超重型設備吊裝索具設計與改裝應用施工技術

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

1 施工技術簡介

隨著我國煉油、石油化工、煤化工等行業的快速發展，設備的生產能力和制造規模不斷擴大。為縮短設備安裝周期，減少人員高空作業，大型設備多采用整體吊裝方式。為確保吊裝安全，需要在實施吊裝前制定完備的吊裝方案，包括起重吊裝工藝和吊裝索具的設計。

本施工技術主要涉及吊裝索具設計中的設備提升吊蓋和溜尾支撐梁的設計改裝應用，該項技術已經在洛陽宏興項目150萬t/a加氫裂化裝置加氫精制反應器吊裝項目中成功實施。加氫裂化裝置反應器是該項目建設中單體體積最大、重量最重的設備，設備直徑3.6m、高約35m、凈重680t，主吊車采用1250t履帶吊車，溜尾450t履帶吊車，是加氫裂化裝置生產環節中的關鍵設備。

由于反應器壁厚度大（最小厚度達到215mm），質量也較大，而且是經過焊后整體處理，不允許在殼體上焊接吊裝用管軸式吊耳。因此專門設計了一個與設備頂部法蘭相匹配的盲法蘭式提升蓋作為此類設備的吊裝主吊點。提升吊蓋主要由法蘭盲板和吊耳組成，法蘭盲板與設備頂部法蘭相匹配，且用雙頭螺柱與設備進行連接固定，吊耳為連接吊裝鋼絲繩等索具的承重結構。該技術通過CAD圖紙設計優化，利用解析計算分析吊蓋受力強度，再利用solidworks對危險部位進行有限元分析的方法，可得到吊蓋應力的分布情況，從而保證吊裝安全順利實施。

根據溜尾受力設計成的一對焊接在裙座處的管軸式吊耳，為了改善設備的受力狀態以及保持被吊設備的平衡、縮短吊裝鋼絲繩的高度，避免吊裝繩索受設備影響、平衡各吊點的受力，在溜尾處設計支撐梁作為吊裝索具。根據設備溜尾受力為400t和尾部裙座直徑，利用現場的現有材料選取兩根規格：Φ273×20mm，長度為4300mm的鋼管制作成支撐梁，設計原理與吊蓋設計相近，通過solidworks軟件建立模型進行優化設計。

2 技術原理

2.1 工藝流程簡介

（1）根據設備設計圖紙以及設備參數進行索具的選型，利用solidworks軟件對設備頂部法蘭進行強度分析，確保使用提升吊蓋吊裝設備滿足強度要求；

（2）利用計算機畫圖軟件CAD和solidworks分別進行索具的平面圖設計和三維圖形建模；

（3）待設計建模完成后，結合solidworks有限元分析功能和傳統的計算校核方法對索具進行強度校核，并且通過分析結果對薄弱部位進行加固或增加支撐，不斷優化設計方案，最終確定設計方案；

（4）待設計方案確定后，委托施工現場設備制造廠進行索具的焊接制作；

（5）索具制作完成后運至現場，主吊車和溜尾吊車就位，利用輔助吊車進行索具吊蓋以及支撐梁的連接安裝；

（6）索具完成后，進行設備試吊，確認符合吊裝安全要求后，開始正式吊裝作業；

（7）吊裝完成后對設備進行摘鉤，吊車撤場，完成吊裝。

2.2 索具的設計選型

2.2.1 提升吊蓋的設計

根據設備設計圖紙以及吊蓋設計手冊進行選型，通過CAD軟件畫出吊耳的設計平面圖；然后利用solid works軟件建立模型，根據圖紙中給定的設備材質，對模型進行材料定義，從而畫出三維實體模型；再通過不斷的優化分析制作成實際吊蓋索具。詳見圖1和圖2。

2.2.2 吊蓋強度校核

對于吊蓋而言，其薄弱點在兩個吊耳板上。吊裝過程中設備從呈臥態到豎直狀態時，吊蓋耳板受力情況要進行兩個極限狀態的分析。

2.2.2.1 設備呈臥態時

設備呈臥態時吊蓋受力情況如圖3和圖4所示。

圖1 提升吊蓋CAD及銷軸設計圖

圖2 提升吊蓋設計模型圖

圖3 設備臥態時吊蓋受力示意圖

圖4 設備呈臥態時吊蓋受力方向及整體受力示意圖

（1） 設備呈臥態時提升吊蓋受力FH計算公式見式（1）和（2）。

式中：l1——主吊點到設備重心的距離，12249.43mm；

l2——溜尾吊點到設備重心的距離，15791.88mm。

則得：

因此，吊蓋受力最大為FHMax=FH?k=4049kN×1.21=4899.29kN。

（2） C-C 截面彎曲應力（σc）計算方式如下：

根據第三強度理論，C-C截面應力

可見，C-C截面強度滿足吊裝需求。

（3） 截面 A-A 的彎曲應力（σA）計算公式如下：

可見，A-A截面強度滿足吊裝需求。

2.2.2.2 設備呈立態時

設備呈立態時吊蓋受力情況如圖5所示。

圖5 設備豎直狀態時吊蓋受力示意圖

（1） 截面 B-B 拉應力

（2） 截面 A-A 剪切應力

（3） 截面 C-C 焊縫拉應力

因此，吊蓋剪切強度滿足吊裝需求。

2.2.2.3 連接螺栓預緊力

提升蓋與設備頂部法蘭之間的連接螺栓預緊力需要進行計算，每個螺栓的預緊力（F）可按公式（3）計算。

式中：F預緊——每根螺栓的預緊力，N；

FH——設備抬頭時作用于設備頂部的提升力，N；

n——螺栓數目；

f——提升蓋法蘭盲板與設備法蘭間的滑動摩擦系數，一般取0.3。

連接螺栓的預緊應采用分級、對稱擰緊的方式進行。預緊力矩（M）可按公式（4）計算。

式中：M預緊——每根螺栓的預緊力矩，N?mm；

F預緊——每根螺栓的預緊力，N；

Kt——預緊力矩系數，取0.25；

dm——緊固螺栓的最小直徑，mm。

2.2.2.4 銷軸強度校核

銷軸受力情況如下圖6所示，當設備處于豎直狀態并離地時銷軸受力最大，按此時狀態校核銷軸強度。

圖6 設備豎直狀態時銷軸受力示意圖

銷軸所受剪切力

銷軸材質為35CrMo，查GB3077-2015得到材料屈服強度為835MPa。

[σ軸] = 835MPa＞σ軸= 123.14MPa

綜上所述，吊蓋整體滿足吊裝過程中設備各個狀態時的強度需求。

2.2.3 支撐梁的設計

支撐梁根據設備設計圖紙和支撐梁設計手冊設計，其設計原理同提升吊蓋，通過建立模型進行優化設計，見圖7。

圖7 支撐梁設計圖

2.2.4 支撐梁校核

2.2.4.1 支撐梁受力分析

平衡梁在動態平衡狀態下的受力示意圖見圖8。此時，

平衡梁處于動態平衡中，豎直方向力相等，

即，：F1×sin15° +F4×sin15°+G=F2×sin74°+F3×sin74°

又， F2=F3

所以，得：F2=F3=23.7kN

圖8 支撐梁受力分析圖

2.2.4.2 剛度校核

由《起重機設計手冊》P521式4-1-30，剛度條件為λ≤[λ]。

式中：L = 4300mm；

對于Φ273×20鋼管，

因此，r= （I/A）1/2=89.7mm

查《起重機設計手冊》P545表4-1-40，取μ=1；

查《起重機設計手冊》P522表4-1-16，取[λ]=150；

所以得到，λ=1×4300/89.7=47.94 ≤[λ]

可見，支撐梁剛度滿足要求。

2.2.4.3 強度校核

由《起重機設計手冊》P521式4-1-30，剛度條件為：

式中：F =Gtan30o/4=（6.8×106×tan30o）/4

故，σ=61.71MPa

鋼管材料為Q235，σ=61.71MPa≤[σ]=235 MPa

可見，支撐梁強度滿足要求。

2.2.4.4 穩定性校核

由《起重機設計手冊》P523式4-1-36，穩定性條件為：

由《起重機設計手冊》P523表4-1-17，取ψ=0.847

所以，σ=72.86MPa≤[σ]

可見，支撐梁穩定性滿足要求。

2.2.4.5 支撐梁吊耳校核

支撐梁吊耳示意圖見圖9。

圖9 支撐梁吊耳示意圖

吊耳材質為Q235，σs=235MPa。

安全系數為1.6。

[σ]=σs/1.6=146.7MPa

[τ]=81MPa（取 0.55[σ]）

（1）吊耳截面拉伸應力（σ）計算式見公式（7）。

吊耳拉伸載荷F2=23.7kN

Fv=F2=23.7kN

A=（150-60）×20=1800mm2

故，σ=F2/A=23.7×103/1800=13.2MPa≤[σ]=147MPa

（2）支撐梁吊耳孔擠壓強度計算式見公式（8）。

式中：T=F2=23.7kN

d——吊耳孔直徑，60mm；

t1——吊耳板厚度，20mm。

故，σr=19.8MPa≤[σ]=125MPa

可見，支撐梁強度滿足要求。

（3）支撐梁吊耳截面剪切應力計算式見公式（9）。

式中：Fv=F2=23.7kN

可見，支撐梁的強度滿足要求。

通過以上分析計算證實，該平衡梁能夠滿足要求。

2.3 索具有限元受力分析

利用solidworks軟件建立模型進行受力分析，如圖10和圖11所示。單元總數為19073，節點總數為31069，通過分析結果對薄弱部位進行加固或增加支撐，優化吊蓋的設計。

圖10 吊蓋的實體網格劃分圖

圖11 吊蓋有限元分析圖

從應力分布圖可以看出，最薄弱處為頂部吊耳剪切面，其最大值為223.6MPa，而吊蓋材質Q345允許最大應力345MPa，因此滿足安全需求。吊蓋整體最大變形量為0.5306mm，在允許變形范圍內。

2.4 索具與設備安裝連接

通過計算和有限元分析，最終確定吊蓋設計方案并制作成實體吊蓋，利用雙頭螺柱與設備頂部法蘭進行連接，并且通過銷軸與φ234mm鋼絲繩圈索具進行連接，詳見圖12和圖13。

圖12 吊蓋和支撐梁實體圖

2.5 設備的提升與就位

主吊、溜尾索具安裝完成后，認真檢查各方面機具設備及人員是否全部就位；確認無誤后，開始試吊作業；設備試吊前，各崗位起重機司機、指揮人員及觀察人員全部到位，兩臺吊車同時起鉤，使設備離開運輸鞍座300mm；然后靜置1h后，經由業主、監理、安全人員及專業工程師檢查鎖具、吊車站位地基、吊車狀態確認符合吊裝安全要求后，方可開始正式吊裝作業；待設備豎直時，拆除溜尾索具撤出溜尾吊車，由1250t履帶吊車主吊就位。現場施工圖見圖14—16。

圖13 索具與設備連接圖

圖14 設備試吊圖

圖15 設備提升圖

3 適用范圍

本施工技術適用于提升吊蓋作為頂部中心設有大接管法蘭類設備吊裝的主吊耳；適用于同裝置內同類超重型設備的吊裝，避免同類型設備每臺都進行單獨的吊耳設計；適用于壁厚大、質量較大，而且都經過焊后整體處理，不允許在殼體上焊接吊裝用吊耳的設備，如反應器、熱高壓分離器、冷低壓分離器等。

圖16 設備就位圖

4 總結

本施工技術通過對設備吊裝索具的設計與改裝，從而達到節約施工成本的目的，主要是自主對提升吊蓋的設計改造，并將設計完成的吊蓋委托現場設備制造廠家進行制作。制作成本費和設計費總計12萬元，而如果直接購買此類型吊蓋的費用高達25萬元，從而節約成本13萬；支撐梁利用現場的材料進行制作，避免了直接從廠家購買的費用約8萬元；主吊鋼絲繩利用本單位自有的鋼絲繩圈即可滿足吊裝，節約了購買鋼絲繩的費用5萬元；吊蓋設計成通過銷軸與鋼絲繩連接的形式，節約了再次購買卡環等形式連接索具的費用3萬元。總之，通過設計與改裝，本項目的吊裝索具節約成本總共達到了29萬元，實現了較大的經濟效益。

該項施工技術將傳統設計經驗和當今主流計算機設計軟件相結合，保證了設備吊裝過程的安全性和施工效率，施工過程安全高效，方便快捷。同時，減少了施工周期，降低了施工人員的高空作業以及勞動強度，提高自有機索具使用率，降低機索具的采購成本，施工過程做到了能源節約、安全環保。