關于大型設備吊裝工程中設計分工的探討

孫洪峰

(南京海陸化工科技有限公司，南京 200015)

近年來，隨著現代社會對化學品需求的增長以及工程建設能力的飛速進步，石化、煉化裝置設備朝著大型化發展，石油化工裝置中大型反應器、高塔的噸位和高度與過去相比已不可同日而語【1】。以往1 000 t以上的反應器和80 m以上的高塔非常少見，而今噸位2 000 t以上的反應器和高度100 m以上的塔器在芳烴、乙烯及煤化工裝置里已屢見不鮮。以往設備的吊耳由設計院通盤考慮，隨設備一同出圖。伴隨著設備大型化帶來的吊裝技術和大型吊裝機械的發展變化,以及項目管理模式、專業分工和設計工程師自身工程經驗等方面的限制，對吊耳結構與設置上的考慮受到設備設計思維影響較多，對吊裝工程機械與吊裝工藝的考慮尚不全面。盡管吊耳自身的設計制造費用占整個設備設計制造費用的比例是很小的，但吊耳設計不合理，會影響到吊裝工程的進度、質量、安全和成本等諸多方面，因此要引起重視，全面考慮。

1 吊裝總質量的確定

由于整體吊裝效率高，吊裝工藝技術簡單，能最大限度地縮短吊裝工期，減少高空作業，保證人員作業的安全，保證設備組對、焊接及焊后熱處理的質量，并且設備上的附件(包括附塔管線、電氣儀表、防腐保溫、防火結構以及梯子平臺、埋板等)安裝可隨設備一起起吊。在工程建設過程中，業主也希望“穿衣戴帽，塔起燈亮”，樹立形象，因此，大型設備一般來說都盡可能采用整體吊裝。當塔器采用整體吊裝時，確定塔器吊裝時的實際總質量至關重要，它是決定吊耳型式與結構尺寸的重要因素。塔器吊裝時的實際總質量應考慮以下因素【2】:

1) 設備自身質量，包括筒體、錐段、封頭、法蘭、接管、人孔及裙座等；

2) 隨塔安裝的塔盤、填料及其支撐梁、支撐環、分布器、再分布器、噴頭等內件質量；

3) 保溫(保冷)、防腐、防火層及其支撐圈質量；

4) 梯子平臺、欄桿、扶手等勞動保護設施質量；

5) 附塔管線、埋板、管架、托架等依附于設備的構件質量。

以上質量中，塔盤、填料及其支撐梁、支撐環、分布器、再分布器、噴頭等內件往往由專業塔內件制造商供貨；梯子平臺、欄桿、扶手等勞動保護設施，附塔管線、管架、托架等依附于設備的構件需要預制并在現場進行鋼結構組裝；保溫(保冷)、防腐、防火層一般進行專業分包，由專業施工隊伍完成。一方面，設計工程師將以上種種因素考慮到吊裝質量中，齊全且準確是比較困難的。因為大型設備除設備自身質量外，其余因素占吊裝總質量的比例很大，設計工程師為了保證吊裝的安全進行，只能將吊裝總質量的裕量放得很大，再疊加上吊裝所需的較大的安全系數，易引起殼體厚度隨之增加。另一方面，由于大型設備(特別是反應器、塔器)的制造周期較長，需要提前訂貨，設備的施工圖設計往往在項目前期就已經完成，而此時設計工程師尚無法掌握塔內件到貨計劃、現場鋼結構預制情況、專業施工隊伍進場計劃等相關資料，甚至在設計階段業主也無法確認哪些內件在設備吊裝前安裝，吊裝前是否安裝勞動保護設施，以及附塔管線、保溫(保冷)、防腐、防火層等結構是否隨設備一起吊裝。因此，在設計階段，即便設計工程師能夠準確計算出以上各項質量數值，除EPC總承包項目外，若項目采用平行發包模式，要想準確確定吊裝總質量也是十分困難的。

2 管軸式吊耳的結構設計

在石化、煉化工程建設中，管軸式吊耳是立式設備吊裝中最常見的吊耳型式。現以管軸式吊耳為例進行探討。目前，國內的設備管軸式吊耳一般按HG/T 21574—2018《化工設備吊耳設計選用規范》選取，采用小口徑薄壁管軸并在內腔加復雜筋板的方式(結構形式如圖1所示)。而國際上通常采用的管軸式吊耳，管軸內不設筋板，或為中空式，或設加強環，通過加大管子的直徑和厚度來滿足強度要求(結構形式如圖2所示)。這種吊耳由于筒體吊耳處的焊接應力小，且容易焊接，明顯優于國內吊耳標準系列。從管軸長度來看，國際上通常以大繩徑少股數吊索為前提條件，將管軸設計得較短，而國內吊耳標準則以小繩徑多股數吊索為前提條件，不得不將管軸設計得較長。從理論上講，前者明顯更為合理，因為管軸受力后，彎曲應力約占吊耳強度的2/3【3】。從吊裝實踐來看，福建煉油乙烯項目吊裝單位承擔該項目的大型設備吊裝任務時，根據實際情況進行了優化，即在設備吊耳設計時摒棄吊耳標準的弊端，超出國內標準中列出的標準管軸式吊耳的模式和類別，借鑒國際上管軸式吊耳設計的先進理念，加大鋼絲繩繩徑以減少股數，從而縮短了管軸長度，使吊耳的結構形式更為合理。在吊裝方案審查時，作為吊裝方案中的一個亮點得到了中國石化集團吊裝組專家的肯定【4】。

3 吊耳位置的確定

吊耳位置的確定取決于設備的吊裝條件。設計工程師在確定吊耳周向方位時，僅能事先了解設備的管口、梯子平臺外伸梁等的布置情況，清楚其周向方位布置，從而充分考慮其對設備吊裝的影響，避免軸式吊耳正上方及附近方位有影響吊裝的管口或梯子平臺外伸梁的存在。但是吊耳軸向位置的確定，還需要綜合考慮吊裝現場場地情況、吊裝單位可投入的吊車情況、臺班費用、吊裝單位現有的機索具以及設備制造排板等情況。

圖1 國內的管軸式吊耳形式

圖2 國際通用的管軸式吊耳形式

從理論上說，對于整體吊裝的立式設備，主吊耳的位置只要在設備的重心以上即可滿足吊裝要求。但對于高度較大的立式設備，由于吊耳可選擇的軸向位置范圍較大，常常存在把握不準的情況。從受力的角度分析，吊耳位置若位于設備重心以上并靠近重心附近,其優點是可以減小設備吊裝時的溜尾力，以便選用較小級別的溜尾吊車，節約吊車出場費和臺班費。同時，對于細高形薄壁設備，吊耳設置在設備重心附近，還可降低吊裝時的彎曲應力，防止設備變形。但吊耳設置在設備重心附近、遠離頂部存在以下弊端【5】：

1) 需要有較寬闊的吊裝場地。設備正面起吊時，其頂部會頂到吊車臂桿；若側面起吊，則平衡梁正對吊車臂桿，需要有較大的作業半徑，才能避免平衡梁與吊車臂桿相碰。如果吊裝現場空間狹小，受到管廊、鋼結構及周邊設備的制約，則會增大設備吊裝的難度。

2) 不利于吊裝過程控制。設備吊裝達到脫排臨界角時，因設備自身的慣性，溜尾吊車難以控制設備的擺動，而設備的左右搖擺會對吊車臂桿產生側向力，可能對吊車臂桿產生較大危害。

3) 如果設備重力產生的力矩不足以克服吊耳與鋼絲繩之間摩擦力產生的力矩，設備脫排后無法直立。

4) 吊耳距離設備頂部較遠，吊裝單位的繩索、纜索未必能滿足長度要求。

因此， 吊耳的軸向位置在滿足設備自身強度的前提下， 最理想的選擇是視吊裝的具體情況決定。

4 標準規范對吊耳設計分工的規定

NB/T 47041—2014《塔式容器》并未明確設備吊耳的設計是由設計單位完成還是由吊裝單位完成，僅在第6.9.2條規定：“塔式容器設置吊耳時，吊耳的結構、位置及數量應考慮吊裝方式及塔式容器的質量，由設計單位和施工單位協同確定，且應考慮塔殼的局部應力。”由于《塔式容器》是塔器設計的基礎性規范，因此目前國內一些設計院將塔器的吊耳設計納入其工作范圍。

GB 50798—2012《石油化工大型設備吊裝工程規范》第5.1.2條規定：“設備吊耳應由施工單位提出技術條件，并應由設計單位確認。設備吊耳宜與設備制造同步完成。”

SY/T 6279—2016《大型設備吊裝安全規程》第5.2.3及5.3.7.2條、SH/T 3515—2017《石油化工大型設備吊裝工程施工技術規程》第5.1.4條皆明確規定吊耳設計由吊裝單位完成。

另外，SH/T 3074—2018《石油化工鋼制壓力容器》第7.9.1規定：“大型設備吊耳的設計應按SH/T 3515由吊裝單位負責完成。設計單位選用的或制造廠自帶的吊裝設施，應在吊裝單位核算確認后，才能夠在現場吊裝時采用。”其條文說明中也對該條進行了補充說明：“按照SH/T 3515的規定，起重施工技術文件(包括吊耳的計算)應由吊裝單位編制，并由吊裝單位的總工批準。容器的設計單位不具備吊裝資質和技術。對于特殊設備，吊裝單位可以根據吊裝方案，向容器的設計或制造單位提出安裝吊耳(包括吊耳、尾耳、加強結構等)的要求(包括材料、結構、方位和技術要求)，由設計單位確認不會影響容器使用后，再完成吊耳的制作及安裝。”

5 設備吊裝一體化總承包模式對吊裝設計分工的啟示

2004年，中國石化茂名石化乙烯改擴建工程實行大型設備吊裝一體化總承包，這種新型管理模式顯示出其內在優勢。由于全廠大型設備吊裝工程實行統一總承包，總承包方可根據項目進度計劃、現場場地情況及自身的吊裝資源情況進行細致、全面的考慮，選擇最優的吊耳設計方案。同時，大型設備吊裝一體化管理，還可使吊裝工程自始至終得到強有力的技術支持和保障。總承包商可以依托的成員來自業主、設計、施工、監理等單位的吊裝專家組，可對大型設備吊裝方案進行嚴格的專家級審核【6】。同時，大型設備吊裝一體化總承包克服了先前吊耳的設計與使用分屬不同單位造成的協調困難、職責不清這一缺陷。此后，在中石化海南石化、青島煉化、福建石化等石化、煉化的大型項目上的應用，進一步體現了大型設備吊裝一體化總承包模式的專業化優勢。

6 結論

1) 吊裝單位綜合考慮大型塔器的吊裝、吊耳的設計由吊裝單位負責完成，更加適應現代石化、煉化工程設備大型化的特點。

2) 吊裝屬于危險性較大的分部分項工程。吊耳的設計由吊裝單位負責完成，并不意味著設計單位對吊耳的設計撒手不管。總的來說，塔器的設計單位和吊裝單位在工程管理目標上是一致的，都是要確保塔器吊裝萬無一失。因此，吊裝單位完成吊耳設計后，經設計單位審核確認各種細節，再交給制造廠連同設備本體一起進行制造，并做好后續吊耳的驗收工作，能夠更加全面地確保吊耳滿足吊裝要求，安全可靠。