大直徑百噸級急冷油塔塔頂附管單吊耳吊裝技術

鄺小娟

(中核機械工程有限公司，上海 201702)

0 引言

在石化工程建設中，較多塔類設備塔頂均安裝了附管，隨著設計、制造、安裝水平的大幅度提升，石化裝置的產能越來越大，塔類設備越來越重、越來越高，給吊裝作業帶來較大難度。

塔頂附管多由彎管段和直管段組成，為倒J形，管線外包保溫層，若采用直接兜吊，難以保證上端接口水平度，且鋼絲繩在吊裝過程中存在滑移風險，因此需設計吊耳輔助吊裝。已有學者對塔頂附管吊耳進行了設計，如設計了雙板式主吊耳，并進行了安全驗算；通過設計雙管軸式主吊耳、單板式溜尾吊耳，完成了塔頂附管的分段吊裝。

無論采用雙板式主吊耳設計還是雙管軸式主吊耳設計，均需使用輔助起重機或手拉葫蘆配合，使起吊時彎管段繞縱軸線不產生傾斜。由于立直后直管段不能處于自然垂直狀態，附管上端接口不能處于自然水平狀態，導致管口對接就位時需通過起重機或手拉葫蘆輔助調整，造成起重機使用數量多、時間長，且需長時間高空調整，使高空作業多、效率低、風險大、成本高、工期長。一般情況下，1根直徑3m近百噸塔頂附管對口和焊接時間需3d左右。

1 工程概況

某大型石化項目2號乙烯裝置建設工程中，急冷油塔塔頂附管需單獨吊裝。為減少高空對口和焊接作業量，充分保證附管焊接質量，使焊口無損檢測和返修施工在地面進行，該附管采用地面整體預制、一次吊裝就位的方式施工。附管設計直徑3 149mm，整體高度34 000mm，其中直管段高27 665mm，彎管段彎頭直徑9 449mm，壁厚30mm，外側保溫層厚80mm，總重107t，就位高度64 200mm。

2 塔頂附管吊耳設計與驗算

本工程采用新型吊裝工藝，即主吊耳由常用的雙板式主吊耳改為單板式主吊耳，溜尾吊耳由安裝于直管段尾部上方的單板式溜尾吊耳改為安裝于直管段尾部側方的單管軸式溜尾吊耳，無須通過起重機或手拉葫蘆輔助調整，附管起吊離地后繞縱軸線處于自然水平狀態，立直后直管段處于自然垂直狀態，僅用時0.5d可完成管線翻轉、吊裝、對口和焊接工作，整個吊裝過程安全、高效、快速。

2.1 重心位置的確定

首先設置如圖1所示坐標系，然后分別計算塔頂附管直管段本體、直管段保溫層、彎管段本體和彎管段保溫層在x，y，z向的重心位置，最后計算整個附管在x，y，z向的重心位置。

圖1 塔頂附管坐標系

計算得到急冷油塔塔頂附管重心分別為：x=1 785mm，y=0mm，z=19 900mm。可通過CAD軟件建立三維模型，利用質量特性查詢功能獲取重心參數。

2.2 吊耳類型與位置設定

1)單板式主吊耳設置

由于塔頂附管在地面預制完成后呈臥式狀態，為避免主吊耳鋼絲繩在翻身過程中出現不均勻受力，導致附管上端接口水平度太大而影響對口和就位，甚至出現鋼絲繩斷裂引發安全事故，將單板式主吊耳設置在塔頂附管重心線AB上，且處于彎管段頂部，如圖2所示。由于主吊耳和塔頂附管連接焊縫與頂部縱焊縫碰撞，在焊縫強度滿足要求的情況下，在主吊耳與附管連接的中間位置開半圓弧孔。此外，在吊耳板與塔頂附管之間焊接筋板，增大焊縫受力面積，同時加強局部穩定性。

圖2 主吊耳和溜尾吊耳設置位置

主吊耳額定荷載1 200kN，材質選擇可焊性較好的Q235B普通碳鋼，許用拉應力[σ]=146MPa，根據HG/T 21574—2018《化工設備吊耳設計選用規范》，許用剪應力[τ] =0.6[σ]=87.6MPa，屈服強度ReL=235MPa。

主吊耳結構類型如圖3所示，主吊耳孔直徑D=86mm，系攬環板厚度S2=20mm，系攬環板外圓直徑D1=300mm，吊耳板厚度S=80mm，外圓半徑R=170mm，外圓切點半徑方位角為14°，吊耳孔中心至吊耳板邊緣的距離L=440mm，半圓弧孔兩端的直線距離b=130mm，半圓弧孔高度h=30mm。

圖3 主吊耳結構類型

2)單管軸式溜尾吊耳設置

取消常規板式溜尾吊耳，避免塔頂附管立直后需人為拆除連接卸扣和鋼絲繩，采用單管軸式溜尾吊耳，溜尾鋼絲繩直接兜吊于溜尾吊耳上，取消卸扣連接，塔頂附管立直后，溜尾起重機通過落鉤動作使鋼絲繩自行脫落。

溜尾吊耳額定荷載600kN，設置在附管直線段尾部側方位置，距附管下端口1.5m，溜尾鋼絲繩掛繩位于AB連線上，溜尾吊耳類型如圖4所示。選擇材質仍為Q235B，外徑D0=273mm，外擋板直徑D2=360mm，溜尾吊耳計算長度L1=291mm，擋板厚度S3=20mm，管軸厚度S1=20mm。

圖4 溜尾吊耳結構類型

2.3 吊耳校核計算

吊耳校核計算時需考慮塔頂附管在翻身和立直后吊耳、焊縫承受的最大應力，依據《化工設備吊耳設計選用規范》附錄A中的公式進行校核計算，取動荷載系數Kd=1.2，不平衡系數Ku=1.125。計算得到主吊耳擠壓應力σhz=339.2MPa<2ReL=2×235MPa=470MPa；主吊耳頭部拉應力σL=25.7MPa，剪應力τL=25.7MPa；系攬環板焊接接頭剪應力τp=53.2MPa，結構受力滿足要求。

主吊耳板與墊板或封頭連接處校核結果表明，當設備為臥置狀態時，剪應力τs=43.95MPa，吊索荷載引起的彎曲應力σbs=86.08MPa，組合應力σcs=96.65MPa<[σ]=146MPa；當設備為立直狀態時，拉應力σe=43.95MPa，剪應力τe=43.95MPa，組合應力σce=62.15MPa<[σ]=146MPa。

主吊耳無墊板，吊耳板與封頭連接角焊縫強度校核(忽略加強筋板的作用)結果表明，當設備為臥置狀態時，剪應力τps=25.21MPa，彎曲應力σpbs=141.74MPa，組合應力σpcs=143.97MPa<[σ]=146MPa。

起吊時溜尾吊耳橫向應力σh=28.05MPa，剪應力τw=28.05MPa，彎曲應力σw=139.34MPa，組合應力σcw=140.81MPa<[σ]=146MPa；溜尾吊耳管軸與擋板連接角焊縫強度τh=48.13MPa<[τ]=87.6MPa。

綜上所述，主吊耳和溜尾吊耳強度滿足吊裝要求。

3 吊耳焊接技術

3.1 吊耳下料

吊耳外形采用數控切割下料，坡口采用火焰切割后砂輪打磨至光滑，且周邊20mm范圍內露出金屬光澤，經滲透探傷無裂紋缺陷，主吊耳孔、內擋板孔采用機械加工，主吊耳孔孔口倒3×45°鈍角，板厚公差±1.0mm，孔直徑公差±1.0mm，表面質量需滿足JB/T 5000.2—2007《重型機械通用技術條件 第2部分：火焰切割件》有關要求，主吊耳、溜尾吊耳與塔頂附管接觸面加工成曲面，與管段曲率保持一致。

3.2 吊耳焊接

焊接預熱溫度120℃，主吊耳焊接采用全熔焊接，焊接時采用正面焊接、反面清根的方法，保證焊縫完全焊透，管軸式溜尾吊耳與塔頂附管間的焊縫采用單面焊、雙面成型的方式，焊縫高度不小于薄板厚度的0.8倍。

對于溜尾吊耳，焊接完成后要求管軸中心線應與塔頂附管軸向中心線垂直偏差≤0.5°，且管軸不能有環焊縫，縱焊縫數量不得大于1條。

3.3 焊后熱處理

焊后應立即采用火焰加熱保溫焊接區，加熱溫度250℃，加熱時間0.5h，使用石棉遮蓋緩冷，并隨吊耳進行回火處理。

3.4 焊接檢測

由于溜尾吊耳管軸為無縫鋼管成品切割，因此，主吊耳和溜尾吊耳所有焊縫均應進行外觀檢查，不得存在裂紋與未熔合缺陷，還須按NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。若溜尾吊耳管軸由鋼板卷焊制而成，則外焊縫表面應磨平,且對接焊縫須經100%射線檢測，以NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》，Ⅱ級合格。

4 塔頂管線吊裝技術

采用單主機抬吊遞送法進行急冷油塔頂附管吊裝，主起重機使用LR11250型1 250t起重機，使用SCC2000C型200t履帶式起重機配合溜尾遞送，直至將塔頂附管立直，然后拆除溜尾吊索，由1 250t起重機將塔頂附管上端接口吊裝至對口位置，由安裝人員將管口進行微調，并對口焊接。

4.1 吊索具選型與連接

根據塔頂附管質量，經計算選擇安全系數>6的主吊鋼絲繩，根據塔頂附管高度、就位高度、吊鉤高度、主起重機有效高度及限位距離確定鋼絲繩長度，最終采用2根長度為16m的φ82mm鋼絲繩，單根雙股使用，套口連接吊鉤，鋼絲繩另一端通過120t卸扣與主吊耳連接，連接完成后，檢查鋼絲繩與吊耳間距，應保證翻轉過程中吊索具不與吊耳板碰撞，主吊索具掛設完成后需記錄吊索具質量。

溜尾吊索采用2根長度為13.8m的φ72mm鋼絲繩，連接時，鋼絲繩下端兜吊于管軸式溜尾吊耳上，上端與起重機吊鉤連接。吊索連接完成后，檢查其與塔頂附管本體、保溫層等的位置關系。

4.2 塔頂附管檢查與試吊

吊裝開始前，對塔頂附管進行檢查，確保塔頂附管上無未固定物。

塔頂附管正式吊裝前應進行試吊，試吊是檢驗吊索具、吊耳和起重機性能等的關鍵環節。須解決試吊檢查存在的問題，確認安全后進行正式吊裝。

試吊工作應在各項準備工作完成后進行，主起重機、溜尾起重機先緩慢提升，使吊索伸直，檢查吊索連接是否合適。連接情況正常后，再繼續緩慢提升，使吊索受力，檢查各吊索受力是否均勻。待2臺起重機提升至塔頂附管與地面支撐脫離100～200mm，對吊索及吊耳受力情況、起重機運轉情況、地基沉降情況進行檢查，記錄起重機顯示數據，并核對質量，有區別時需經方案編制審批人員校核確認，正常后進行正式吊裝。

4.3 附塔管線正式吊裝

1)起吊

主起重機作業半徑34.2m，溜尾起重機作業半徑10m，2臺起重機配合將塔頂附管吊離地面支撐，附管在起吊后繞縱軸線自然水平。

2)立直

主起重機和溜尾起重機配合將塔頂附管抬起，主起重機工作半徑由34.2m緩慢變至34m，期間溜尾起重機緩慢沿順時針方向回轉遞送。主起重機工作半徑變至34m后保持不變，并緩慢加載提升，溜尾起重機作業半徑保持為10m，并沿逆時針方向回轉至履帶前進方向，然后帶載行走26.9m，將塔頂附管尾部遞送至溜尾起重機可直接變幅動作范圍內。主起重機繼續起升，溜尾起重機變幅遞送，直至將塔頂附管立直，塔頂附管立直后，直管段自然垂直，下口水平高差<5mm，有利于管線高空對口和焊接作業。

3)就位

塔頂附管立直后，溜尾起重機摘鉤，然后主起重機吊起塔頂附管使其底部距地面400～500mm，試吊2～5min。試吊完成后，主起重機沿逆時針方向緩慢回轉，然后作業半徑變至34m，將塔頂附管吊裝至就位位置正上方。

由于塔頂附管上端接口水平度小，接近自然水平狀態，因此，僅需微調即可實現對口，無須使用手拉葫蘆等輔助機械，降低了高空作業風險，塔頂附管可在0.5d內完成吊裝、對口和焊接。

5 結語

本工程急冷油塔塔頂附管吊裝時采用單主吊耳吊裝工藝，通過對主吊耳、溜尾吊耳進行設計，使起重機將附管吊離地面后，無須借助其他輔助工具，附管繞縱軸線自動處于水平狀態，當2臺起重機配合將附管立直后，附管直管段自然垂直，附管上端接口處于自然水平狀態。所以當附管被吊至塔頂后，無須其他工具輔助，微調后可安全完成塔頂管口與附管上管口對接。采用單主吊耳吊裝工藝后，吊裝、對口、焊接等工序用時約0.5d，節約了成本，提高了效率，達到了降本增效、節能減排、安全高效的目的。