一種溜尾吊架的設計及應用

陳 濤 楊志強

中石化重型起重運輸工程有限責任公司 北京 100029

隨著石化工業的迅速發展，石化裝置日趨大型化和規模化。為縮短制造安裝周期，節約成本，減少人員高空作業，石化設備基本采取模塊化安裝。大型設備吊裝施工前，一般會為所吊設備進行詳細的吊耳設計。通常，吊耳在設備制造時就被焊接在設備上，但一些特殊設備由于安裝的環境、運輸等原因不使用傳統吊耳，需要借助特殊吊裝工具進行吊裝，如吊蓋、抱箍等。為此，提出了用一種溜尾吊架來替代溜尾吊耳，以滿足某些特殊情況的吊裝。

1 溜尾吊架模型

溜尾吊架主要包含上支撐板、下支撐板、連接板、吊耳板、腹板和蓋板等，如圖1 所示。

圖1 溜尾吊架結構圖

2 應力狀態分析

2.1 建立受力模型

溜尾吊架在使用時，需要用高強度螺栓及配套螺母固定于設備裙座上，按照一定的力矩進行安裝，安裝完成檢查合格后方可進行吊裝作業。設備在從水平狀態過渡到豎直狀態或從豎直狀態過渡到水平狀態都可按照一個受力模型進行分析。圖2 為設備吊裝狀態受力模型示意圖，圖3 為設備溜尾吊耳受力模型示意圖。

圖2 吊裝狀態受力模型示意圖

圖3 溜尾吊耳受力模型示意圖

2.2 受力分析及校核

2.2.1 設備吊裝狀態受力分析

由公式(1)、(2)得式（3）—（6）。

式中：F主——設備吊裝時主吊力；

F溜尾——設備吊裝時得溜尾力；

G——設備重力；

L1——設備主吊點到設備重心的軸向距離；

L2——設備溜尾點到設備重心的軸向距離；

R——設備的外半徑；

H——溜尾吊耳中心孔到設備外壁的距離；

θ——設備中軸線與水平線之間的距離。

由計算公式可知，主吊力、溜尾力、吊耳所受豎直拉力和水平拉力都是隨設備中軸線與水平線之間的角度（θ：0→90°）變化而變化，將已知的數據代入公式采取迭代計算可得到圖4。

圖4 各受力隨θ 的變化曲線圖

2.2.2 溜尾板式吊耳校核計算

由受力分析可知，需要校核溜尾板式吊耳三個危險截面A- A、B- B、C- C 的受力情況。溜尾吊耳材料選用Q345B，屈服強度σs=345MPa；許用拉應力［σ］=345/ 1.7=202MPa；許 用 剪 應 力：［τ］=0.7［σ］=141MPa。

代入計算得出σB=44.43（MPa）＜［τ］。可見，B- B 截面滿足使用要求。

（3）C- C 截面校核

由圖4 可知，當吊耳受力方向的角度θ=69°時，所受溜尾力最大，為700t。此時彎矩最大，見式（9）。M=FVsinθH （9）C- C 截面抗彎模量計算見式（10）。

2.2.3 溜尾吊架校核計算

溜尾吊耳材料選用Q345B， 則屈服強度σS=345MPa；許用拉應力［σ］=345/ 1.5=202MPa；許用剪應力：［τ］=0.7［σ］=141MPa。

（1）吊架上、下支撐板角焊縫校核

吊架結構的上、下支撐板受力作用，則上、下支撐板的角焊縫強度應滿足式（11）。

故焊縫滿足強度要求。

（2) 吊架整體組合應力強度校核

吊架整體是組合而成，可以看作是一個組合的大型工字形截面，如圖5 所示。

圖5 溜尾吊架整體受力圖

In——驗算截面的截面慣性矩；

y1——驗算點知中和軸的距離；S1——驗算點以上或以下截面面積對中和軸的面積矩，工字形截面即為翼緣面積對中和軸的面積矩；

β1——折算應力的強度設計增大系數。

σC和σ 同號時，β1=1.1；σC和σ 異號時,β1=1.2。

則溜尾吊架慣性矩：

溜尾吊架整體彎矩：M=FVL

當設備與水平面成69°角時，彎矩最大，設備軸向最大載荷FV=700t；力臂L=595mm；翼板寬B=600mm；翼板高b=480mm；腹板寬h=580mm；腹板高H=700mm；腹板厚度tW=120mm；動載系數K=1.1。

代入計算得彎曲正應力：

可見，溜尾吊架滿足使用要求。

3 工程應用實例及有限元分析

3.1 工程應用實例

以鄂爾多斯某煤制油項目的煤液化第一反應器拆舊換新的吊裝為例進行驗證。該反應器采用單主機抬吊遞送法進行吊裝，拆舊反應器過程與安裝新反應器的吊裝過程相反。

反應器的主吊點采用吊蓋連接，溜尾采用溜尾吊架。因為反應器拆除時框架不能全部拆除，舊反應器需要從反應器鋼結構框架中提升出來。因鋼結構框架內的空間有限，如果在反應器外部焊接吊耳，就會與反應器鋼結構框架干涉。因此，使用溜尾吊架，在設備直立地被提升出鋼結構框架后，可以把溜尾吊架和反應器用螺栓進行連接，從而很好地解決安裝就位空間不足的問題，而且還可以重復利用。圖6 為舊反應器從豎直過渡到水平狀態現場圖，圖7 為溜尾吊架在配合完成舊反應器吊裝工作后安裝到新反應器裙座施工現場。

圖6 溜尾吊架與舊反應器連接圖

圖7 溜尾吊架與新反應器連接圖

由于吊裝過程中各部件受力復雜，溜尾吊架作為主要工具必須滿足使用要求。因此，對整個溜尾吊架進行有限元分析更能夠反映出真實情況。

3.2 有限元分析

3.2.1 三維模型建立

本校核中采用SOLIDWORK1：1 建模，卸扣為500t 卸扣模型。采用ABAQUS 6.14 版進行有限元應力分析。

材料屬性：卸扣銷軸為結構合金鋼，尾架其余為Q345。

網格類型：單元總數為120177，詳見圖8。

圖8 溜尾吊架網格圖

（1）13614，線性，六面體，單元類型：C3D8R；

（2）130，線性，楔形，單元類型：C3D6；

（3）106433，二次四面體，單元類型: C3D10。

約束方式：按照實際吊裝工況，設備底部裙座受X、Y、Z 三方向約束。

螺栓情況：采用beam mpc 單元模擬螺栓，允許小位移，可承受力偶作用。

荷載情況：卸扣受到總計1000t 的面拉力，螺栓沒有加載預應力，詳見圖9。

圖9 溜尾吊架荷載圖

接觸設置：卸扣銷軸與吊耳孔摩擦系數為0.15，設備群座設為剛體。

3.2.2 有限元受力結果分析

最終結果按第四應力強度進行分析，如圖10 所示，最大應力為327MPa，最大應力發生在螺栓孔邊緣。主要原因在于卸扣銷軸受拉變形對吊耳孔邊緣擠壓。最大應力呈線狀分布；局部應力較大，接近材料屈服強度。由于螺栓沒有加載預緊力，結果相對保守。

圖10 溜尾吊架受力云圖

Q345 屈服強度為345MPa，包括應力集中區域的屈服強度都小于245MPa。因此，溜尾吊架的結構強度符合要求。

ZZ 方向剪切應力最大為235MPa，最大切應力發生在最靠近吊耳板處螺栓孔，詳見圖11。

圖11 最大剪切力應力云圖

該數值在可許范圍內，位于吊耳板外緣附近（圖12）。因此，溜尾吊架結構整體穩定性可靠。

圖12 溜尾吊架位移圖

此有限元分析暫未考慮腹板之間的連接工字梁，建議在焊接補強板時焊縫倒圓角，防止應力集中。如在吊耳板與腹板連接處，增大吊耳板與腹板的連接面積。在偏保守的情況下得出溜尾吊架安全可靠，且在工程實例中得到應用。

4 結論

本文主要說明了一種溜尾吊架的設計與應用，主要基于行業內的大型直立設備使用的溜尾裝置，解決行業內的大型設備在某些情況下無法進行設備本體焊接吊耳的問題。

溜尾吊架的主要優點包括：

（1）可以利用到某些需要溜尾但難以焊接吊耳的設備，解決溜尾吊點的問題，尤其是涉及到檢維修項目中的大型塔器可以參考；

（2）可以重復利用，如果是多臺同規格的設備需要同時安裝，比如加氫反應器，一般都可以一次制作，多次利用。

此溜尾吊架的設計及工程實例的應用，可為此類工程的吊具設計和計算提供一定的參考依據。