大型立式管板換熱器管束吊裝工藝的創新

譚國明

（中國石油大慶石化公司建設公司，黑龍江大慶163714）

在化工裝置的高處框架內，大型立式管板換熱器管束的吊裝更換任務在檢修中十分普遍，屬于大型非起重機吊裝作業。隨著石化工裝置安全性、科學性要求不斷提高，吊裝作業更需要數據支持。由于空間狹小，高空作業多，操作難度大，檢修效率很難提高，工期很難提前。為此，經過常年檢修積累經驗，針對此類形式的換熱器管束更換工作制定出1套特有的科學、高效的吊裝模式。

1 3D模擬現場還原技術

以往的檢修模式對檢修設備以外的因素往往忽略了預判，延誤甚至打亂施工進度。首次采用3D建模技術對大型立式管束吊裝模擬吊裝全過程做出詳細分析［1］，為提高施工進度爭得先機。

2 吊裝過程穩定性技術

（1）4同步液壓提升技術

立式管束的傳統吊裝方法一般是在4個支點處掛相應噸位的手拉葫蘆，由4個人同時起升，往往步調不一致，特別是對大型設備，調整平衡浪費很多時間。采用4同步液壓提升技術，當創造支撐點都處于水平時，同步吊裝的效果最佳，減少了施工成本，同時大大降低了安全風險［2］。

（2）創新制作穩定性抱箍卡具工裝

針對大型立式管束垂直吊裝，為避免失穩傾斜，在管板中后部位設置臨時抱箍，根據管板尾部大小、總體長度的不同，采用鋼板滾弧的形式制作成卡具，用多組螺栓連接組成，在根據抱箍上具體位置以管束整體為中心軸在抱箍對稱位置焊接2個管軸式吊耳，同時將抱箍與管板法蘭用拉桿連接，最后配合管束水平放倒。

3 吊裝過程安全性技術

在該次吊裝過程中，還原現場很多部位作為吊裝支撐點，無法達到整體均衡受力。因此，在現有設備基礎上進行局部改造，為確保受力均勻焊接制作支撐部件，整體支撐力得到滿足。但局部受力增加了風險因素，同時焊接結構件也存在風險。所以各個受力點的應力承載能力是此次安全吊裝過程中的重中之重。為此采用技術成熟的有限元分析對各部位受力情況進行具體分析。

采用ANSYS軟件，建立各個關鍵部件有限元模型，網絡劃分采用3維實體單元［3］。所列位移矩陣見式（1）：

式中δ—節點位移，mm；ui、vi、wi—3維微節點，mm；T—矩陣列數。

單元等效節點力列陣見式（2）：

式中F—節點力，N；Ui、Vi、Wi—微單元體積，mm3；T—矩陣列數。

（1）離散與位移

利用彈性體的離散化和單元節點的位移進行分析，其中位移函數是有限元分析的關鍵步驟。為此得出矩陣公式（3）：

式中f—位移函數；u、v、w—微單元節點位置，mm；N—微單元總和；T—矩陣列數。

（2）單元的應變和應力

將位移函數帶入幾何方程，可得到單元的應變和節點位移關系式：ε=Nδe，上述公式代入物理方程，相應的關系見式（4）：

式中σ—節點應力，N；D—微單元徑向量，mm；B—微單元緯向量，mm；S—微單元面積，mm2。

（3）單元剛度矩陣

將式（1）和式（2）代入虛功方程，得到單元剛度方程為：Fe=Keδe

空間問題的單元剛度矩陣見式（5）：

式中dx、dy、dz—3維度的微變量，mm。

（4）單元等效節點力

單元剛度方程中單元等效節點力按虛功效原則移置到節點上的力，單位等效節點力見式（6）：

式中F—節點力，N；P—節點虛功，N·mm；q—等效節點功，N·mm。

（5）整體剛度矩陣

求得單元剛度矩陣和單元等效結點力列陣后，求出平衡方程。采用有限元理論，在ANSYS中施加載荷和約束，分析部件應力，進行強度校核［4］。

4 設備輸送的精準技術

為確保大型管束從狹小空間內實現精準輸送，首次設計旋轉尾排牽引式軌道小車技術。根據現場設備法蘭口的尺寸設計旋轉尾排鞍座，鋪設鋼板布置軌道及小車。提前測算出運輸承載力及牽引拉力［5］。

（1）滑車組計算：先根據外取熱器管束重量；平板車重量及自制殼體鞍座重量；計算出滾動體總重量Q，再根據滾桿與底排子之間滾動摩擦系數μ=0.04（木材與鋼滾動摩擦系數0.03～0.04）計算出牽引力N。因牽引力與溜尾力相等，方向相反，牽引及溜尾選用合適的滑車各1組，用相應卷揚機各1臺，導向單板滑車。

（2）跑繩拉力P的計算：

式中P—跑繩拉力，t；Q—計算載荷，t；n—工作繩數；f—滑車阻力系數，所使用的滑車均為青銅套f=1.04；K—導向滑車的個數。

（3）導向滑車的計算

式中Qn—導向滑車載荷，t；K—導向角度系數，最大時取2.0。

（4）跑繩長度計算

式中L—鋼絲繩長度，m；d—滑輪直徑，m；s—定滑車至卷揚機的距離，m；n—工作繩數；h—提升高度，m。故卷揚機的選擇要滿足跑繩長度要求。

5 結束語

此類技術可以確保吊裝過程的設備及人員安全，提高工作效率，節省成本，為提前投入生產爭取時間。針對外取熱器管束吊裝更換創新技術，將此類吊裝形式從理論上的模擬實驗到實踐操作應用均得到證實與肯定，為科學化，高效化的施工模式奠定了基礎，因此此項技術創新均值得石化行業及其它企業借鑒推廣。