重型反應(yīng)器的管軸式吊耳設(shè)計(jì)思路探析

李春德

摘 要：吊耳是重型反應(yīng)器中非常重要的一部分，本文針對(duì)重型反應(yīng)器的尺寸和質(zhì)量以及工程技術(shù)的要求標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)吊耳的非標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果檢驗(yàn)吊耳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理。

關(guān)鍵詞：重型反應(yīng)器；管軸式吊耳；載荷強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)重型反應(yīng)器的吊耳需要考慮到反應(yīng)器的局部應(yīng)力，這篇文章中使用的分析對(duì)象是一臺(tái)立式殼管式結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器，一共分為上下兩段，兩段之間使用法蘭連接，反應(yīng)器使用304L不銹鋼打造，設(shè)備質(zhì)量為400噸，外徑達(dá)到3640毫米，內(nèi)徑為3600毫米，高度為24.9米，殼體壁厚20毫米，該吊耳的質(zhì)量中心計(jì)算高度為14.15米，筆者將根據(jù)這臺(tái)重型反應(yīng)器的相關(guān)數(shù)據(jù)展開對(duì)應(yīng)的計(jì)算。

1 確定吊耳的設(shè)計(jì)位置

我們?cè)诳紤]吊耳在反應(yīng)器中的位置時(shí)，需要將兩個(gè)因素納入到考慮范圍中，其一是彎曲應(yīng)力，當(dāng)設(shè)備正處在水平狀態(tài)時(shí)，這個(gè)時(shí)候因?yàn)樵O(shè)備的自重會(huì)出現(xiàn)彎矩，并在反應(yīng)器的殼體上引發(fā)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，應(yīng)力是物體遭遇受力、溫度場(chǎng)等外部原因發(fā)生變形時(shí)，其內(nèi)部相互作用而產(chǎn)生的內(nèi)力，這個(gè)內(nèi)力是我們判斷吊耳位置的標(biāo)準(zhǔn)之一，另一個(gè)是在設(shè)備吊裝時(shí)，對(duì)吊裝穩(wěn)定性的確保。管軸式吊耳的特點(diǎn)在于，當(dāng)設(shè)備的質(zhì)量按照軸線進(jìn)行均勻化的分布時(shí)，它的內(nèi)側(cè)和吊點(diǎn)處的內(nèi)力是一樣的，那么結(jié)合第一點(diǎn)，即彎曲應(yīng)力的考慮，我們?cè)谠O(shè)計(jì)吊耳位置的高度時(shí)需要讓其和設(shè)備的總高形成0.71的比例，而為了保證吊裝的穩(wěn)定，吊點(diǎn)位置又必須高出反應(yīng)器的質(zhì)心1.5米的高度，那么我們將上述二者進(jìn)行結(jié)合并展開計(jì)算即可測(cè)得吊耳的設(shè)備位置應(yīng)為17.68米[1]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在前文給出的數(shù)據(jù)中我們可知，該反應(yīng)器的殼體壁厚是20毫米，而問(wèn)題就在于這個(gè)厚度不足以負(fù)擔(dān)吊耳的載荷需求。如果強(qiáng)行不顧及厚度直接安裝吊耳，那么吊耳所帶來(lái)的局部應(yīng)力會(huì)讓反應(yīng)器的殼體出現(xiàn)大凹陷，為了避免這種情況發(fā)生，我們需要先進(jìn)行局部加厚，使其可以承擔(dān)吊耳的載荷需求，厚度大概加到60毫米以上，加厚段的高度則為3米左右最佳。另外，這臺(tái)重型反應(yīng)器的內(nèi)徑為3600毫米，那么吊耳的管軸外徑就需要達(dá)到700毫米的口徑，而吊耳長(zhǎng)度出于懸臂梁受力的考慮不宜太長(zhǎng)，設(shè)計(jì)要盡量縮短，不過(guò)不要短于容繩直徑。本次案例中的容繩直徑為150毫米，吊耳的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于這個(gè)數(shù)值，再加上在反應(yīng)器的上方存在一些位置突出的組件，這些組件會(huì)對(duì)容繩造成干擾，那么這臺(tái)反應(yīng)器的吊耳長(zhǎng)度最好規(guī)定為450毫米。在吊耳和殼體部位接近的位置，我們要適當(dāng)?shù)脑黾咏畎澹S的內(nèi)部也要使用筋板來(lái)加強(qiáng)，一般選用60毫米厚度的筋板作為耳軸內(nèi)部加強(qiáng)筋板最為合適，彼此之間的距離為180毫米。設(shè)計(jì)吊耳時(shí)加墊板能夠減緩吊耳在殼體上的局部應(yīng)力，因此我們可以根據(jù)吊耳的外徑，以外徑數(shù)值的1.5倍到2倍來(lái)確定墊板的寬度，或者依照殼體壁厚的1倍數(shù)值加厚墊板[2]。

3 強(qiáng)度計(jì)算

計(jì)算吊耳的受力情況是保障設(shè)計(jì)合理性以及科學(xué)性的關(guān)鍵，由于反應(yīng)器的兩個(gè)吊耳是采用平角對(duì)稱的方式布置，所以實(shí)際上每個(gè)吊耳的受力是吊耳載荷的一半。我們先計(jì)算吊耳的載荷，在該反應(yīng)器中的吊耳角度有五個(gè)，分別為0°、30°、45°、60°和90°，我們以管軸式吊耳的受力為F1，L1表示其與質(zhì)心間的距離，溜尾吊耳的受力為F2，L2為其與質(zhì)心間的距離，R表示溜尾吊耳和設(shè)備軸線間的距離，θ表示水平面角度，根據(jù)受力平衡和力矩平衡兩個(gè)平衡的計(jì)算公式：

在該反應(yīng)器設(shè)備上，吊耳在吊裝過(guò)程中的受力部分始終保持豎直向上，那么我們?cè)谟?jì)算吊耳的受力將有效受力分解成兩個(gè)部分，其中一部分是設(shè)備軸向的軸向力，我們用Fa表示。另一個(gè)部分是垂直軸線方向的切向力，我們用Ft表示。另外該反應(yīng)器的吊耳夾角應(yīng)小于等于15°，那么計(jì)算中我們還需要加入一個(gè)吊索的法向分力，用Fn表示。最終得出公式如下：

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果，我們可以準(zhǔn)確了解到一臺(tái)重型反應(yīng)器的非標(biāo)管軸式吊耳的設(shè)計(jì)需求。根據(jù)計(jì)算，我們知道了吊耳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式以及滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度，并保證了設(shè)備的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉敏 大型換熱器吊耳設(shè)置[J]石油化工設(shè)備技術(shù)，2017（12）3-3

[2]于鵬 附塔管線吊裝板式吊耳的設(shè)計(jì)與校核[J]石化技術(shù)，2018，3，4，12