress variation can assist on-site directors in correct judgment and instruction.

lifting; finite element; stress testing

TG 405

A

1672-5581(2016)01-0077-06