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        大型萃取精餾塔吊裝強(qiáng)度研究

        2014-05-29 00:50:36劉利強(qiáng)肖云峰張志蓮
        化工機(jī)械 2014年2期
        關(guān)鍵詞:軸式塔體吊耳

        劉利強(qiáng) 呂 濤 肖云峰 張志蓮

        (1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械學(xué)院)

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步,石油化工作為我國的支柱產(chǎn)業(yè),其設(shè)備正朝著大型化、高效化、特種化、國際化的方向發(fā)展,設(shè)備大型化的同時(shí)也帶來了一系列的安裝問題,其中吊裝是一個(gè)很重要的問題,吊裝水平直接影響著工程進(jìn)度[1~3]。從設(shè)備整體吊裝和分段吊裝的安全、工期、費(fèi)用、質(zhì)量以及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行對(duì)比,考慮安全、經(jīng)濟(jì)等方面的因素,采用設(shè)備整體吊裝工藝要優(yōu)于分段吊裝空中組對(duì)工藝。整體吊裝與分段吊裝使用吊車的類型相同,只是配重、索具大一些。采用分段吊裝的施工工期長,大型吊車使用時(shí)間長,安裝費(fèi)用高?,F(xiàn)階段我國石油化工設(shè)備在高50m左右就采用分段吊裝工藝,較少采用整體吊裝,而歐美一些國家基本都采用整體吊裝。

        北京燕山石化公司20萬t/a混合C4制MTBE項(xiàng)目中,有一座78m高的萃取精餾塔,施工方提出整體吊裝方案,筆者將利用有限元方法對(duì)萃取精餾塔整體吊裝進(jìn)行強(qiáng)度校核,驗(yàn)證整體吊裝方案的可行性,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果,提出優(yōu)化方案。

        1 整體吊裝工藝簡介及載荷分析

        1.1 整體吊裝工藝簡介

        萃取精餾塔筒體公稱直徑4 600/2 600mm,筒體厚度20mm,筒體材料為Q345R,塔高為78 165mm,重190t,吊耳管軸材料為Q235,管軸壁厚20mm。由于設(shè)備超重、超長和超高,給制造安裝增加了難度。為順利完成塔設(shè)備的安裝,制造方提出通過在距離塔體頂端2 000mm處設(shè)置軸式吊耳,在塔體底端設(shè)置尾部吊耳完成吊裝。根據(jù)設(shè)備計(jì)算重量和現(xiàn)場環(huán)境情況,選用SCC6300型履帶式起重機(jī)-HDB工況吊裝形式。萃取精餾塔采用主、輔兩臺(tái)吊車整體吊裝[4],主吊車采用SCC6300型履帶吊車,輔助吊車選用SCC2500C型履帶吊車,吊鉤下部裝有起重桅桿[5],吊耳承受向上的拉力。使用250t履帶吊車前期配合現(xiàn)場組焊,設(shè)備吊裝時(shí)做輔吊溜尾,具體使用形式如圖1所示。

        圖1 雙吊車吊裝示意圖

        1.2 載荷分析

        針對(duì)整體吊裝,制造方提出的吊耳安裝位置,需要進(jìn)行水平、豎直狀態(tài)下的強(qiáng)度校核[6],具體是:水平狀態(tài)時(shí),在距離塔體頂端2 000mm處設(shè)置軸式吊耳,在塔體底端設(shè)置尾部吊耳是否合理;頂部吊耳處的補(bǔ)強(qiáng)圈和焊縫強(qiáng)度能否達(dá)到要求;如果吊耳安裝的位置不合理,提出合理方案,并進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度分析。

        2 有限元模型

        2.1 模型建立及有限元網(wǎng)格的劃分

        考慮到塔高和塔徑,忽略筒體上的接管和開孔,同時(shí)也忽略塔器內(nèi)件,以y軸為對(duì)稱軸,但需要考慮塔體上附件的質(zhì)量。塔體部分全部采用六面體單元,在吊耳與塔體連接部位,由于焊縫區(qū)的應(yīng)力集中需將該區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化,并且保證筒體與頂部吊耳節(jié)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)。全部模型共建立281 694個(gè)單元,305 520個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖2)。

        圖2 有限元網(wǎng)格

        2.2 施加載荷及邊界條件

        分別計(jì)算在塔體處于水平和豎直兩種情況下的應(yīng)力分布,水平狀態(tài)下將兩端的吊耳底部施加x、z方向的約束,約束面積大約與鋼絲繩和管軸接觸區(qū)域相當(dāng);筒體中心底端靠近地面一側(cè)將y軸固定,施加重力作用;豎直狀態(tài)下將上部吊耳底端兩側(cè)施加y、z兩個(gè)方向的約束,約束面積同樣是與鋼絲繩和管軸接觸區(qū)域相當(dāng),筒體頂端封頭中心處施加x、z方向約束,施加重力。此處需要注意的是由于補(bǔ)強(qiáng)圈、吊耳和筒體三者是通過焊縫相連的,補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體之間并不是真實(shí)的相連區(qū)域,因此需要將補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體之間的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分離,并將補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體之間定義為接觸。

        2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

        水平狀態(tài)時(shí),最大應(yīng)力出現(xiàn)在底部吊耳處(圖3),此時(shí)的最大應(yīng)力已經(jīng)超過1 000MPa,遠(yuǎn)大于材料的許用應(yīng)力185MPa,底部吊耳不能夠滿足強(qiáng)度要求,需要對(duì)底部吊耳優(yōu)化;頂部軸式吊耳與筒體相連的焊縫處應(yīng)力小于160MPa,軸式吊耳在水平起吊時(shí)能夠滿足強(qiáng)度要求。

        圖3 原始方案水平狀態(tài)應(yīng)力分布

        3 方案優(yōu)化及分析

        通過上述計(jì)算結(jié)果顯示,將底部吊耳優(yōu)化為軸式吊耳,對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力和變形分析,有限元網(wǎng)格依然全部采用六面體網(wǎng)格,載荷、施加邊界與上述一致。

        計(jì)算結(jié)果顯示,在水平狀態(tài)時(shí)塔身中部最大撓度不超過50mm,塔體安全;塔身中部最大的應(yīng)力不超過50MPa,塔體也同樣安全;最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳根部,吊耳根部的應(yīng)力不會(huì)超過180MPa,水平起吊時(shí),吊耳根部安全。水平狀態(tài)下無吊耳和有吊耳時(shí)塔體應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

        a.無吊耳

        b.有吊耳

        頂部吊耳受力最大,根部應(yīng)力不超過160MPa小于Q345R的許用應(yīng)力185MPa,在整個(gè)起吊過程中安全;最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳與鋼絲繩接觸的區(qū)域,此時(shí)的最大應(yīng)力超過200MPa大于Q235R的許用應(yīng)力160MPa,需要加大管軸的壁厚;同時(shí)在豎直狀態(tài)時(shí),塔體裙座會(huì)有4mm的下垂。豎直狀態(tài)下頂部吊耳時(shí)應(yīng)力與變形云圖如圖5所示。

        圖5 豎直狀態(tài)下頂部吊耳時(shí)應(yīng)力與變形云圖

        4 結(jié)論

        4.1根據(jù)施工方提出的方案,在距離塔體頂部2 000mm設(shè)置軸式吊耳,能夠滿足強(qiáng)度要求;底部安裝尾式吊耳,不能夠滿足強(qiáng)度要求。

        4.2將尾部吊耳結(jié)構(gòu)更改為軸式吊耳,計(jì)算結(jié)果顯示,水平起吊時(shí)塔體安全,垂直狀態(tài)時(shí)塔體同樣安全。

        4.3由于建模時(shí)忽略了吊耳的內(nèi)筋板,導(dǎo)致軸式吊耳管軸處應(yīng)力過大,可以考慮加大吊耳管軸壁厚。

        [1] 關(guān)則新.國內(nèi)外大型石油化工設(shè)備吊裝技術(shù)及裝備的比較和分析[J].石油工程建設(shè),2012,36(4):51~55.

        [2] 王欣,高順德.大型吊裝技術(shù)與吊裝用起重設(shè)備發(fā)展趨勢[J].石油化工建設(shè),2005,27(1):58~62.

        [3] 黃成云,朱冠旻,殷傳儀.特高壓黃河大跨越鐵塔塔頭吊裝[J].電力建設(shè),2008,29(5):20~23.

        [4] 孫愛萍,嚴(yán)永江,耿驚濤,等.大型設(shè)備吊裝方案優(yōu)化[J].石油化工設(shè)備,2010,29(3):155~157.

        [5] 華玉潔.起重機(jī)械與吊裝[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

        [6] 金濤,趙中軍,童水光.焦炭塔吊裝有限元校核計(jì)算[J].石油化工設(shè)備,2000,29(5):21~22.

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