管軸式吊耳使用過程中的改造校核

馮子云 鄭志勇 王景濤

陜西化建工程有限責任公司 陜西 楊凌 712100

對于石油化工行業的大中型立式設備，設計院的設備制造藍圖中會設置主吊耳。以某乙二醇項目的凈化裝置變換氣洗滌塔的主吊耳為例，若設計方在設置吊耳的方位時考慮不周，往往會出現鋼絲繩與上方接管、人孔發生的干涉情況。針對該設備的具體情況，陜西化建工程有限責任公司吊裝技術人員在排除了重新焊接吊耳、取掉人孔/ 接管、使用鋼絲繩捆綁兜掛等不經濟、安全隱患大的幾個方案后，選擇改造主吊耳的辦法，安全順利地完成了該設備的吊裝作業。采用經典力學方法核算、Solidwork 軟件建模后進行有限元分析和優化設計，可以使吊耳更加安全、經濟。以下就選用的吊耳形式、計算方法及分析方法進行探討，以期作為后續類似情況的參考。

1 工程概況

某廠凈化裝置變換氣洗滌塔分三段吊裝，原設備主吊耳與N4 接管相對位置如圖1 所示。原主吊耳布置在塔器中段，中段吊重236t，直徑3800mm，長度為30800mm，選用φ120mm×30000mm 鋼絲繩做為主吊索具。主吊耳上方分布有人孔及接管管口，其中主吊耳與N4 接管相對距離只有35mm，在設備吊裝至與水平夾角57°時鋼絲繩與接管N4 就會發生干涉。

圖1 原設備主吊耳與N4 接管相對位置圖示

2 吊耳改造設計

經技術人員實際測量，可以將原吊耳的擋圈外移80mm，擋圈與墊板間距可以由300mm 增大至380mm，原主吊耳與接管N4 相對間距可以擴大至115mm，使用有效長度5000mm 的平衡梁支撐后，可以達到鋼絲繩順利通過目的。擋圈改造后吊耳圖如圖2 所示。

圖2 擋圈改造后吊耳圖

對于主吊耳的改造，主要辦法是使用氣焊去除原一側吊耳的擋圈，并使用碳弧氣刨清理焊接痕跡，再使用工具打磨吊耳管至光滑，重新制作擋圈焊接于吊耳管外側。并在吊耳根部加筋板，提高吊耳強度。擋圈改造后吊耳圖如圖3 所示。吊耳改造后鋼絲繩傾斜角度如圖4 所示。

圖3 擋圈改造后的吊耳

圖4 吊耳改造后鋼絲繩傾斜角度

在設備吊裝過程中的不同狀態，吊耳管軸受力不盡相同，以下就吊耳管軸在設備豎直后的受力進行計算和有限元分析。

3 吊耳改造后力學核算

3.1 材料基本參數

變換氣洗滌塔主吊耳設計吊重為400t/ 個，吊耳管采用Q345 的材質，鋼材厚度δ=30mm＜40mm，抗拉抗壓和抗彎強度設計值為σs=295MPa，取安全系數n=1.34。

3.2 管軸式主吊耳受力

軸式吊耳受力簡圖如圖5 所示。

圖5 軸式吊耳受力簡圖

變換氣洗滌塔單個主吊耳設計吊重：

橫向作用力：

3.3 吊耳強度校核

（1）橫向應力

（2）剪應力

（3）彎曲應力

（4）組合應力

3.4 吊耳管軸與擋圈連接角焊縫強度校核

3.5 墊板與設備本體連接角焊縫強度校核

（1）剪應力

（2）橫向載荷引起的拉應力

（3）彎曲應力

（4）組合應力

經計算，滿足400t/ 只吊耳的使用要求。

4 有限元分析

傳統計算所應用的強度理論分析結果只是針對吊耳管軸的受力情況，并不能夠體現整個吊耳加固后的受力情況，這對于控制危險截面、應力集中部位處理等都不利。為此，應用Solidwork 軟件對上述設計以模型建立、網格劃分、施加約束、加載載荷等方式進行有限元分析。

4.1 建模及網格化

改造后的管軸式主吊耳按照二維CAD 圖紙進行3D建模，并進行實體網格化處理，單元大小71.85mm，節總數16926 個，單元總數8504 個，如圖6 所示。

圖6 網格化的管軸式主吊耳

4.2 計算機有限元分析

對管軸式主吊耳墊板及吊耳管軸施加約束，將吊耳受力面移至靠近擋圈120mm 處，加載4×106N 的力，如圖7 所示。

圖7 吊耳受力面設定圖示

圖8 為應力分析云圖，圖9 為安全系數圖示。根據計算機有限元分析給出的靜應力分析報告，最小應力發生在623 節，數值為0.14MPa；最大應力發生在3405 節，數值為142MPa＜[σ]=220.15MPa。因此，改造后的吊耳安全可用，安全系數ηmin=2.1。

圖8 應力分析云圖

圖9 安全系數圖示

5 結論

《化工設備吊耳設計選用規范》（HG/ T21574—2018）并不能涵蓋設備吊裝中遇到的所有情形，所以需要吊裝工程的技術負責人根據實際情況進行針對性的設計、改造。需要注意的是：第一要根據設備本身的特點，提出安全可行的設計方案；第二要參照多種計算方法，尤其是有限元分析的應用，最終確定最優方案，保證吊裝工作的安全性和經濟性；第三，在吊耳主體完成設計核算后，根據有限元分析結果，在消減集中應力方面要有相關措施，保證安全高效地完成設備吊裝工作。