高 龍 張秋翔 李雙喜 蔡紀寧

(北京化工大學機電工程學院)

石油石化裝備大型化能有效提高生產(chǎn)效率，但加大了施工過程中的風險，由于設(shè)備高徑比很大，若采取分段吊裝不但增加了工作量，而且分段吊裝時組對焊接質(zhì)量、施工人員安全均存在較大隱患，因此對于此類設(shè)備盡量采取整體吊裝，即在地面將各種附件焊接完成后進行吊裝，在整體吊裝前需要校核強度[1～4]。由于汽提塔設(shè)備超高、超長、超重，為避免高空作業(yè)過多，施工量過大，在現(xiàn)場條件允許、保證正常吊裝的情況下將塔體上的扶梯、平臺、欄桿、附塔管線以及照明等進行提前預制安裝，筆者采用有限元的方法，將塔附件質(zhì)量均勻分配在塔體上，進行強度校核，提出該塔的吊裝方案。

1 起吊工藝及汽提塔基本參數(shù)

汽提塔頂部帶有一個人孔，考慮在該人孔的對稱位置安裝一軸式吊耳，通過軸式吊耳與人孔的配合進行整體吊裝，為了方便，在底部直接采用鋼絲繩進行捆綁式吊裝[5]。施工過程中盡量使補強圈與筒體的接觸面積加大，在開孔及軸式吊耳補強圈處開設(shè)塞焊孔，將塞焊孔內(nèi)部堆滿焊料[6]。整體吊裝是通過前后兩個吊車配合使用完成的。要求在主吊站位及輔吊行走路面作地基處理，以滿足各吊車的地基承載力。

汽提塔基本參數(shù)：公稱直徑4 600mm/2 800mm，筒體厚度16mm，裙座壁厚20mm，筒體材料為Q345R,塔高68 814mm，重265t，吊耳管軸材料為Q235,管軸壁厚20mm。汽提塔及吊耳塞焊孔尺寸如圖1所示。

圖1 汽提塔及吊耳塞焊孔尺寸圖

2 有限元模型建立及網(wǎng)格的劃分

采用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh對汽提塔進行有限元網(wǎng)格劃分，需要注意的是補強圈與筒體連接處、塔體變徑處、塞焊孔處和塔體鋼絲繩吊裝位置網(wǎng)格應(yīng)盡量細化，并且全部采用C3D8I單元類型，共234 885個單元，391 993個節(jié)點，節(jié)點全部一一對應(yīng)，為了保證計算的準確性，在關(guān)鍵位置網(wǎng)格劃分時單元尺寸與實際尺寸誤差盡量小。

2.1水平狀態(tài)下的應(yīng)力計算結(jié)果

2.1.1塔體中部撓度

水平狀態(tài)下塔體中部撓度如圖2所示，可以看出塔體中部的撓度最大(小于61mm)。

圖2 水平起吊塔體撓度分布云圖

2.1.2塔身

水平狀態(tài)下變徑處應(yīng)力云圖如圖3所示，整個變徑處最大應(yīng)力值為192MPa，大于材料許用應(yīng)力值180MPa，因此需要對變徑處進行加強，如設(shè)置加強筋和在變徑處設(shè)置加強圈。

圖3 水平起吊塔身應(yīng)力分布云圖

2.1.3其他部位

通過圖4a看出，頂部軸式吊耳最大應(yīng)力均出現(xiàn)在吊耳與鋼絲繩接觸的地方，超過了材料許用應(yīng)力，而與頂部吊耳相連的封頭應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，這說明水平起吊時需要對吊耳管軸加強，可考慮加大壁厚，多加支撐等方式，但整個塔體能夠滿足強度要求。圖4b表明底端在水平起吊時是安全的，最大應(yīng)力出現(xiàn)鋼絲繩與底端相連接區(qū)域，且應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，說明底端安全。圖4c表明在計算質(zhì)量為265t時，在水平起吊時最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂部吊耳補強圈焊縫與筒體相連接區(qū)域，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足強度要求，但計算模型是在全焊透的情況下計算得到的，因此建議進行全焊透，并保證焊接質(zhì)量。

圖4 其他部位應(yīng)力云圖

2.2垂直狀態(tài)下的應(yīng)力計算結(jié)果

2.2.1塔體頂部吊耳及相鄰部位

由圖5a得到的計算結(jié)果表明，垂直起吊時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂部吊耳與鋼絲繩連接的位置，頂部吊耳根部應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，在整個起吊過程中吊耳根部滿足強度要求。圖5b表明垂直起吊時頂部吊耳、補強圈與筒體之間焊縫最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，滿足吊裝要求。圖5c表明頂部吊耳與鋼絲繩接觸的位置最大應(yīng)力超過了材料許用應(yīng)力，必須對吊耳筒體進行加強。

圖5 吊耳及相鄰部位應(yīng)力云圖

2.2.2塔身、楔釘和塔體下垂量

由圖6可以看出，垂直起吊時塔身最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，垂直起吊塔體安全。圖7表明，垂直起吊時楔釘最大應(yīng)力出現(xiàn)在楔釘與筒體相連區(qū)域，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足強度要求，計算時并未考慮焊接質(zhì)量帶來的影響，因此仍需要在施工過程中保證楔釘?shù)暮附淤|(zhì)量。塔體起吊時下垂量分布云圖如圖8所示，在垂直起吊時整個塔身有小于10mm的下垂量，表明此時塔體安全。

圖6 封頭及部分筒體應(yīng)力分布云圖

圖7 楔釘應(yīng)力分布云圖

圖8 塔體下垂量分布云圖

3 結(jié)論

3.1該施工方案中變徑處應(yīng)力過大，需對變徑處進行加強，可以考慮設(shè)置加強筋、加設(shè)補強圈等方法。

3.2計算過程中將焊縫簡化為全焊透，這會造成計算結(jié)果比實際吊裝過程產(chǎn)生應(yīng)力略小，因此建議采取全焊透。

3.3鋼絲繩與吊耳管軸接觸位置應(yīng)力大于材料許用應(yīng)力，需對頂部吊耳與底部吊耳進行加固處理，如加大吊耳管軸的壁厚以及設(shè)置加強筋等。

3.4在計算過程中未考慮吊耳內(nèi)部加強筋和筒體加強圈的作用。

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