■張來(lái)民 陜西化建工程有限責(zé)任公司陜西西安712100

塔器吊裝安全性校核及加固措施

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塔器在化工、石油化工裝置中是生產(chǎn)裝置的重要工藝設(shè)備，對(duì)建設(shè)項(xiàng)目有重要的意義。文章就設(shè)備整體強(qiáng)度及受壓處局部穩(wěn)定性、吊點(diǎn)處穩(wěn)定性、府座處的校核進(jìn)行了分析和探討。

塔器吊裝安全性加固措施

1 前言

在化工、石油化工裝置中，塔器等靜止設(shè)備占相當(dāng)大的比例，它們是生產(chǎn)裝置的重要工藝設(shè)備。因此保證吊裝過(guò)程中這些設(shè)備的安全，對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的按期竣工、順利投產(chǎn)具有十分重要的意義。

吊裝過(guò)程中，設(shè)備要承受其自重、吊裝工具施加于其上的力，且由此在設(shè)備的一些部位（如吊點(diǎn)處、支座等）會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，其可能會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生變形、失穩(wěn)等不同形式的破壞，而影響工程進(jìn)展、造成損失。為了確保設(shè)備在安裝過(guò)程的安全，國(guó)外設(shè)備（特別是大型設(shè)備）設(shè)計(jì)時(shí)就對(duì)此應(yīng)力進(jìn)行核算，并設(shè)計(jì)了吊裝所需的吊點(diǎn)位置及相應(yīng)的吊耳、支座鉸鏈等。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼制壓力容器》（GB150）中雖然在“總論”中提及設(shè)計(jì)時(shí)需考慮容器在運(yùn)輸或吊裝時(shí)承受的作用力，但在《鋼制塔式容器》——JB/T4710中沒(méi)有具體的計(jì)算模型及計(jì)算規(guī)定——“塔式容器需設(shè)置吊耳時(shí)，吊耳的結(jié)構(gòu)、位置、及數(shù)量應(yīng)按吊裝方式及塔式容器的質(zhì)量確定且應(yīng)考慮殼體的局部應(yīng)力”。受設(shè)計(jì)、制造合同內(nèi)容的影響及設(shè)計(jì)、制造與安裝銜接制約，國(guó)內(nèi)塔器實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)下的各種受力及應(yīng)力校核，很少設(shè)計(jì)吊耳并計(jì)算。所以，在吊裝作業(yè)前，除設(shè)計(jì)安全的工機(jī)具外，為了確保設(shè)備自身的安全和吊裝作業(yè)的安全，核算吊裝過(guò)程中塔器的應(yīng)力是非常必要的。

另一方面，吊裝規(guī)范及相關(guān)的工具書，雖然對(duì)此問(wèn)題也有要求、提及，但缺少系統(tǒng)、全面、具體具有指導(dǎo)意義的描述。以往，這項(xiàng)工作是憑經(jīng)驗(yàn)，很不準(zhǔn)確也不安全，常有設(shè)備變形或失穩(wěn)等形式的破壞現(xiàn)象發(fā)生，或者要經(jīng)過(guò)大量繁雜的計(jì)算。為了便于同仁的工作，筆者就此問(wèn)題談點(diǎn)個(gè)人見解。

因臥置設(shè)備安裝時(shí)，人們很容易按照設(shè)備工作狀態(tài)的受力方式去吊裝它，所以一般他們不必驗(yàn)算。而直立塔、器則一般由臥置初始狀態(tài)安裝到直立狀態(tài)。所以，直立設(shè)備在吊裝開始時(shí)的整體強(qiáng)度、壓應(yīng)力處的局部穩(wěn)定性，吊點(diǎn)處的穩(wěn)定性及底座的校核則是安裝工作中經(jīng)常碰到的問(wèn)題。當(dāng)然，為了確保設(shè)備的安全，不僅如此，還有確保內(nèi)襯不破壞等問(wèn)題，因此，下面我們就設(shè)備整體強(qiáng)度及受壓處局部穩(wěn)定性、吊點(diǎn)處穩(wěn)定性、底座處的校核三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析、探討。

2 設(shè)備整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性

2.1 強(qiáng)度和穩(wěn)定性的校核

2.1.1 應(yīng)力分析

顯見，直立設(shè)備在安裝過(guò)程其整體最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力發(fā)生在設(shè)備起始吊裝的臥置狀態(tài)，見圖1。這時(shí)，其應(yīng)力按式（1）計(jì)算：

式中，Mmax—設(shè)備所受的最大彎矩，N-mm

W—設(shè)備橫截面的抗彎截面模量，mm3（此式中為等截面的W）

2.1.2 應(yīng)力校核

①整體強(qiáng)度校核（拉應(yīng)力），按式（2）校核

②穩(wěn)定性校核（壓應(yīng)力）：

a、《鋼制壓力容器》（GB150）規(guī)定：

許用軸向壓應(yīng)力（無(wú)加強(qiáng)圈）：

取兩者中的較小值。

B值按下列步驟求?。?/p>

先求系數(shù)A：

式中，R＝圓筒內(nèi)半徑，mm

δ＝圓筒的有效厚度，mm

然后據(jù)材料查外壓圓筒和球殼厚度計(jì)算圖。若A值落在設(shè)計(jì)溫度下（安裝時(shí)為常溫）材料線的右方，則按圖查取B值；若系數(shù)A落在設(shè)計(jì)溫度下材料線的左方，則按下式計(jì)算B值：

式中，E—設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量，MPa。碳鋼在常溫下的E＝2×105MPa

有加強(qiáng)圈時(shí)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算后，仍按上述步驟求取B。

b、而參考資料1則按下列公式求取許用壓應(yīng)力（單位換算后的公式）：

式中，δ、R意義單位同上；

δy=

（在圓周方面的殼體當(dāng)量厚度），mm；

δx=（在縱向的殼體當(dāng)量厚度），mm；

此處Ay—一個(gè)周向加強(qiáng)圈的橫截面積，mm2；

dy—周向加強(qiáng)圈的間距，mm；

Ax—一個(gè)縱向加強(qiáng)圈的橫截面積，mm2；

dx—縱向加強(qiáng)圈的間距，mm；

若無(wú)加強(qiáng)件時(shí)，δx、δy＝δ。

c、比較上述兩種許用壓應(yīng)力的獲取過(guò)程及結(jié)果，可得結(jié)論：

前者誤差大，后者比前者簡(jiǎn)便，且能滿足工程實(shí)際安全的需要，但偏于安全。如一Q235材料的設(shè)備，厚度與內(nèi)徑之比為0.01時(shí)（工程最常出現(xiàn)的情況）：

按前者，據(jù)圖2及上述方法的得：[σ]cr=107Mpa

[σ]cr=78.33MPa

因此設(shè)備壓應(yīng)力的校核應(yīng)采用既合理又便于實(shí)際計(jì)算的公式（3）中進(jìn)行：

式（3）中σomax—設(shè)備所需的最大壓力應(yīng)力，Mpa；其余同前。

2.2 應(yīng)力校核不安全時(shí)的措施

當(dāng)應(yīng)力校核不安全時(shí)，可采用以下措施后再進(jìn)行校核，直到安全為止。

由以上應(yīng)力計(jì)算及應(yīng)力校核公式（1）、(2)、(3)。容易看出，可以通過(guò)某些方法來(lái)減小Mmax或增加最大彎矩截面處的抗彎模量，進(jìn)而降低最大應(yīng)力，還可對(duì)設(shè)備進(jìn)行加固而提高設(shè)備的許用應(yīng)力，進(jìn)而保證設(shè)備吊裝時(shí)的安全。

2.2.1 選擇合適的吊點(diǎn)位置

(1)對(duì)于等截面勻質(zhì)設(shè)備，使用單吊點(diǎn)時(shí)，吊點(diǎn)的合理位置：

如前述，設(shè)備最大應(yīng)力發(fā)生在吊裝起始的臥置狀態(tài)，這時(shí)設(shè)備相當(dāng)于一端懸臂的簡(jiǎn)支梁，其分析模型見圖3（a）。根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)我們很容易地畫出設(shè)備的彎矩圖見圖3（b）。

為了便于選擇合理的吊點(diǎn)，下面分析一下設(shè)備的彎矩圖，首先，建立圖3（a）所示坐標(biāo)系，得如下彎矩方程：

為了使Mmax最小，│M1│max=M2max

簡(jiǎn)化、解方程│M1│max=M2max得：L=2.62a就是吊點(diǎn)位置于距設(shè)備頂部的距離為設(shè)備總長(zhǎng)的0.276倍，設(shè)備的最大彎矩最小或最大應(yīng)力最小，有利于設(shè)備的安全。

選擇合適的吊點(diǎn)位置，是最大應(yīng)力發(fā)生在有加固件的截面，從而降低設(shè)備的最大應(yīng)力。

(2)多吊點(diǎn)吊裝：

據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，容易知道，增加簡(jiǎn)支梁的支點(diǎn)時(shí)可大大降低底梁的最大彎矩。使用該措施時(shí)，注意各吊點(diǎn)要保證同時(shí)受力，否則一些吊點(diǎn)則不起作用而發(fā)生事故。

(3)對(duì)最大應(yīng)力（彎矩）處進(jìn)行加固：

當(dāng)使用上述兩種方法均難以湊效或其難以實(shí)現(xiàn)，而加固容易進(jìn)行時(shí)，可采用此方法。此方法的的通常做法是，在設(shè)備內(nèi)做加固圈（支撐圈）或在設(shè)備外部加固一構(gòu)件。

3 吊裝點(diǎn)處的核算及加固

在目前的安裝施工中，最常用的吊點(diǎn)形式有管軸式吊耳和綁扎式兩種型式，下面分別來(lái)進(jìn)行分析。

3.1 管軸式吊耳

3.1.1 吊點(diǎn)對(duì)設(shè)備的應(yīng)力及校核

吊點(diǎn)作用在設(shè)備上的局部應(yīng)力需用線載荷來(lái)表示，而線載荷的大小由載荷和載荷線來(lái)確定。吊耳與設(shè)備直接連接的有效焊縫均作為載荷線考慮。當(dāng)兩平行焊縫相距不超20mm，應(yīng)看作一條載荷線。

(1)線載荷的計(jì)算：

塔、器設(shè)備吊裝時(shí)，吊點(diǎn)通過(guò)吊耳作用于設(shè)備壁上的力及力矩在器壁上產(chǎn)生線載荷。在計(jì)算線載荷前，需要計(jì)算出載荷線及其有關(guān)的力學(xué)參數(shù)。

一般管軸式吊耳結(jié)構(gòu)見圖四（a），其載荷線見圖4（b）有L1、L2、L3、L4四條。

a、求載荷線束對(duì)吊耳中心水平軸線的慣性矩：

式中，J1、J2、J3、J4為載荷線L1、L2、L3、L4對(duì)水平軸線的慣性矩。

r1—吊耳加固板的外徑，mm，一般r1=1.5r2；

r2—吊耳外徑，mm；

r3—吊耳內(nèi)徑，mm。

b、求載荷線的長(zhǎng)度：

L=2π(r1+r2)+2r3mm

式中除L外，其余符號(hào)含義同前。

c、求線載荷值：

先據(jù)吊裝重量等條件求出圖四（a）所示的PB、PA、ML,然后求下列線載荷：

(2)吊點(diǎn)處的應(yīng)力核算：

按下式計(jì)算：

式中，σat—器壁生根部位應(yīng)力，Mpa；

f—線載荷值，N/mm；

其余同前。

3.1.2 應(yīng)力校核不安全時(shí)的措施：

當(dāng)?shù)醵鷮?duì)設(shè)備施加的壓應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力時(shí)，根據(jù)公式（4）可采取以下措施來(lái)降低局部應(yīng)力。

①增大吊耳數(shù)量以降低吊耳的載荷，從而降低局部應(yīng)力。②增大吊耳尺寸，以增加載荷線的長(zhǎng)度和慣性矩，或采用卡箍式吊點(diǎn)（此法特別適合于需加墊或不銹鋼設(shè)備）降低應(yīng)力。

③在吊耳處加固設(shè)備或?qū)⒌醵糜谟屑庸碳牟课?，以增加設(shè)備的當(dāng)量厚度而降低應(yīng)力。

3.2 綁扎式吊點(diǎn)：

在設(shè)備綁繩處，除了承受軸向壓應(yīng)力及彎曲應(yīng)力外，設(shè)備還承受綁繩作用在其周圍的徑向壓力，此壓力使塔體綁繩處一圈產(chǎn)生很大的周向應(yīng)力。在此徑向壓力超過(guò)臨界壓力時(shí)，殼體即會(huì)喪失穩(wěn)定而破壞。因此，必須核算殼體的穩(wěn)定性，必要時(shí)還應(yīng)采取措施加固殼體。

3.2.1 殼體的穩(wěn)定性校核

將用支撐加強(qiáng)的設(shè)備部分，看作截面積不變的其兩端用鉸鏈連接的拱見圖5，此時(shí)殼體的單位長(zhǎng)度上臨界壓力按下式計(jì)算：

K—系數(shù)，當(dāng)無(wú)支撐時(shí)，K=3；有支撐時(shí)，按表1選取。

計(jì)算時(shí)，應(yīng)計(jì)算加強(qiáng)截面及殼體截面二者復(fù)合截面的慣性矩。其殼體截面的寬度b應(yīng)等于綁繩的壓擠面寬加上8δ（殼體

式中，R、E同前；

J—塔壁上圈截面的慣性矩（mm4），厚度）。一般吊裝時(shí)，綁繩處都應(yīng)加墊有木塊，此時(shí)，b可考慮按木塊的長(zhǎng)度計(jì)算。

表1 系數(shù)K的取值表

由于綁繩的拉力P（即為起吊滑車組所受的拉力）作用在單位長(zhǎng)度塔壁弧線上的有效載荷可近式按下式計(jì)算：

3.2.2 保證殼體穩(wěn)定性的措施

由公式（5）可以很容易地看出，通過(guò)下述措施增加K值和塔壁的慣性矩以提高臨界拉力，可以保證綁扎處的安全。

（1）塔內(nèi)加支撐或加固圈，增加K值或提高J；

（2）塔外加墊板或加加固圈；

（3）將綁扎吊點(diǎn)置于有加固件（如塔盤等）的地方。

4 設(shè)備支座（尾部）的應(yīng)力核算及加固

4.1 應(yīng)力核算

設(shè)備開始吊裝離開水平位置后，設(shè)備底座和排子上鞍座從理論上講為兩點(diǎn)接觸，這時(shí)底座環(huán)的彎矩見圖6：

MB1=MB2=Mmax=-0.086RBr（N·mm）

式中，r—近似取裙座筒體中心半徑，mm；

RB—設(shè)備底座處的支反力，N;

強(qiáng)度條件為：

式中，W—底座處的抗彎截面積模量，mm3；其余符號(hào)意義、單位同前?？箯澞Ａ縒按圖7計(jì)算。

4.2 加固措施

由以上強(qiáng)度條件可知，當(dāng)?shù)鬃h(huán)強(qiáng)度不能滿足時(shí)，可在裙座筒體設(shè)加固圈或在最大彎矩處（鞍座頂端與底座環(huán)板的接觸點(diǎn)）設(shè)立支撐。然而，往往底座環(huán)板與鞍座接觸點(diǎn)的擠壓強(qiáng)度不能滿足，這時(shí)可以通過(guò)加在底座環(huán)處的加固梁設(shè)置底座鉸鏈來(lái)解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

5.1 在設(shè)備安裝過(guò)程中，校核因吊裝而產(chǎn)生的設(shè)備應(yīng)力是非常必要的工作，也是設(shè)備吊裝方案設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

5.2 通過(guò)公式（2）、（3）、（4）、（5）、（6）分別對(duì)設(shè)備整體、吊點(diǎn)處、底座處的應(yīng)力校核和采取以下措施可以保證吊裝過(guò)程設(shè)備的安全。

(1)選擇、設(shè)計(jì)合適的吊點(diǎn)位置、吊點(diǎn)數(shù)量和吊點(diǎn)形式、結(jié)構(gòu)、尺寸。

(2)在設(shè)備的最大應(yīng)力處設(shè)置加固圈或支撐，或通過(guò)改變吊點(diǎn)的位置而使最大應(yīng)力發(fā)生在有加固件（塔盤、抗風(fēng)圈）處。

(3)設(shè)置底座回轉(zhuǎn)鉸鏈，從而改變?cè)O(shè)備底座在吊裝過(guò)程中的受力以保證吊裝過(guò)程的安全。

以上是對(duì)保證設(shè)備吊裝過(guò)程安全探討。由于資料、知識(shí)水平有限，不妥之處在所難免，望各位同仁、專家批評(píng)、指正。

參考資料

1《化工容器設(shè)計(jì)》.[美]L.E勃朗奈爾、E.H楊著.璩定一、謝瑞授譯.上海科學(xué)出版社.

2《靜置設(shè)備吊點(diǎn)對(duì)器壁局部應(yīng)力的核算》.胡家新.

3《石油化工吊裝工作手冊(cè)》石化部第三石化建設(shè)公司編.石油化學(xué)工業(yè)出版社.

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1672-9323（2010）05-0066-04

2010-07-20）