譚 武 楊恩民 孟和蘇樂德

1.巨力索具股份有限公司 河北保定 072550;2.大連益利亞工程機(jī)械有限公司 遼寧大連 116023

1 吊裝系統(tǒng)

筒體吊裝系統(tǒng)專門用于某壓力容器筒體(圖1)的吊裝、就位過(guò)程中連接起重機(jī)吊鉤與筒體本體。筒體吊裝系統(tǒng)包括主吊梁及緊固螺栓、過(guò)渡連桿、吊索具等構(gòu)件(圖2)。以該筒體自身結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),根據(jù)筒體吊裝工藝過(guò)程、吊裝作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況,對(duì)吊裝作業(yè)中本體、主吊梁、過(guò)渡連桿等主要構(gòu)件進(jìn)行受力分析和校核計(jì)算。

2 筒體吊裝系統(tǒng)

圖1 某壓力容器筒體

筒體的吊裝、就位過(guò)程采用主吊車和溜尾吊車協(xié)同完成。主吊車吊點(diǎn)通過(guò)連接桿連接在主吊梁上(圖2)。主吊梁通過(guò)2組7×M140螺栓與筒體上口法蘭面聯(lián)接,螺栓組在主吊梁上的布置見圖3,連接桿結(jié)構(gòu)見圖4。

筒體本體上設(shè)計(jì)有吊耳,吊裝過(guò)程中可作為副吊鉤(溜尾吊車)掛點(diǎn)(圖1)。

圖2 筒體吊裝系統(tǒng)的連接

圖3 主吊梁及連接螺栓

圖4 連接桿

3 主吊梁緊固螺栓計(jì)算

3.1 緊固螺栓聯(lián)接

圖5 緊固螺栓分布圖

根據(jù)筒體設(shè)計(jì)圖,筒體一端有76×M140螺紋孔,主吊梁與筒體聯(lián)接時(shí),借用其中部分螺紋孔,通過(guò)緊固螺栓(雙頭螺柱)與筒體聯(lián)接。為便于計(jì)算分析,將螺栓群分為上部、下部2組,每組7顆,共14顆,如圖5所示。

3.2 螺栓組受力分析

根據(jù)主吊梁的安裝工藝,每顆螺栓上施加T=1800N·m的擰緊力矩。則每顆螺栓上預(yù)緊力為［3］:

式中:

d——緊固螺栓公稱直徑,140mm。

對(duì)筒體吊裝狀態(tài)進(jìn)行受力分析,筒體主要受結(jié)構(gòu)自重G0(含吊裝系統(tǒng))、主吊點(diǎn)力Fzd和溜尾吊點(diǎn)力Flw作用。

圖6 筒體吊裝受力分析

如圖6所示,筒體(含吊具)重心到主吊點(diǎn)水平距離Lzd和筒體重心到溜尾吊點(diǎn)水平距離Llw可根據(jù)作圖放樣求得。對(duì)主吊點(diǎn)力Fzd、溜尾吊點(diǎn)力Flw,根據(jù)受力平衡、力矩平衡有:

因此求得主吊點(diǎn)力:

將主吊點(diǎn)力Fzd向法蘭的法向和切向分解,得到Fzdx和Fzdy,如圖7所示,有:

式中:

θ——筒體水平仰角(圖6)。

假定Fzdy均勻作用在各個(gè)螺栓上,使螺栓受拉;假定筒體水平狀態(tài)時(shí),上部螺栓和下部螺栓到筒體中軸線的距離全部相等(圖7),取值為L(zhǎng)x=2942mm。

基于以上假定,可求得上部單個(gè)螺栓受外力為:

圖7 主吊梁螺栓群受力分析

而下部單個(gè)螺栓受外力為:

因而上部、下部單個(gè)螺栓總拉力Fbs2、Fbx2分別為:

因而上部、下部單個(gè)螺栓殘余預(yù)緊力Fbs1、Fbx1分別為:

根據(jù)螺栓聯(lián)接原理,若殘余預(yù)緊力F1＞0且接合面摩擦系數(shù)μ1＞0,則表示被聯(lián)接件接合面仍有擠壓作用,因而能夠產(chǎn)生摩擦力。因此緊固螺栓法蘭聯(lián)接面總摩擦力［2］為:

式中:

μ——法蘭接合面摩擦系數(shù)。

由于筒體尺寸遠(yuǎn)大于主吊梁結(jié)構(gòu)尺寸,在筒體吊裝過(guò)程中,筒體自重(包括吊裝系統(tǒng))在法蘭面上的分力近似等于主吊點(diǎn)力Fzd在法蘭面切向上的分量Fzdx,吊裝系統(tǒng)只有提供大小相等、方向相反的反力才能使筒體保持靜力平衡。而根據(jù)吊裝系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu),能夠提供的反力分為兩部分,一是緊固螺栓所聯(lián)接的法蘭面產(chǎn)生的總摩擦力fsum,二是主吊梁上的內(nèi)限位圓弧承壓所提供的法蘭切向反力Fhb,因此筒體整體靜力平衡條件為:

因而有:

對(duì)筒體吊裝的整個(gè)過(guò)程,即θ=0～90°范圍內(nèi),分別通過(guò)上式進(jìn)行計(jì)算,可得到最大值出現(xiàn)在筒體仰角θ=0°的狀態(tài),具體計(jì)算結(jié)果詳見表1。

3.3 螺栓強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)筒體吊裝到豎直狀態(tài)(θ=90°)時(shí),緊固螺栓受拉力最大。

表1 緊固螺栓聯(lián)接受力計(jì)算

此時(shí)單顆螺栓受拉力平均值為:

考慮到實(shí)際吊裝過(guò)程中的不利因素,以及主吊梁、筒體局部剛度的影響,多個(gè)緊固螺栓之間可能受力不均衡,對(duì)平均受力Fmax乘以不均衡系數(shù)K=2,則單顆螺栓最大受力為:

此時(shí)螺栓總拉力為［2］:

式中:

K0——螺栓預(yù)緊系數(shù),取K0=1.2;

Kc——螺栓相對(duì)剛度系數(shù),取Kc=0.2。則螺栓拉伸強(qiáng)度為:

式中:

A——螺栓小徑截面積;

d1——螺栓小徑,135.67mm;

［σ］bolt——螺栓許用應(yīng)力,根據(jù)螺栓材質(zhì)求得［σ］bolt=327MPa。

因此,螺栓強(qiáng)度滿足要求。

3.4 小結(jié)

綜上,主吊梁緊固螺栓在筒體豎直狀態(tài)受力最大且僅受拉力,經(jīng)校核,其拉伸強(qiáng)度合格。

由以上計(jì)算可知,主吊梁圓弧限位板必須承受2111.9kN的剪力(方向:在豎直平面內(nèi)垂直于筒體中軸線),才能保證筒體在吊裝過(guò)程中保持靜力平衡,主吊梁與筒體法蘭聯(lián)接面不會(huì)產(chǎn)生滑移,工藝上可通過(guò)調(diào)整主吊梁與筒體聯(lián)接處法蘭止口的間隙實(shí)現(xiàn)。而對(duì)主吊梁圓弧限位板處的強(qiáng)度需要進(jìn)行有限元分析和焊縫校核。

4 有限元分析

4.1 計(jì)算工況及載荷

根據(jù)筒體吊裝就位過(guò)程,以及吊裝系統(tǒng)的受力特點(diǎn),確定以下工況對(duì)主要結(jié)果進(jìn)行有限元分析,見表1。表中工況1、工況2、工況3分別為筒體吊至0°、45°、90°狀態(tài),對(duì)吊裝系統(tǒng)與筒體本體聯(lián)合建模分析;工況4是主吊梁與筒體法蘭聯(lián)接面剪力最大工況,考慮到實(shí)際吊裝過(guò)程可能發(fā)生的狀況,將該剪力全部施加到主吊梁圓弧限位板處,以校核其局部強(qiáng)度情況,該工況僅對(duì)主吊梁主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。

有限元分析中,除構(gòu)件自重外,吊裝過(guò)程中風(fēng)載荷取6級(jí)風(fēng)計(jì)算［1］,風(fēng)向按照對(duì)吊裝系統(tǒng)受力最不利的方向施加。

圖8 有限元模型(工況2)

根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算,工況4中主吊梁與筒體法蘭聯(lián)接面剪力為,以集中力形式,按照相應(yīng)的方向,施加在主吊梁圓弧限位板與筒體內(nèi)表面相接觸處的若干節(jié)點(diǎn)上。

4.2 有限元分析

有限元分析材料屬性設(shè)置見表3。

表3 有限元分析材料屬性設(shè)置

筒體吊裝整體有限元模型見圖8。

4.3 計(jì)算結(jié)果

工況2有限元分析結(jié)果見圖9,工況4有限元分析結(jié)果見圖10。

對(duì)4個(gè)計(jì)算工況的有限元分析結(jié)果進(jìn)行匯總,見表4。由結(jié)果可見,所計(jì)算的4個(gè)工況中,主吊梁、連接桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于許用應(yīng)力,強(qiáng)度合格。

圖9 工況2應(yīng)力云圖

圖10 工況4應(yīng)力云圖

此外,根據(jù)分析結(jié)果,筒體本體及吊耳的強(qiáng)度也滿足吊裝工況強(qiáng)度要求,在此不做贅述。

表4 有限元分析結(jié)果匯總

5 焊縫計(jì)算

5.1 筒體水平狀態(tài)

根據(jù)前文的分析,筒體在水平狀態(tài)起吊時(shí),主吊梁與筒體連接處的圓弧限位板可承受剪力,剪力是最大是筒體處于水平吊裝狀態(tài),此時(shí)剪力值為。據(jù)此校核主吊梁主要焊縫受剪強(qiáng)度。

主吊梁圓弧板抗剪焊縫最小長(zhǎng)度［4］:

式中:

［τ］hf——焊縫許用應(yīng)力;

Lfmin——焊縫最小長(zhǎng)度;

hhf——焊縫高度,根據(jù)具體結(jié)構(gòu),該處焊縫母材厚度50mm,焊縫雙面坡口全熔透對(duì)接焊縫,圓弧板內(nèi)側(cè)25mm角焊縫,外側(cè)焊平。

根據(jù)圓弧限位板具體結(jié)構(gòu),其焊縫長(zhǎng)度總和遠(yuǎn)大于188.5mm,因此主吊梁焊縫抗剪強(qiáng)度滿足要求。

5.2 筒體豎直狀態(tài)

筒體豎直狀態(tài)時(shí),主吊梁主立板與橫板間的焊縫受剪力最大,剪力值取(第3.1節(jié)):

式中:

mtt——筒體質(zhì)量,564.6t;

mzl——主吊梁質(zhì)量,43.5t;

mlg——連接桿質(zhì)量,9.5t。

因此,該處焊縫最小長(zhǎng)度為:

式中:

Lfmin——焊縫最小長(zhǎng)度;

hhf——焊縫高度,根據(jù)具體結(jié)構(gòu),該處焊縫母材厚度90mm、120mm,焊縫為雙面20mm坡口外加25mm角焊縫。

根據(jù)主吊梁具體結(jié)構(gòu),焊縫長(zhǎng)度總和遠(yuǎn)大于486.1mm,因此主吊梁焊縫抗剪強(qiáng)度滿足要求。

6 結(jié)論

綜上,對(duì)某壓力容器吊裝系統(tǒng)進(jìn)行了受力分析,對(duì)主要螺栓聯(lián)接、焊縫連接進(jìn)行校核計(jì)算,選擇必要的計(jì)算工況對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析,吊裝系統(tǒng)各構(gòu)件強(qiáng)度合格。目前,該吊裝系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某壓力容器的吊裝施工(圖11),通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了吊裝系統(tǒng)理論計(jì)算正確性。

圖11 某壓力容器筒體吊裝現(xiàn)場(chǎng)