中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司河南洛陽471023

目前國(guó)內(nèi)石油煉化一體化項(xiàng)目規(guī)模宏大，化工設(shè)備超大型化設(shè)計(jì)、整體安裝趨勢(shì)明顯。重要設(shè)備高、大、重、薄等特征突出，設(shè)備整體吊裝具有工藝技術(shù)新、操作要求精、安裝難度大、安全要求高等特點(diǎn)。吊裝吊耳的設(shè)置和塔體局部應(yīng)力問題直接關(guān)系到大型設(shè)備吊裝安全，故在吊耳設(shè)計(jì)和塔體局部力校核環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)“本質(zhì)安全”尤為重要。 TSG21、GB/T 150、NB/T 47041 均規(guī)定，在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，載荷加載中要考慮運(yùn)輸或吊裝的作用力，即在保證吊耳自身強(qiáng)度和設(shè)備連接強(qiáng)度的前提下，被吊設(shè)備局部穩(wěn)定性仍需滿足要求。在超大型設(shè)備的吊裝實(shí)踐中，主吊耳承載能級(jí)均超出現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范的可選用范圍，故此項(xiàng)工作多由吊裝單位和設(shè)計(jì)單位結(jié)合完成。吊裝單位根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)備圖樣和平面布置圖等技術(shù)文件，提出設(shè)備吊裝總體方案和吊耳設(shè)計(jì)圖樣，并計(jì)算校核相關(guān)應(yīng)力是否滿足要求；設(shè)計(jì)單位確認(rèn)吊耳方位、標(biāo)高等技術(shù)參數(shù)，并復(fù)核設(shè)備局部應(yīng)力和設(shè)備整體穩(wěn)定性。

恒力石化（大連）煉化有限公司2000萬t/a煉化一體化項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱大連恒力石化煉化一體化項(xiàng)目）二甲苯吊裝的吊耳設(shè)計(jì)和相關(guān)應(yīng)力計(jì)算，分別應(yīng)用HG/T 20582 、SW6、Pvdesktop、ANSYS 等方法進(jìn)行分析比較，并在吊裝作業(yè)中對(duì)設(shè)備吊耳處塔體局部應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。下文就具體設(shè)計(jì)和驗(yàn)證對(duì)比工作展開論述。

1 概況

大連恒力石化煉化一體化項(xiàng)目大型設(shè)備中1#二甲苯塔為最高、最重設(shè)備。此設(shè)備整體到貨、整體吊裝，吊裝質(zhì)量為2638t?；镜跹b參數(shù)及簡(jiǎn)圖分別見表1和圖1。

圖1 1#二甲苯塔相關(guān)參數(shù)簡(jiǎn)圖

2 主吊耳選型設(shè)計(jì)及塔體局部穩(wěn)定性校核

2.1 主吊耳選型設(shè)計(jì)

此設(shè)備吊裝的主吊耳承載力需求超出國(guó)家現(xiàn)行相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選用范圍，故根據(jù)實(shí)際吊裝受力情況自行設(shè)計(jì)管軸式吊耳并校核。

根據(jù)設(shè)備本體材質(zhì)、外形尺寸等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合總體吊裝方案需要，并充分考慮主吊具連接件的受力、選材、制造及組裝的適配性需求，再參照HG/T 2574對(duì)管軸式吊耳進(jìn)行強(qiáng)度校核，并根據(jù)HG/T 20582對(duì)設(shè)備本體局部應(yīng)力進(jìn)行校核，在所有條件滿足條件下，優(yōu)化設(shè)計(jì)吊耳結(jié)構(gòu)。主吊耳設(shè)計(jì)及受力簡(jiǎn)圖分別見圖2和圖3。

圖2 主吊耳結(jié)構(gòu)圖

圖3 主吊耳受力示意圖

根據(jù)規(guī)范相應(yīng)算例及公式和吊耳不同工況下的受力值，分別計(jì)算主吊耳的豎向載荷、橫向載荷、徑向彎矩、吊耳最大彎曲應(yīng)力、吊耳拉應(yīng)力、組合應(yīng)力等，確保主吊耳能夠滿足強(qiáng)度要求。

2.2 應(yīng)用HG/T 20582 校核塔體局部應(yīng)力

2.2.1 主吊耳及吊耳處塔壁受力分析

（1）在設(shè)備始吊狀態(tài)下，主吊耳處塔壁組合應(yīng)力為吊耳處塔壁受周向力（Vc）、周向力矩（Mc）和吊具偏角引發(fā)的徑向力（P），同時(shí)為安全考慮在將打破水平的臨界狀態(tài)下，吊耳與吊具摩擦力引發(fā)的對(duì)塔壁的扭矩（MT）的綜合作用。

（2）在設(shè)備就位狀態(tài)下，主吊耳處塔壁組合應(yīng)力為吊耳處塔壁受軸向力（VL）、軸向的外力矩（ML）和吊具偏角引發(fā)的徑向力P，同時(shí)為安全考慮在臨界垂直的狀態(tài)下，吊耳與吊具摩擦力引發(fā)的對(duì)塔壁的扭矩MT的綜合作用。

詳見表2和圖4。

表2 吊裝過程中吊耳處塔壁受力情況

圖4 吊耳處塔壁應(yīng)力示意圖

2.2.2 各狀態(tài)下主吊耳根部和主吊耳加強(qiáng)圈外緣塔體穩(wěn)定校核

（1）根據(jù)吊裝受力分析和設(shè)備、吊耳基本數(shù)值，確定各狀態(tài)下主吊耳根部及加強(qiáng)圈外緣處各關(guān)鍵參數(shù)具體數(shù)值，見表3和表4。

（2）確定應(yīng)力系數(shù)，根據(jù)β和γ數(shù)值，通過查圖，確定各應(yīng)力系數(shù)。

（3）計(jì)算各狀態(tài)下吊耳根部及加強(qiáng)圈外緣塔壁局部應(yīng)力。將主吊耳所受的各載荷、主吊耳與設(shè)備塔壁的相關(guān)參數(shù)、應(yīng)力系數(shù)、計(jì)算公式編制并輸入excel表中進(jìn)行計(jì)算。

（4）計(jì)算應(yīng)力總值，計(jì)算出不同狀態(tài)下各點(diǎn)應(yīng)力后，根據(jù)各類應(yīng)力的校核條件逐點(diǎn)將各項(xiàng)應(yīng)力進(jìn)行疊加而求得軸向正應(yīng)力（σx）、周向正應(yīng)力（σφ）和剪切應(yīng)力（1），然后按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算，取最大值作為復(fù)合應(yīng)力的當(dāng)量強(qiáng)度（σ）。

表3 始吊狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)表

表4 就位狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)表

2.2.3 各狀態(tài)下主吊耳根部和加強(qiáng)圈外緣塔體穩(wěn)定校核

3 應(yīng)用SW6對(duì)塔體局部應(yīng)力復(fù)驗(yàn)

應(yīng)用SW6-2011 V3.0對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。該軟件通過了全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的評(píng)審，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。

根據(jù)二甲苯塔不同作業(yè)狀態(tài)下的技術(shù)參數(shù)，應(yīng)用局部應(yīng)力計(jì)算的相應(yīng)界面，分別復(fù)驗(yàn)其在始吊和就位狀態(tài)下的設(shè)備局部穩(wěn)定性。算例截圖及計(jì)算結(jié)果見圖5和表6。

4 應(yīng)用PV Desktop對(duì)塔體局部應(yīng)力復(fù)驗(yàn)

圖5 吊耳處塔壁應(yīng)力計(jì)算圖

根據(jù)規(guī)范計(jì)算和判定依據(jù)進(jìn)行對(duì)照，二甲苯塔吊耳根部及加強(qiáng)圈外緣處塔體局部應(yīng)力如表5。

表5 各狀態(tài)下局部應(yīng)力

表6 各狀態(tài)下局部應(yīng)力計(jì)算書

同時(shí)，應(yīng)用PVDesktop對(duì)塔體局部應(yīng)力復(fù)驗(yàn)，詳見圖6和圖7。該軟件也通過了全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的評(píng)審，在石化系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。

5 應(yīng)用ANSYS對(duì)塔體局部應(yīng)力復(fù)核

應(yīng)用ANSYS R15.0自帶參數(shù)化APDL語言實(shí)現(xiàn)二甲苯塔的有限元模型建立、網(wǎng)格劃分、載荷施加、計(jì)算結(jié)果分析和提取等。

5.1 整體建模

根據(jù)二甲苯塔圖紙和吊耳設(shè)計(jì)圖以及吊裝受力計(jì)算，進(jìn)行相關(guān)質(zhì)量參數(shù)輸入，建立仿真分析模型。詳見圖8。

5.2 網(wǎng)格劃分

由于設(shè)備尺寸過大，整體采用較細(xì)網(wǎng)格尺寸計(jì)算量過大。因此，對(duì)主吊耳及主吊耳根部、抬尾吊耳及抬尾吊耳根部，進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，其余部分采用自有網(wǎng)格劃分。詳見圖9和圖10。

圖6 外載荷對(duì)圓筒引起的局部應(yīng)力計(jì)算圖

圖7 外載荷對(duì)圓筒引起的局部應(yīng)力計(jì)算書

5.3 邊界條件及載荷施加

對(duì)吊裝過程中的始吊和就位狀態(tài)進(jìn)行約束模擬。詳見圖11。

（1） 始吊狀態(tài)：約束主吊耳管臂及抬尾吊耳軸孔的位移，對(duì)設(shè)備施加垂直于設(shè)備本體軸線的豎直向下的重力加速度及相關(guān)位置載荷。

（2） 就位狀態(tài)：約束主吊耳管臂的位移，對(duì)設(shè)備本體軸施加線豎直向下的重力加速度及相關(guān)位置載荷。

5.4 有限元仿真分析

5.4.1 始吊狀態(tài)

在始吊狀態(tài)下，管軸吊耳處綜合應(yīng)力最大值為312.312 MPa，整體綜合位移最大值為40.034mm。詳見圖12和圖13。

5.4.2 就位狀態(tài)

在就位狀態(tài)下，管軸吊耳處綜合應(yīng)力最大值為386.023MPa，整體綜合位移最大值為26.368mm。詳見圖14。

6 局部應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

圖8 二甲苯塔本體建模圖

圖9 二甲苯塔局部網(wǎng)格細(xì)化位置及整體效果圖

圖10 主吊及抬尾吊耳局部網(wǎng)格細(xì)化效果圖

委托具有相應(yīng)資質(zhì)的特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院在兩主吊耳根部及吊耳補(bǔ)強(qiáng)圈外緣典型位置對(duì)稱設(shè)置40組光纖BA-OFS30型應(yīng)變計(jì)，應(yīng)用FT210-16H型便攜式光纖傳感分析儀，在吊裝過程中對(duì)主吊耳根部及吊耳補(bǔ)強(qiáng)圈范圍內(nèi)局部應(yīng)力的分布及應(yīng)變情況進(jìn)行全檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集分析，并與設(shè)備在始吊和就位狀態(tài)的典型工況下，主吊耳塔壁處局部應(yīng)力的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。詳見圖15和表7。

由以上測(cè)試結(jié)果可知，典型位置的應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)整體均小于理論計(jì)算值。觀測(cè)點(diǎn)受力變化趨勢(shì)和理論計(jì)算的變化趨勢(shì)相同，理論計(jì)算值與測(cè)試結(jié)果在一個(gè)量級(jí)。

圖11 邊界條件及載荷施加效果圖

圖12 整體綜合應(yīng)力分布及整體位移圖

圖13 吊耳位置綜合應(yīng)力分布圖

圖14 整體及管軸吊耳綜合應(yīng)力分布圖

圖15 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試位置布置圖

表7 典型工況測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)束語

對(duì)比應(yīng)變應(yīng)力實(shí)測(cè) ，HG/T20582、SW6、PVDesktop和ANSYS均能安全科學(xué)解決超大型塔器主吊耳處塔體局部應(yīng)力計(jì)算問題。HG/T20582、SW6、PVDesktop均能“宏觀”分析判定塔體局部穩(wěn)定性，而ANSYS更能“微觀”定點(diǎn)分析塔體“薄弱節(jié)點(diǎn)”應(yīng)力分布。HG/T20582易為現(xiàn)場(chǎng)吊裝工程技術(shù)人員掌握，而SW6和PVDesktop多在設(shè)計(jì)院應(yīng)用，需和現(xiàn)場(chǎng)吊裝工程技術(shù)人員緊密結(jié)合進(jìn)行分析。目前ANSYS多被高校和科研機(jī)構(gòu)掌握，而隨著GB/T33582的發(fā)布，相信ANSYS仿真分析技術(shù)在應(yīng)用前景廣闊的石油化工吊裝工程領(lǐng)域會(huì)得到科學(xué)規(guī)范、快速熟練地推廣和實(shí)施。