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        塔架分段吊裝可靠性分析

        2021-05-06 03:14:50
        石油工程建設(shè) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:塔架校核分段

        李 籍

        中國石油物資有限公司西安分公司,陜西西安710000

        蘭州石化公司1.5×104t/a 硫磺回收裝置環(huán)保升級達(dá)標(biāo)改造工程的煙囪塔架總高82 m,質(zhì)量約78 t,呈三棱錐體結(jié)構(gòu),共計7 個操作平臺。主肢為20 無縫鋼管,最大規(guī)格為φ351 mm× 16 mm,最小規(guī)格為φ180 mm× 12 mm,底部跨距13 m,頂部跨距4.8 m。施工現(xiàn)場區(qū)域狹小不具備整體制作和吊裝條件,因此確定采用現(xiàn)場分段預(yù)制(臥式)、逐段吊裝的施工方法[1]。塔架作為空間結(jié)構(gòu)體,吊裝時拼裝單元桿件的承載能力、穩(wěn)定性將直接影響到高空組對精度,甚至吊裝安全。為驗證施工方法的可靠性,對塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強度校核,對不滿足強度條件的單元在吊裝前采取加固措施。

        1 分段方案及吊裝結(jié)構(gòu)分析

        1.1 分段方案

        為方便塔架組對焊接,塔架分段設(shè)置在平臺位置,再根據(jù)現(xiàn)場吊車站位和分段塔架的長度、重量,將整個煙囪塔架分4 段安裝,見表1、圖1。

        根據(jù)圖紙中主肢變徑過渡段的設(shè)計,分段處分別位于17、37、67 m 平臺以上2 m,即標(biāo)高分別為▽19.000、▽39.000、▽69.000(單位m),分段數(shù)據(jù)見表1。第一段塔架截面尺寸較大,在地面進(jìn)行組裝后單獨吊裝;上部3 段塔架則與煙囪筒節(jié)組合成整體吊裝,煙囪筒節(jié)的找正組對可依托塔架進(jìn)行。

        表1 煙囪、塔架分段質(zhì)量

        圖1 塔架分段和詳細(xì)結(jié)構(gòu)

        在吊裝時如果構(gòu)件承載過大,導(dǎo)致塑性變形,將增大高空矯正的難度,影響組對精度,嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)斷裂破壞,極大地增加安全風(fēng)險。因此,吊裝前必須對塔架進(jìn)行受力分析。

        1.2 吊裝結(jié)構(gòu)分析

        塔架吊裝如圖2 所示,采用一臺主吊機(吊車選用見表1) 均勻緩慢提升,另一臺100 t 吊車做溜尾配合。塔架分段位置在平臺以上2 m 處,每段吊裝時,根據(jù)作用力位置和特點,分段平臺以下的部分可看作具有空間剛度和穩(wěn)定性的整體;對于平臺以上的部分,鋼絲繩的斜拉力直接作用于長為2 m 的主肢鋼管上,見圖2(b) 中AA′段。AA′段主肢作為對接處直接承受吊裝載荷的桿件,其位于平臺上沿A′位置的截面所受的彎曲應(yīng)力最大,所以選取該處截面強度作為重點校核對象。

        圖2 塔架吊裝示意

        塔架的吊裝受力可分成兩個階段,一是塔架從其水平臥式一面位置開始吊裝至某一傾斜角度,此時鋼絲繩只對兩根主肢(直梁) 產(chǎn)生拉彎組合的作用力;二是塔架由此傾斜位置至豎直狀態(tài)的階段,此時3 根主肢的受力為拉彎組合。因此,對主肢進(jìn)行的組合強度校核將分為兩步進(jìn)行,以驗證其是否滿足強度條件。

        2 強度校核

        2.1 兩根主肢受力階段強度校核

        如圖3 所示,塔架一面A2A1B1B2由水平位置逐步吊裝移至中軸與豎直方向成角θ臨的位置,對該過程中位于A′位置的截面作理論受力分析[2]。

        圖3 塔架吊裝力學(xué)模型

        設(shè)塔架中心軸與豎直方向夾角為θ,面A2A1B1B2與水平面夾角為β,中心軸與面A2A1B1B2的夾角為α,F(xiàn)豎為鋼絲繩拉力F1在豎直方向上的分量。角度均以弧度(rad) 表示,則有:

        根據(jù)三角形邊長關(guān)系可計算得到F1。

        用截面法,以截面m-n 沿平臺面位置將主肢截成兩部分,截面受力和主吊裝載荷F1空間分解示意分別如圖4、5 所示。m-n 截面的內(nèi)力可看作拉伸和彎曲兩種基本變形的疊加,在m-n 截面上,軸力N 在截面積A 上產(chǎn)生均勻分布的拉應(yīng)力為:

        σN=N/A

        對于外圓直徑為D,內(nèi)圓直徑為d 的空心圓形截面:

        彎矩M 引起的彎曲正應(yīng)力為:

        σW=M/Wz≈F法×|A2A3|/Wz=2F法/Wz式中:F法為桿件端部(吊點) 所受到的法向力;抗彎截面模量Wz= πD3(1 - α4) /32,其中α =d/D[3]。

        截面上的m 點的拉應(yīng)力最大,n 點的壓應(yīng)力最大,均為單向應(yīng)力狀態(tài)。疊加以上兩種應(yīng)力以后,在截面外側(cè)m 點最大拉應(yīng)力σm= σN+ σwL(σwL為彎曲拉應(yīng)力);在截面內(nèi)側(cè)n 點最大壓應(yīng)力σn=|σN+σwy|(σwy為彎曲壓應(yīng)力)。因為σwy=-σwL,與σN反方向,所以σm>σn,因此最后只需校核強度條件σm≤[σ],即工作應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力即可。

        最后根據(jù)三角形余弦定理,來討論兩肢受力的區(qū)間,如圖6 所示。從以上分析可得式(4) 和式(5):

        圖4 截面受力分析示意

        圖5 主吊裝載荷F1 空間分解示意

        圖6 兩肢受力臨界位置示意

        2.2 兩根主肢受力校核結(jié)果

        依照上述分析,代入數(shù)值計算各段強度的表達(dá)式,見表2。

        第四段的吊點位于標(biāo)高82.000 m 平臺處,截面主要承受拉應(yīng)力,而且其重力小,經(jīng)拉應(yīng)力核算滿足強度條件。從前三段截面強度表達(dá)式看出,σm是關(guān)于θ 角的函數(shù)。利用Graph 軟件,做出曲線圖,并經(jīng)求導(dǎo),當(dāng)導(dǎo)函數(shù)為零時σm取得最大值,如圖7 所示。第一段:當(dāng)θ=1.254 rad 時,σmmax=97.248 4 MPa<[σ] = 130 MPa[4];第二段:當(dāng)θ =1.321 9 rad 時,σmmax=168.620 1 MPa>[σ];第三段:當(dāng)θ=1.367 9 rad 時,σmmax=825.385 1 MPa>[σ]。

        從以上計算結(jié)果得知,第二段和第三段不滿足強度條件,第三段最大應(yīng)力甚至大于抗拉強度,有斷裂的危險;而對第一段,還需進(jìn)行三肢受力階段的分析,以確定是否滿足強度條件。

        2.3 三根主肢受力階段的強度分析

        當(dāng)?shù)谝欢稳芰r,暫且忽略第三根主肢承載力,作出兩肢受力情形下σm位于區(qū)間[0,0.14]上的曲線,σm取值僅為40.338 ~42.954 MPa。當(dāng)?shù)谌_始分擔(dān)部分拉力時,先前受力的兩肢σm只會越來越小,第三肢組合拉應(yīng)力越來越大,最終達(dá)到平衡,三肢應(yīng)力值一致。

        表2 過程計算中的主要取值和σm 表達(dá)式

        圖7 Graph 軟件生成的σm 函數(shù)曲線

        綜上,對第一段吊裝全過程來說,σmmax<[σ],可直接吊裝;而第二段和第三段則需要采取加固措施,以提高抗彎曲強度(在Graph 曲線圖中單獨做σN曲線發(fā)現(xiàn),σN對總應(yīng)力值的貢獻(xiàn)很小)。

        3 加固措施及實施效果

        在實踐中提高梁的彎曲強度主要從以下幾點考慮:改進(jìn)梁的受力情況,減小梁中的最大彎矩Mmax值;減小梁的跨度或增加支撐約束,改變支座位置等。首先從塔架結(jié)構(gòu)上看,如果僅對兩肢做支撐加固,承力點不易選取,穩(wěn)固性上不如三角支撐;其次,從施工便利性上來講,在塔架本體上焊接加強筋,既影響美觀,也增加拆除打磨工作量;最后,還要考慮加固材料自身剛度。綜合以上幾點因素,最終采用將φ219 mm×13 mm 的無縫鋼管作主要支撐件的三角加固方式[5],承力點位于主肢上,與塔架主肢連接的位置使用抱箍,方便拆卸。抱箍是采用與主肢同管徑的鋼管經(jīng)剖切并焊接耳板而制作成的,見圖8。

        暫將支撐位置設(shè)置在靠近主吊點300 mm 處,并復(fù)核該位置截面的彎曲強度。第二段σmmax=27.058 MPa,第三段σmmax=126.89 MPa,滿足強度要求。吊裝完成后對每段截面尺寸進(jìn)行復(fù)核:第一段上截面尺寸偏差Δa3max=5 mm;第二段上截面尺寸偏差Δa3max=7 mm;第三段上截面尺寸偏差Δa3max= 4 mm。

        圖8 塔架主肢加固示意

        最后在上下兩段組對時,將焊接于鋼管內(nèi)部的吊耳作為定位板調(diào)節(jié)組對間隙、坡口,確保了最大錯邊量控制在3 mm 以內(nèi),保證了組對精度。

        4 結(jié)束語

        通過提前對塔架吊裝單元進(jìn)行強度校核,確定了加固措施,消除了吊裝時存在斷裂破壞的風(fēng)險,同時很好地控制了截面尺寸偏差和錯邊量,保證了上下段組對精度,避免高空矯正處理,最終提高了安裝質(zhì)量和效率。此次塔架強度校核的成功應(yīng)用,可為今后類似工程、鋼結(jié)構(gòu)空間體和薄壁塔器等細(xì)長桿件的吊裝提供借鑒,通過強度校核分析變形或失穩(wěn)的原因,而后采取加固或者其他措施,從而提高安裝精度并保證作業(yè)安全。

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