中化二建集團(tuán)有限公司 山西太原 030021
隨著我國煉油、石油化工、煤化工等行業(yè)的快速發(fā)展,設(shè)備的生產(chǎn)能力和制造規(guī)模不斷擴(kuò)大。為縮短設(shè)備安裝周期,減少人員高空作業(yè),大型設(shè)備多采用整體吊裝方式。為確保吊裝安全,需要在實(shí)施吊裝前制定完備的吊裝方案,包括起重吊裝工藝和吊裝索具的設(shè)計(jì)。
本施工技術(shù)主要涉及吊裝索具設(shè)計(jì)中的設(shè)備提升吊蓋和溜尾支撐梁的設(shè)計(jì)改裝應(yīng)用,該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在洛陽宏興項(xiàng)目150萬t/a加氫裂化裝置加氫精制反應(yīng)器吊裝項(xiàng)目中成功實(shí)施。加氫裂化裝置反應(yīng)器是該項(xiàng)目建設(shè)中單體體積最大、重量最重的設(shè)備,設(shè)備直徑3.6m、高約35m、凈重680t,主吊車采用1250t履帶吊車,溜尾450t履帶吊車,是加氫裂化裝置生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵設(shè)備。
由于反應(yīng)器壁厚度大(最小厚度達(dá)到215mm),質(zhì)量也較大,而且是經(jīng)過焊后整體處理,不允許在殼體上焊接吊裝用管軸式吊耳。因此專門設(shè)計(jì)了一個(gè)與設(shè)備頂部法蘭相匹配的盲法蘭式提升蓋作為此類設(shè)備的吊裝主吊點(diǎn)。提升吊蓋主要由法蘭盲板和吊耳組成,法蘭盲板與設(shè)備頂部法蘭相匹配,且用雙頭螺柱與設(shè)備進(jìn)行連接固定,吊耳為連接吊裝鋼絲繩等索具的承重結(jié)構(gòu)。該技術(shù)通過CAD圖紙?jiān)O(shè)計(jì)優(yōu)化,利用解析計(jì)算分析吊蓋受力強(qiáng)度,再利用solidworks對危險(xiǎn)部位進(jìn)行有限元分析的方法,可得到吊蓋應(yīng)力的分布情況,從而保證吊裝安全順利實(shí)施。
根據(jù)溜尾受力設(shè)計(jì)成的一對焊接在裙座處的管軸式吊耳,為了改善設(shè)備的受力狀態(tài)以及保持被吊設(shè)備的平衡、縮短吊裝鋼絲繩的高度,避免吊裝繩索受設(shè)備影響、平衡各吊點(diǎn)的受力,在溜尾處設(shè)計(jì)支撐梁作為吊裝索具。根據(jù)設(shè)備溜尾受力為400t和尾部裙座直徑,利用現(xiàn)場的現(xiàn)有材料選取兩根規(guī)格:Φ273×20mm,長度為4300mm的鋼管制作成支撐梁,設(shè)計(jì)原理與吊蓋設(shè)計(jì)相近,通過solidworks軟件建立模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(1)根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙以及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行索具的選型,利用solidworks軟件對設(shè)備頂部法蘭進(jìn)行強(qiáng)度分析,確保使用提升吊蓋吊裝設(shè)備滿足強(qiáng)度要求;
(2)利用計(jì)算機(jī)畫圖軟件CAD和solidworks分別進(jìn)行索具的平面圖設(shè)計(jì)和三維圖形建模;
(3)待設(shè)計(jì)建模完成后,結(jié)合solidworks有限元分析功能和傳統(tǒng)的計(jì)算校核方法對索具進(jìn)行強(qiáng)度校核,并且通過分析結(jié)果對薄弱部位進(jìn)行加固或增加支撐,不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,最終確定設(shè)計(jì)方案;
(4)待設(shè)計(jì)方案確定后,委托施工現(xiàn)場設(shè)備制造廠進(jìn)行索具的焊接制作;
(5)索具制作完成后運(yùn)至現(xiàn)場,主吊車和溜尾吊車就位,利用輔助吊車進(jìn)行索具吊蓋以及支撐梁的連接安裝;
(6)索具完成后,進(jìn)行設(shè)備試吊,確認(rèn)符合吊裝安全要求后,開始正式吊裝作業(yè);
(7)吊裝完成后對設(shè)備進(jìn)行摘鉤,吊車撤場,完成吊裝。
2.2.1 提升吊蓋的設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙以及吊蓋設(shè)計(jì)手冊進(jìn)行選型,通過CAD軟件畫出吊耳的設(shè)計(jì)平面圖;然后利用solid works軟件建立模型,根據(jù)圖紙中給定的設(shè)備材質(zhì),對模型進(jìn)行材料定義,從而畫出三維實(shí)體模型;再通過不斷的優(yōu)化分析制作成實(shí)際吊蓋索具。詳見圖1和圖2。
2.2.2 吊蓋強(qiáng)度校核
對于吊蓋而言,其薄弱點(diǎn)在兩個(gè)吊耳板上。吊裝過程中設(shè)備從呈臥態(tài)到豎直狀態(tài)時(shí),吊蓋耳板受力情況要進(jìn)行兩個(gè)極限狀態(tài)的分析。
2.2.2.1 設(shè)備呈臥態(tài)時(shí)
設(shè)備呈臥態(tài)時(shí)吊蓋受力情況如圖3和圖4所示。
圖1 提升吊蓋CAD及銷軸設(shè)計(jì)圖
圖2 提升吊蓋設(shè)計(jì)模型圖
圖3 設(shè)備臥態(tài)時(shí)吊蓋受力示意圖
圖4 設(shè)備呈臥態(tài)時(shí)吊蓋受力方向及整體受力示意圖
(1) 設(shè)備呈臥態(tài)時(shí)提升吊蓋受力FH計(jì)算公式見式(1)和(2)。
式中:l1——主吊點(diǎn)到設(shè)備重心的距離,12249.43mm;
l2——溜尾吊點(diǎn)到設(shè)備重心的距離,15791.88mm。
則得:
因此,吊蓋受力最大為FHMax=FH?k=4049kN×1.21=4899.29kN。
(2) C-C 截面彎曲應(yīng)力(σc)計(jì)算方式如下:
根據(jù)第三強(qiáng)度理論,C-C截面應(yīng)力
可見,C-C截面強(qiáng)度滿足吊裝需求。
(3) 截面 A-A 的彎曲應(yīng)力(σA)計(jì)算公式如下:
可見,A-A截面強(qiáng)度滿足吊裝需求。
2.2.2.2 設(shè)備呈立態(tài)時(shí)
設(shè)備呈立態(tài)時(shí)吊蓋受力情況如圖5所示。
圖5 設(shè)備豎直狀態(tài)時(shí)吊蓋受力示意圖
(1) 截面 B-B 拉應(yīng)力
(2) 截面 A-A 剪切應(yīng)力
(3) 截面 C-C 焊縫拉應(yīng)力
因此,吊蓋剪切強(qiáng)度滿足吊裝需求。
2.2.2.3 連接螺栓預(yù)緊力
提升蓋與設(shè)備頂部法蘭之間的連接螺栓預(yù)緊力需要進(jìn)行計(jì)算,每個(gè)螺栓的預(yù)緊力(F)可按公式(3)計(jì)算。
式中:F預(yù)緊——每根螺栓的預(yù)緊力,N;
FH——設(shè)備抬頭時(shí)作用于設(shè)備頂部的提升力,N;
n——螺栓數(shù)目;
f——提升蓋法蘭盲板與設(shè)備法蘭間的滑動(dòng)摩擦系數(shù),一般取0.3。
連接螺栓的預(yù)緊應(yīng)采用分級、對稱擰緊的方式進(jìn)行。預(yù)緊力矩(M)可按公式(4)計(jì)算。
式中:M預(yù)緊——每根螺栓的預(yù)緊力矩,N?mm;
F預(yù)緊——每根螺栓的預(yù)緊力,N;
Kt——預(yù)緊力矩系數(shù),取0.25;
dm——緊固螺栓的最小直徑,mm。
2.2.2.4 銷軸強(qiáng)度校核
銷軸受力情況如下圖6所示,當(dāng)設(shè)備處于豎直狀態(tài)并離地時(shí)銷軸受力最大,按此時(shí)狀態(tài)校核銷軸強(qiáng)度。
圖6 設(shè)備豎直狀態(tài)時(shí)銷軸受力示意圖
銷軸所受剪切力
銷軸材質(zhì)為35CrMo,查GB3077-2015得到材料屈服強(qiáng)度為835MPa。
[σ軸] = 835MPa>σ軸= 123.14MPa
綜上所述,吊蓋整體滿足吊裝過程中設(shè)備各個(gè)狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度需求。
2.2.3 支撐梁的設(shè)計(jì)
支撐梁根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙和支撐梁設(shè)計(jì)手冊設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)原理同提升吊蓋,通過建立模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),見圖7。
圖7 支撐梁設(shè)計(jì)圖
2.2.4 支撐梁校核
2.2.4.1 支撐梁受力分析
平衡梁在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下的受力示意圖見圖8。此時(shí),
平衡梁處于動(dòng)態(tài)平衡中,豎直方向力相等,
即,:F1×sin15° +F4×sin15°+G=F2×sin74°+F3×sin74°
又, F2=F3
所以,得:F2=F3=23.7kN
圖8 支撐梁受力分析圖
2.2.4.2 剛度校核
由《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P521式4-1-30,剛度條件為λ≤[λ]。
式中:L = 4300mm;
對于Φ273×20鋼管,
因此,r= (I/A)1/2=89.7mm
查《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P545表4-1-40,取μ=1;
查《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P522表4-1-16,取[λ]=150;
所以得到,λ=1×4300/89.7=47.94 ≤[λ]
可見,支撐梁剛度滿足要求。
2.2.4.3 強(qiáng)度校核
由《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P521式4-1-30,剛度條件為:
式中:F =Gtan30o/4=(6.8×106×tan30o)/4
故,σ=61.71MPa
鋼管材料為Q235,σ=61.71MPa≤[σ]=235 MPa
可見,支撐梁強(qiáng)度滿足要求。
2.2.4.4 穩(wěn)定性校核
由《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P523式4-1-36,穩(wěn)定性條件為:
由《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》P523表4-1-17,取ψ=0.847
所以,σ=72.86MPa≤[σ]
可見,支撐梁穩(wěn)定性滿足要求。
2.2.4.5 支撐梁吊耳校核
支撐梁吊耳示意圖見圖9。
圖9 支撐梁吊耳示意圖
吊耳材質(zhì)為Q235,σs=235MPa。
安全系數(shù)為1.6。
[σ]=σs/1.6=146.7MPa
[τ]=81MPa(取 0.55[σ])
(1)吊耳截面拉伸應(yīng)力(σ)計(jì)算式見公式(7)。
吊耳拉伸載荷F2=23.7kN
Fv=F2=23.7kN
A=(150-60)×20=1800mm2
故,σ=F2/A=23.7×103/1800=13.2MPa≤[σ]=147MPa
(2)支撐梁吊耳孔擠壓強(qiáng)度計(jì)算式見公式(8)。
式中:T=F2=23.7kN
d——吊耳孔直徑,60mm;
t1——吊耳板厚度,20mm。
故,σr=19.8MPa≤[σ]=125MPa
可見,支撐梁強(qiáng)度滿足要求。
(3)支撐梁吊耳截面剪切應(yīng)力計(jì)算式見公式(9)。
式中:Fv=F2=23.7kN
可見,支撐梁的強(qiáng)度滿足要求。
通過以上分析計(jì)算證實(shí),該平衡梁能夠滿足要求。
利用solidworks軟件建立模型進(jìn)行受力分析,如圖10和圖11所示。單元總數(shù)為19073,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為31069,通過分析結(jié)果對薄弱部位進(jìn)行加固或增加支撐,優(yōu)化吊蓋的設(shè)計(jì)。
圖10 吊蓋的實(shí)體網(wǎng)格劃分圖
圖11 吊蓋有限元分析圖
從應(yīng)力分布圖可以看出,最薄弱處為頂部吊耳剪切面,其最大值為223.6MPa,而吊蓋材質(zhì)Q345允許最大應(yīng)力345MPa,因此滿足安全需求。吊蓋整體最大變形量為0.5306mm,在允許變形范圍內(nèi)。
通過計(jì)算和有限元分析,最終確定吊蓋設(shè)計(jì)方案并制作成實(shí)體吊蓋,利用雙頭螺柱與設(shè)備頂部法蘭進(jìn)行連接,并且通過銷軸與φ234mm鋼絲繩圈索具進(jìn)行連接,詳見圖12和圖13。
圖12 吊蓋和支撐梁實(shí)體圖
主吊、溜尾索具安裝完成后,認(rèn)真檢查各方面機(jī)具設(shè)備及人員是否全部就位;確認(rèn)無誤后,開始試吊作業(yè);設(shè)備試吊前,各崗位起重機(jī)司機(jī)、指揮人員及觀察人員全部到位,兩臺吊車同時(shí)起鉤,使設(shè)備離開運(yùn)輸鞍座300mm;然后靜置1h后,經(jīng)由業(yè)主、監(jiān)理、安全人員及專業(yè)工程師檢查鎖具、吊車站位地基、吊車狀態(tài)確認(rèn)符合吊裝安全要求后,方可開始正式吊裝作業(yè);待設(shè)備豎直時(shí),拆除溜尾索具撤出溜尾吊車,由1250t履帶吊車主吊就位?,F(xiàn)場施工圖見圖14—16。
圖13 索具與設(shè)備連接圖
圖14 設(shè)備試吊圖
圖15 設(shè)備提升圖
本施工技術(shù)適用于提升吊蓋作為頂部中心設(shè)有大接管法蘭類設(shè)備吊裝的主吊耳;適用于同裝置內(nèi)同類超重型設(shè)備的吊裝,避免同類型設(shè)備每臺都進(jìn)行單獨(dú)的吊耳設(shè)計(jì);適用于壁厚大、質(zhì)量較大,而且都經(jīng)過焊后整體處理,不允許在殼體上焊接吊裝用吊耳的設(shè)備,如反應(yīng)器、熱高壓分離器、冷低壓分離器等。
圖16 設(shè)備就位圖
本施工技術(shù)通過對設(shè)備吊裝索具的設(shè)計(jì)與改裝,從而達(dá)到節(jié)約施工成本的目的,主要是自主對提升吊蓋的設(shè)計(jì)改造,并將設(shè)計(jì)完成的吊蓋委托現(xiàn)場設(shè)備制造廠家進(jìn)行制作。制作成本費(fèi)和設(shè)計(jì)費(fèi)總計(jì)12萬元,而如果直接購買此類型吊蓋的費(fèi)用高達(dá)25萬元,從而節(jié)約成本13萬;支撐梁利用現(xiàn)場的材料進(jìn)行制作,避免了直接從廠家購買的費(fèi)用約8萬元;主吊鋼絲繩利用本單位自有的鋼絲繩圈即可滿足吊裝,節(jié)約了購買鋼絲繩的費(fèi)用5萬元;吊蓋設(shè)計(jì)成通過銷軸與鋼絲繩連接的形式,節(jié)約了再次購買卡環(huán)等形式連接索具的費(fèi)用3萬元。總之,通過設(shè)計(jì)與改裝,本項(xiàng)目的吊裝索具節(jié)約成本總共達(dá)到了29萬元,實(shí)現(xiàn)了較大的經(jīng)濟(jì)效益。
該項(xiàng)施工技術(shù)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)今主流計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合,保證了設(shè)備吊裝過程的安全性和施工效率,施工過程安全高效,方便快捷。同時(shí),減少了施工周期,降低了施工人員的高空作業(yè)以及勞動(dòng)強(qiáng)度,提高自有機(jī)索具使用率,降低機(jī)索具的采購成本,施工過程做到了能源節(jié)約、安全環(huán)保。