肖 滌 劉利強(qiáng) 呂 濤 莊君麗 王研陶

(1.北京燕化正邦設(shè)備檢修有限公司；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；3.北京石油化工學(xué)院機(jī)械學(xué)院)

隨著石油石化裝備的國際化發(fā)展，設(shè)備的大型化是我國面臨的重要課題，施工過程中的吊裝是必須要解決的關(guān)鍵問題之一。吊裝直接影響著設(shè)備的設(shè)計與制造，目前我國對中小型設(shè)備的吊裝施工流程和操作方法都有嚴(yán)格的規(guī)范，但大型設(shè)備的吊裝施工流程和操作方法極不規(guī)范，大多依據(jù)工程經(jīng)驗，而美國及挪威等發(fā)達(dá)國家都擁有豐富的大型設(shè)備吊裝經(jīng)驗和工程規(guī)范[1～3]。筆者針對大型塔設(shè)備的吊裝過程，分析了吊裝過程對不同形式的補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，為大型塔設(shè)備吊裝提供合理方案。

1 吊裝過程簡介

大型塔設(shè)備安裝過程中，在吊車吊裝能力滿足和吊裝環(huán)境適宜的條件下，采取整體吊裝方法。整體吊裝高空作業(yè)風(fēng)險小，焊接質(zhì)量能得到保證，且施工時間大幅度縮短，因此大型塔設(shè)備都優(yōu)先選取整體吊裝方法。在吊裝時，采用主、輔兩臺吊車整體滑移吊裝的方法，主要分為起吊狀態(tài)、45°狀態(tài)和直立狀態(tài)3個步驟(圖1)。主、輔吊點都采用套扎型管軸式吊耳，每側(cè)有4股鋼絲繩系掛，上部采用無彎矩支撐梁，避免鋼絲繩在夾角處受力，從而影響設(shè)備垂直度(圖2)。吊車站位和行走路線的地基處理是實現(xiàn)大型設(shè)備吊裝的關(guān)鍵，因此在施工前要對主吊站位和輔吊行走路面做地基處理，以滿足各吊車的地基承載力。

圖1 雙吊車滑移法吊裝示意圖

圖2 主吊車鋼絲繩綁扎示意圖

通過吊裝過程可知，在塔體起吊和塔體直立狀態(tài)下對吊耳強(qiáng)度要求較高。在起吊狀態(tài)，塔體中部撓度能達(dá)到要求的情況下，直立狀態(tài)下管軸式吊耳能否滿足強(qiáng)度要求是必須要分析的問題。直立狀態(tài)下，頂部吊耳的補(bǔ)強(qiáng)圈形式對吊裝強(qiáng)度影響較大，筆者在完成起吊狀態(tài)下的撓度計算后，分析了頂部吊耳的3種形式的補(bǔ)強(qiáng)圈對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

2 大型萃取精餾塔基本參數(shù)及建模

大型萃取精餾塔是北京燕山石化公司的重點安裝工程，其基本參數(shù)如下：

塔體材料 Q345R

公稱直徑 4 600mm

筒體壁厚 20mm

塔體總高 76 720mm

塔體總重 260t

在建模過程中需要考慮封頭處的開孔，忽略筒體上的接管孔，同時在距頂部3.2m處和裙座底端分別設(shè)置兩個管軸式吊耳。建立大型精餾塔有限元模型，采用六面體單元C3D8I，劃分網(wǎng)格(圖3)。保證節(jié)點對應(yīng)，塔體的中心軸為z軸。將底部吊耳和頂部吊耳的x和y方向固定，整個過程中施加重力[4,5]。

圖3 大型萃取精餾塔有限元模型及網(wǎng)格劃分

3 撓度及筒體應(yīng)力計算

3.1 水平狀態(tài)下

水平狀態(tài)下塔體中部的撓度分布如圖4a所示，從圖4a可以看出：塔體中部的撓度最大，且最大值小于60mm。筒體應(yīng)力分布如圖4b所示，從圖4b可以看出：筒體最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔體中部，且最大值小于50MPa。因此，水平起吊時塔身滿足強(qiáng)度要求。

圖4 撓度及筒體應(yīng)力分布云圖

3.2 直立狀態(tài)下

直立狀態(tài)下，對頂部吊耳的補(bǔ)強(qiáng)圈建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖5)。頂部吊耳的補(bǔ)強(qiáng)圈有3種形式：補(bǔ)強(qiáng)圈不開孔(圖5a)；補(bǔ)強(qiáng)圈開6個φ90mm的孔，孔周內(nèi)側(cè)采用角焊縫(圖5b)；補(bǔ)強(qiáng)圈開8個φ25mm的孔，孔周全部塞焊(圖5c)。

圖5 頂部吊耳補(bǔ)強(qiáng)圈有限元模型及網(wǎng)格劃分

直立狀態(tài)下的強(qiáng)度計算結(jié)果如圖6所示，從圖6可以看出：吊耳的最大應(yīng)力分別為375.0、335.3、319.6MPa；筒體的最大應(yīng)力分別為65.9、49.2、44.6 MPa。

圖6 直立狀態(tài)下3種補(bǔ)強(qiáng)圈對吊耳和筒體應(yīng)力的影響

因此，可得出以下結(jié)論：無論哪種形式的補(bǔ)強(qiáng)圈，頂部吊耳與鋼絲繩接觸位置的最大應(yīng)力均超過了材料許用應(yīng)力(185MPa)，需對其進(jìn)行加強(qiáng)；與吊耳接觸的筒體的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)圈形式對筒體最大應(yīng)力的影響很小，補(bǔ)強(qiáng)圈形式三優(yōu)于其他兩種；直立狀態(tài)下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫與筒體相連區(qū)域，且最大應(yīng)力值小于50MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，垂直起吊時塔體安全。

采用形式三的補(bǔ)強(qiáng)圈時，在補(bǔ)強(qiáng)圈中間位置設(shè)置8個φ25mm的塞焊孔，并用塞焊釘將其堆滿。直立狀態(tài)下焊縫與塞焊釘?shù)膽?yīng)力分布如圖7所示，從圖7可以看出：塞焊釘最大應(yīng)力出現(xiàn)在楔釘與筒體相連區(qū)域，且最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。但在計算時，筆者并未考慮焊接質(zhì)量對應(yīng)力分析的影響，因此需在施工過程中保證楔釘?shù)暮附淤|(zhì)量。

圖7 直立狀態(tài)下焊縫和塞焊釘應(yīng)力分布

4 結(jié)束語

通過在補(bǔ)強(qiáng)圈中間位置設(shè)置8個φ25mm的塞焊孔，并用塞焊釘將其堆滿，改善補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體的接觸，滿足吊裝強(qiáng)度要求，為大型塔設(shè)備吊裝提供了合理方案。但開孔過大會導(dǎo)致焊接質(zhì)量難以保證，并破壞了補(bǔ)強(qiáng)圈的整體性，從而導(dǎo)致吊裝強(qiáng)度下降。

[1] 唐世振，劉建軍，謝偉，等.海洋工程建造吊裝計算優(yōu)化分析[J].科技與企業(yè)，2014，(6): 324.

[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] 金濤，趙中軍，童水光. 焦炭塔吊裝有限元校核計算[J].石油化工設(shè)備，2000，29(5): 21～23.

[4] 李濤. 大型設(shè)備吊裝的筒體應(yīng)力計算[J].石油和化工設(shè)備，2014，(2): 20～23.

[5] 謝剛. 塔式容器用軸式吊耳的設(shè)計[J]. 化工設(shè)備與管道，2012，49(2): 18～20.