厲曉英，閆龍龍

（1.山東豪邁化工技術(shù)有限公司，山東青島 266031；2.環(huán)球石墨烯（青島）有限公司，山東青島 266111）

塔類設(shè)備一般頂部設(shè)置兩個(gè)吊耳，頂部為軸耳或側(cè)壁板式吊耳，尾部設(shè)置溜尾吊耳，在吊裝時(shí)，兩種吊耳配合使用。吊耳本身的安全與否，直接關(guān)系到吊裝過程能否順利進(jìn)行，因此，在整個(gè)吊裝過程中，對(duì)塔類設(shè)備的吊耳進(jìn)行受力分析和校核是必不可少的。

塔類等大型直立設(shè)備的吊裝方法，常見的有以下幾種[1]：

（1）利用一臺(tái)吊機(jī)主吊，另一臺(tái)吊機(jī)在設(shè)備尾部溜尾；

（2）利用一臺(tái)吊機(jī)主吊，尾部設(shè)置滾排滑移；

（3）利用兩臺(tái)吊機(jī)在主吊耳位置一起抬吊，尾部設(shè)備滾排滑移。

雙機(jī)配合主吊溜尾吊裝法是一種經(jīng)常采用且十分重要的吊裝方法，通過主吊機(jī)的提升、溜尾吊機(jī)抬尾推送的過程，將設(shè)備翻轉(zhuǎn)直立后，主吊機(jī)單獨(dú)安裝就位。

吊裝過程主要分為三個(gè)階段：第一是水平起吊位置，第二是從水平位置到脫鉤位置，第三是豎直吊裝位置。本文對(duì)整個(gè)過程中上部吊耳和尾部吊耳進(jìn)行了受力分析，總結(jié)了吊耳的受力變化規(guī)律，并舉例說明了校核過程，為塔設(shè)備吊耳的設(shè)計(jì)計(jì)算和安全吊裝提供參考。

1 吊裝過程受力分析

圖1是一臺(tái)塔式容器，其下端設(shè)置一個(gè)尾部吊耳，上部設(shè)置兩個(gè)軸式吊耳或側(cè)壁板式吊耳（圖1為側(cè)壁板式吊耳）。在吊裝過程中，從設(shè)備水平到設(shè)備豎直過程，對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行受力分析。

根據(jù)塔體受力平衡及力矩平衡，可以得到式（1）和式（2）：

計(jì)算得到：

圖1 塔設(shè)備吊耳受力示意Fig.1 Force schematic diagram of tower vessel lifting lugs

對(duì)于尾部吊耳來說，

式中LL——上部吊耳沿豎直方向的受力；

LH——上部吊耳沿設(shè)備軸線方向的受力；

LV——上部吊耳垂直于設(shè)備軸線方向的受力；

TL——尾部吊耳沿豎直方向的受力；

TH——尾部吊耳沿設(shè)備軸線方向的受力；

TV——尾部吊耳垂直于設(shè)備軸線方向的受力；

G——塔設(shè)備的重量；

X——尾部吊耳到重心的距離；

Y——上部吊耳到重心的距離；

θ——起吊角度。

由計(jì)算過程可知，LL和TL的大小與起吊角度θ有關(guān)，由式（6）可知，在水平到豎直的過程中，即θ從0°到90°，tanθ不斷增大，即TL不斷減小，由于TL+LL=G，則LL在不斷增大。也就是說，在實(shí)際設(shè)備起吊的過程中，在水平起吊位置，溜尾吊耳的受力最大，溜尾吊車的受力也最大，在接近垂直位置時(shí)，溜尾吊耳和溜尾吊車的承載力接近零，而上部吊耳及主吊車的承載力達(dá)到最大。

HG/T 21574—2018《化工設(shè)備吊耳設(shè)計(jì)選用規(guī)范》[2]對(duì)各種形式的吊耳進(jìn)行了描述，并對(duì)各種形式吊耳的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了規(guī)定。此規(guī)范將吊耳簡(jiǎn)化成一個(gè)懸臂梁，采用材料力學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行受力計(jì)算，得到了相應(yīng)的應(yīng)力值和結(jié)果[3]，與許用應(yīng)力相比較，來校核吊耳的安全性。

2 軸耳受力分析

對(duì)軸耳（如圖2所示）來講，在設(shè)備起吊的過程中，軸耳所受的力隨著起吊角度的增大而增大，在設(shè)備接近垂直位置時(shí)達(dá)到最大值。即軸耳最危險(xiǎn)的受力狀態(tài)，發(fā)生在設(shè)備起吊至直立狀態(tài)但尚未就位時(shí)。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的規(guī)定，軸耳的校核包括對(duì)軸耳強(qiáng)度的校核和耳軸與端板連接角焊縫的強(qiáng)度校核。其中，軸耳強(qiáng)度的校核包括兩部分：（1）由橫向載荷引起的吊耳橫向應(yīng)力及豎向載荷引起的彎曲應(yīng)力所組成的組合應(yīng)力；（2）由橫向載荷引起的橫向應(yīng)力、豎向載荷引起的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力組成的組合應(yīng)力。

圖2 軸耳示意圖Fig.2 Schematic diagram of trunnion lug

即：

耳軸與端板連接角焊縫，當(dāng)有墊板時(shí)，校核分為兩部分：（1）橫向載荷引起的拉應(yīng)力和豎向載荷引起的彎曲應(yīng)力組成的組合應(yīng)力；（2）橫向載荷引起的拉應(yīng)力、豎向載荷引起的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力組成的組合應(yīng)力。

即：

軸耳在不同起吊角度所受力的情況不同，因此對(duì)軸耳的校核要考慮設(shè)備從水平到豎直的整個(gè)過程。

軸耳強(qiáng)度校核步驟如下：

（1）根據(jù)第1節(jié)的計(jì)算公式，求得在各個(gè)起吊角度時(shí)單個(gè)吊耳的豎向載荷、橫向載荷?？紤]吊裝綜合影響系數(shù)為1.35，其中包括動(dòng)載荷系數(shù)為1.2，不平衡系數(shù)為1.125[2]。

（2）考慮各個(gè)起吊角度，對(duì)吊耳強(qiáng)度進(jìn)行校核，考慮橫向載荷造成的橫向應(yīng)力，豎向載荷造成的剪應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，求出其組合應(yīng)力，與許用應(yīng)力相比較，組合應(yīng)力小于許用應(yīng)力即校核通過。

墊板與筒節(jié)的連接角焊縫步驟如下：

（1）根據(jù)焊縫的尺寸，計(jì)算得到焊縫的面積和焊縫截面的抗彎截面模量；

（2）計(jì)算在吊裝過程中，各個(gè)角度由豎向載荷引起的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，由橫向載荷引起的拉應(yīng)力，并求得其組合應(yīng)力，若小于許用應(yīng)力，則校核通過。其中，焊縫為角焊縫，需要考慮角焊縫系數(shù) 0.7。

3 側(cè)壁板式吊耳受力分析

側(cè)壁板式吊耳（如圖3所示）的受力變化情況和軸耳相同。

對(duì)于側(cè)壁板式吊耳，主要校核吊孔的擠壓，吊耳頭部強(qiáng)度，吊耳墊板截面強(qiáng)度及吊耳與墊板連接角焊縫的強(qiáng)度。其中，吊孔擠壓的校核和吊耳頭部強(qiáng)度的校核與頂部板式吊耳的校核方法相同。墊板截面包括設(shè)備臥置狀態(tài)和豎直狀態(tài)兩種情況，主要考慮由豎向載荷造成的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力組成的組合應(yīng)力，滿足下列條件即可：

吊耳與墊板連接角焊縫主要校核豎直剪切應(yīng)力和橫向剪切應(yīng)力，使其小于許用切應(yīng)力。

圖3 側(cè)壁板式吊耳示意Fig.3 Schematic diagram of side plate-type lifting lug

在吊裝過程中，側(cè)壁板式吊耳的校核步驟與軸耳類似，如下：

（1）根據(jù)第1節(jié)的計(jì)算公式，求得各個(gè)起吊角度，吊耳所受的豎向載荷和橫向載荷；

（2）校核吊孔的擠壓強(qiáng)度，吊耳頭部強(qiáng)度，吊耳墊板截面強(qiáng)度，使其小于許用應(yīng)力；

吊耳與墊板連接角焊縫的強(qiáng)度校核步驟如下：

（1）根據(jù)焊縫的尺寸，計(jì)算得到焊縫的面積和焊縫截面的抗彎截面模量；

（2）計(jì)算由在吊裝過程中各個(gè)角度豎向載荷造成的豎直剪切應(yīng)力，和橫向載荷造成的橫向剪切應(yīng)力，分別使其小于許用剪應(yīng)力，同樣需要考慮角焊縫系數(shù)0.7。

4 尾部吊耳受力分析

由第1節(jié)的計(jì)算可知，尾部吊耳（如圖4所示）在起吊過程中，水平位置所受拉力最大，到豎直位置受力為0。但是隨著起吊角度增大，尾部吊耳所受的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力會(huì)逐步增加，因此，校核尾部吊耳的強(qiáng)度要考慮整個(gè)起吊過程。

在文獻(xiàn)[2]中規(guī)定尾部吊耳的計(jì)算可按設(shè)備臥置時(shí)的布置形式為Ⅰ型的頂部吊耳校核。和側(cè)壁板式吊耳的校核類似，尾部吊耳主要校核吊孔的擠壓，吊耳頭部強(qiáng)度，吊耳板與墊板或封頭連接角焊縫，在此不做贅述。

圖4 尾部吊耳示意Fig.4 Schematic diagram of tailing lug

在吊裝過程中，尾部吊耳的校核步驟如下：

（1）根據(jù)第1節(jié)的計(jì)算公式，求得單個(gè)吊耳的豎向載荷、橫向載荷，其中考慮動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)為1.35；

（2）校核吊孔的擠壓強(qiáng)度，吊耳頭部強(qiáng)度，頭部主要校核剪切和拉伸，與許用應(yīng)力相比較，應(yīng)力小于許用應(yīng)力即可。

墊板和吊耳板之間焊縫、墊板和筒體之間的焊縫校核步驟如下：

（1）根據(jù)焊縫的尺寸，計(jì)算得到焊縫的面積和焊縫截面的抗彎截面模量；

（2）計(jì)算得到吊裝過程中各個(gè)角度的焊縫拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，并求得其組合應(yīng)力，與許用應(yīng)力相比較即可。

5 實(shí)例分析

某設(shè)備總長(zhǎng)16.5 m，總質(zhì)量118.2 t，該設(shè)備是矩形容器，為確保強(qiáng)度和剛度滿足使用要求，在外表面設(shè)置了合適的筋板。設(shè)備上部設(shè)置兩個(gè)軸耳，下端設(shè)置一個(gè)尾部吊耳，兩者配合進(jìn)行吊裝，如圖5所示。對(duì)吊耳在吊裝過程中的各個(gè)角度進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核。

首先，根據(jù)第1節(jié)的公式求出不同角度的吊耳所承受的重量，如表1所示。由表1可知，從0°到90°吊裝的過程中，吊耳上所受的力在一直變化，其中，頂部吊耳所受力在不斷增大，尾部吊耳所受力在不斷減小。吊耳的應(yīng)力校核過程應(yīng)該貫穿整個(gè)吊裝過程，分別對(duì)不同吊裝角度進(jìn)行校核，計(jì)算步驟根據(jù)第1節(jié)和第4節(jié)的描述進(jìn)行，在此不做贅述。校核過程發(fā)現(xiàn)，尾部吊耳所受組合應(yīng)力在起吊角度為61°時(shí)出現(xiàn)最大值，這也說明在尾部吊耳的校核過程，不能以簡(jiǎn)單受力最大點(diǎn)作為組合應(yīng)力出現(xiàn)的最大點(diǎn)，而應(yīng)該綜合考慮力和力矩的作用，找出整個(gè)吊裝過程的最危險(xiǎn)點(diǎn)，以保證吊裝過程的安全。

除了對(duì)于吊耳進(jìn)行強(qiáng)度校核外，還需要對(duì)吊裝過程中吊耳與筒體的局部應(yīng)力、設(shè)備（殼體）截面彎矩（如設(shè)備殼體上的縱向彎曲應(yīng)力等）進(jìn)行校核，可參考文獻(xiàn)[2]附錄C部分，也可以使用有限元的方法對(duì)塔器及吊耳進(jìn)行應(yīng)力分析[4-5]，在此不做贅述。

圖5 設(shè)備示意圖Fig.5 Schematic diagram of vessel

表1 吊耳在不同角度的受力情況Tab.1 Force of lifting lugs at different angles kN

6 結(jié)束語

（1）設(shè)備在起吊過程中，吊耳上所受的力在一直變化。其中，上部吊耳的受力在不斷增大，尾部吊耳的受力在不斷減小。

（2）在校核吊耳強(qiáng)度時(shí)，不能簡(jiǎn)單以受力最大點(diǎn)作為組合應(yīng)力出現(xiàn)的最大點(diǎn)，而應(yīng)該綜合考慮力、力矩的作用，找出整個(gè)吊裝過程的最危險(xiǎn)點(diǎn)，保證吊裝過程的安全。

（3）除了對(duì)吊耳進(jìn)行強(qiáng)度校核外，還需要對(duì)吊裝過程中吊耳與筒體的局部應(yīng)力、設(shè)備（殼體）截面彎矩進(jìn)行校核。