變徑塔吊裝過程應(yīng)力校核與軸耳最佳位置確定

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(中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司， 湖北 武漢 430223)

化工行業(yè)中，塔設(shè)備的耗材和投資費(fèi)用在整套裝置中占比相當(dāng)大，是極其重要的單元操作設(shè)備之一[1]。設(shè)計(jì)常規(guī)塔器時(shí)，對(duì)于吊裝應(yīng)力，主要考察軸耳本體強(qiáng)度和設(shè)備吊點(diǎn)處殼體的局部應(yīng)力[2-3]。設(shè)計(jì)高徑比較大(通常H/D≥10，H為塔高，D為塔的公稱直徑)的塔器時(shí)，不僅要從常規(guī)的強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸?shù)确矫婵紤]，還要考慮塔器整體吊裝過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的受力情況。對(duì)于高徑比較大的塔器，其殼體壁厚往往較薄，控制吊裝時(shí)殼體的軸向壓縮應(yīng)力是吊裝施工的關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)必須引起足夠的重視[4]。

在大型塔器中存在很多變徑塔，其上部直徑通常小于下部直徑。從工藝角度而言，設(shè)計(jì)依據(jù)主要是提餾段和精餾段的氣、液相負(fù)荷和流量不同[5]；從設(shè)備角度考慮，塔徑變小，壁厚減薄，可以節(jié)省投資；從土建角度考慮，下大上小的結(jié)構(gòu)有利于抵抗風(fēng)載荷和地震載荷。文中對(duì)在塔器設(shè)計(jì)階段將初始工藝專業(yè)提出的等徑塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化為變徑塔的過程進(jìn)行了介紹，并對(duì)塔器吊裝過程作了應(yīng)力分析，找到了設(shè)置軸耳的最佳位置。

1 塔器吊裝[6-7]

目前，在化工建設(shè)施工過程中，吊裝塔器最常用的方法是利用1臺(tái)吊機(jī)主吊，另一臺(tái)輔助吊機(jī)則在塔底溜尾。

塔器的吊裝過程分為3個(gè)階段：①剛剛起吊時(shí)，塔體水平，軸耳與尾吊之間受軸向壓縮應(yīng)力和軸向拉伸應(yīng)力(圖1a)。②塔底脫離地面時(shí)，塔體傾斜，軸耳和尾吊均受力，塔體的重量由軸耳和尾吊共同承擔(dān)(圖1b)。③空中搬運(yùn)時(shí)塔體和地面呈垂直狀態(tài)，軸耳受力，尾吊不受力，塔體的重量由軸耳完全承擔(dān)[8](圖1c)。

圖1 塔器起吊3個(gè)階段

殼體許用軸向壓縮應(yīng)力需同時(shí)考慮外壓應(yīng)力系數(shù)B和殼體材料的許用應(yīng)力，其數(shù)值往往比軸向拉伸應(yīng)力小得多，故文中略去對(duì)軸向拉伸應(yīng)力的分析。殼體軸向壓縮應(yīng)力最大值發(fā)生在剛剛起吊時(shí)，以某實(shí)際工程的常壓塔設(shè)計(jì)為例，分析這一階段塔的受力情況。

2 塔器設(shè)計(jì)參數(shù)

工藝專業(yè)提出等徑空塔的設(shè)計(jì)條件如下：塔高H=50 m，內(nèi)徑Di=800 mm，風(fēng)載300 Pa，地震設(shè)防烈度7度(0.1g)，場(chǎng)地土Ⅱ類，地面粗糙度B類。設(shè)計(jì)溫度120 ℃，設(shè)計(jì)壓力微負(fù)壓，介質(zhì)為煙道氣，推薦材質(zhì)為碳鋼。不考慮保溫層和塔內(nèi)件。由于不存在露點(diǎn)腐蝕，主體材質(zhì)可取為Q235B，其許用應(yīng)力[σ]t=111 MPa，彈性模量Et=190×103MPa。

設(shè)備專業(yè)發(fā)現(xiàn)，初始條件塔徑過小，不便于設(shè)置地腳螺栓，同時(shí)高徑比為62.5。此值過大，導(dǎo)致橫向風(fēng)載荷和地震載荷過大。依據(jù)GB 50051—2013《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]和GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》[10]中的相關(guān)要求，塔的高徑比不宜超過30，塔器分段不宜超過5段。筆者根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將等徑塔改為分4個(gè)直徑段的變徑塔，同時(shí)取高徑比H/D=25。

塔器壁厚主要由風(fēng)載荷和地震載荷控制。風(fēng)載荷和地震載荷引起的彎矩隨高度變化，按等強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性考慮，應(yīng)將塔殼體直徑調(diào)整為從上而下逐段遞增，控制每段高徑比H/D≤25。GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》中規(guī)定，B類地面粗糙度的風(fēng)壓高度變化系數(shù)取值大致按距地面高度每增高10 m而增大[11]，由此可考慮將塔體分段，將等徑塔改為變徑塔，每10 m一段。

與工藝專業(yè)協(xié)商后確定的變徑塔各段結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 變徑塔結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 變徑塔殼體軸向壓縮應(yīng)力分析[12-15]

將變徑段等效為直徑和大端相等的圓筒，將封頭、人孔、法蘭、裙座及梯子平臺(tái)等部件質(zhì)量計(jì)入，進(jìn)行受力模型簡(jiǎn)化，得到的塔器外形簡(jiǎn)圖及受力分析簡(jiǎn)圖見圖2。圖2中，mi表示第i段的塔體質(zhì)量，kg；qi表示分布到第i段塔體的均布載荷，N/mm；Li表示第i段的塔體長(zhǎng)度(其中L5表示軸耳與塔頂?shù)木嚯x)，Di表示第i段塔體的內(nèi)徑，δi表示第i段塔體的壁厚，mm；F1表示軸耳處的支反力，F(xiàn)2表示塔底處的支反力，N。

圖2 剛剛起吊時(shí)變徑塔吊裝受力模型

按照GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[4]進(jìn)行塔體的強(qiáng)度計(jì)算，可以取變徑塔壁厚為10 mm，其各段質(zhì)量為m1=5 600 kg、m2=4 000 kg、m3=3 000 kg、m4=4 200 kg。

將各段載荷視為均布載荷，則有：

對(duì)軸耳處取矩，有∑M1=0，即：

對(duì)尾吊處取矩，有∑M2=0，即：

由此可得支反力F1、F2的大小。

顯然，最大撓度點(diǎn)在塔頂或軸耳與尾吊之間，由于塔頂不受約束，故僅需討論軸耳與尾吊之間的受力情況。

令任一點(diǎn)與塔底距離為x，則x=H-L5，其彎矩為M(x)，分析易知：

當(dāng)L1+L2≤x

前述各式中，Mi(x)表示第i段塔體距塔底x處彎矩，N·mm。

從而有：

當(dāng)L1+L2≤x

前述各式中，Mi′(x)表示第i段塔體距塔底x處彎矩的求導(dǎo)值，N。

3.管理體制相對(duì)滯后，經(jīng)營(yíng)管理水平不高。冰雪產(chǎn)業(yè)涉及旅游發(fā)展委員會(huì)、體育局、文化廳等多個(gè)管理部門，部門之間的協(xié)調(diào)缺少統(tǒng)籌規(guī)劃，同時(shí)存在管理重疊和管理缺位的問題，并且難以起到有效的監(jiān)督管理作用。各部門各產(chǎn)業(yè)之間也存在為了追求自身利益各自為政的現(xiàn)象，造成部門之間合作困難。在開發(fā)管理方面，一些項(xiàng)目盲目上馬，企業(yè)管理理念和模式落后，存在追求眼前利益、忽略生態(tài)環(huán)境的問題。在營(yíng)銷方面，主要依靠政府的宣傳以及與旅行社合作，沒能充分利用網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)進(jìn)行營(yíng)銷和宣傳。在信息化建設(shè)方面，在線服務(wù)市場(chǎng)初具規(guī)模，全覆蓋式宣傳營(yíng)銷格局已經(jīng)基本形成，但仍難以有效監(jiān)測(cè)各種突發(fā)事件和處理安全事故。

令M′(x)=0，可得極值點(diǎn)。

第1段：在0

第2段：在L1≤x

第3段：在L1+L2≤x

第4段：在L1+L2+L3

前述各式中，xi′表示位于第i段塔體內(nèi)的彎矩極值點(diǎn)，mm。

分析易知，最大彎矩點(diǎn)通常落在第3段或第4段。忽略不在當(dāng)前區(qū)間的x′，將x′帶入M(x)，即得最大彎矩Mmax。

吊裝時(shí)，殼體最大軸向壓縮應(yīng)力σmax為：

式中，Wi為第i段塔體的抗彎截面系數(shù)，mm3。

將塔器各段尺寸和質(zhì)量值帶入，得最大軸向壓縮應(yīng)力為24.77 MPa。依據(jù)GB 150.1—2011中第4.4.5條，求得許用軸向壓縮應(yīng)力約為65 MPa，校核通過。

需要特別指出的是，對(duì)于不等壁厚的塔體，不同壁厚的兩筒節(jié)分段截面也是危險(xiǎn)截面[16]，校核時(shí)不能遺漏。

4 軸耳最佳位置確定

軸耳的最佳位置應(yīng)滿足使圖2變徑塔受力模型中內(nèi)側(cè)段最大軸向壓縮應(yīng)力σmax和外伸段最大軸向壓縮應(yīng)力σmax′相等的條件，即：

σmax=σmax′

式中，Mmax′為外伸段最大彎矩，N·mm。

聯(lián)立各式可得：

帶入已知值(此處需將Di、mi等逐一帶入，且需同時(shí)尋找x的極值點(diǎn)，還需求出支反力與極值點(diǎn)彎矩值)，可得L5=14 638.5 mm，L5即為軸耳距塔頂理論上的最佳位置。

5 結(jié)語

以某實(shí)際工程項(xiàng)目為例，對(duì)變徑塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，給出了塔器在吊裝過程中最大軸向壓縮應(yīng)力校核的方法，并據(jù)此找出了軸耳最佳位置，為大高徑比薄壁變徑塔的設(shè)計(jì)提供了一種可行的計(jì)算方法。