馮子云 鄭志勇 王景濤

陜西化建工程有限責(zé)任公司 陜西 楊凌 712100

對于石油化工行業(yè)的大中型立式設(shè)備，設(shè)計(jì)院的設(shè)備制造藍(lán)圖中會(huì)設(shè)置主吊耳。以某乙二醇項(xiàng)目的凈化裝置變換氣洗滌塔的主吊耳為例，若設(shè)計(jì)方在設(shè)置吊耳的方位時(shí)考慮不周，往往會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩與上方接管、人孔發(fā)生的干涉情況。針對該設(shè)備的具體情況，陜西化建工程有限責(zé)任公司吊裝技術(shù)人員在排除了重新焊接吊耳、取掉人孔/ 接管、使用鋼絲繩捆綁兜掛等不經(jīng)濟(jì)、安全隱患大的幾個(gè)方案后，選擇改造主吊耳的辦法，安全順利地完成了該設(shè)備的吊裝作業(yè)。采用經(jīng)典力學(xué)方法核算、Solidwork 軟件建模后進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使吊耳更加安全、經(jīng)濟(jì)。以下就選用的吊耳形式、計(jì)算方法及分析方法進(jìn)行探討，以期作為后續(xù)類似情況的參考。

1 工程概況

某廠凈化裝置變換氣洗滌塔分三段吊裝，原設(shè)備主吊耳與N4 接管相對位置如圖1 所示。原主吊耳布置在塔器中段，中段吊重236t，直徑3800mm，長度為30800mm，選用φ120mm×30000mm 鋼絲繩做為主吊索具。主吊耳上方分布有人孔及接管管口，其中主吊耳與N4 接管相對距離只有35mm，在設(shè)備吊裝至與水平夾角57°時(shí)鋼絲繩與接管N4 就會(huì)發(fā)生干涉。

圖1 原設(shè)備主吊耳與N4 接管相對位置圖示

2 吊耳改造設(shè)計(jì)

經(jīng)技術(shù)人員實(shí)際測量，可以將原吊耳的擋圈外移80mm，擋圈與墊板間距可以由300mm 增大至380mm，原主吊耳與接管N4 相對間距可以擴(kuò)大至115mm，使用有效長度5000mm 的平衡梁支撐后，可以達(dá)到鋼絲繩順利通過目的。擋圈改造后吊耳圖如圖2 所示。

圖2 擋圈改造后吊耳圖

對于主吊耳的改造，主要辦法是使用氣焊去除原一側(cè)吊耳的擋圈，并使用碳弧氣刨清理焊接痕跡，再使用工具打磨吊耳管至光滑，重新制作擋圈焊接于吊耳管外側(cè)。并在吊耳根部加筋板，提高吊耳強(qiáng)度。擋圈改造后吊耳圖如圖3 所示。吊耳改造后鋼絲繩傾斜角度如圖4 所示。

圖3 擋圈改造后的吊耳

圖4 吊耳改造后鋼絲繩傾斜角度

在設(shè)備吊裝過程中的不同狀態(tài)，吊耳管軸受力不盡相同，以下就吊耳管軸在設(shè)備豎直后的受力進(jìn)行計(jì)算和有限元分析。

3 吊耳改造后力學(xué)核算

3.1 材料基本參數(shù)

變換氣洗滌塔主吊耳設(shè)計(jì)吊重為400t/ 個(gè)，吊耳管采用Q345 的材質(zhì)，鋼材厚度δ=30mm＜40mm，抗拉抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為σs=295MPa，取安全系數(shù)n=1.34。

3.2 管軸式主吊耳受力

軸式吊耳受力簡圖如圖5 所示。

圖5 軸式吊耳受力簡圖

變換氣洗滌塔單個(gè)主吊耳設(shè)計(jì)吊重：

橫向作用力：

3.3 吊耳強(qiáng)度校核

（1）橫向應(yīng)力

（2）剪應(yīng)力

（3）彎曲應(yīng)力

（4）組合應(yīng)力

3.4 吊耳管軸與擋圈連接角焊縫強(qiáng)度校核

3.5 墊板與設(shè)備本體連接角焊縫強(qiáng)度校核

（1）剪應(yīng)力

（2）橫向載荷引起的拉應(yīng)力

（3）彎曲應(yīng)力

（4）組合應(yīng)力

經(jīng)計(jì)算，滿足400t/ 只吊耳的使用要求。

4 有限元分析

傳統(tǒng)計(jì)算所應(yīng)用的強(qiáng)度理論分析結(jié)果只是針對吊耳管軸的受力情況，并不能夠體現(xiàn)整個(gè)吊耳加固后的受力情況，這對于控制危險(xiǎn)截面、應(yīng)力集中部位處理等都不利。為此，應(yīng)用Solidwork 軟件對上述設(shè)計(jì)以模型建立、網(wǎng)格劃分、施加約束、加載載荷等方式進(jìn)行有限元分析。

4.1 建模及網(wǎng)格化

改造后的管軸式主吊耳按照二維CAD 圖紙進(jìn)行3D建模，并進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格化處理，單元大小71.85mm，節(jié)總數(shù)16926 個(gè)，單元總數(shù)8504 個(gè)，如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)格化的管軸式主吊耳

4.2 計(jì)算機(jī)有限元分析

對管軸式主吊耳墊板及吊耳管軸施加約束，將吊耳受力面移至靠近擋圈120mm 處，加載4×106N 的力，如圖7 所示。

圖7 吊耳受力面設(shè)定圖示

圖8 為應(yīng)力分析云圖，圖9 為安全系數(shù)圖示。根據(jù)計(jì)算機(jī)有限元分析給出的靜應(yīng)力分析報(bào)告，最小應(yīng)力發(fā)生在623 節(jié)，數(shù)值為0.14MPa；最大應(yīng)力發(fā)生在3405 節(jié)，數(shù)值為142MPa＜[σ]=220.15MPa。因此，改造后的吊耳安全可用，安全系數(shù)ηmin=2.1。

圖8 應(yīng)力分析云圖

圖9 安全系數(shù)圖示

5 結(jié)論

《化工設(shè)備吊耳設(shè)計(jì)選用規(guī)范》（HG/ T21574—2018）并不能涵蓋設(shè)備吊裝中遇到的所有情形，所以需要吊裝工程的技術(shù)負(fù)責(zé)人根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)、改造。需要注意的是：第一要根據(jù)設(shè)備本身的特點(diǎn)，提出安全可行的設(shè)計(jì)方案；第二要參照多種計(jì)算方法，尤其是有限元分析的應(yīng)用，最終確定最優(yōu)方案，保證吊裝工作的安全性和經(jīng)濟(jì)性；第三，在吊耳主體完成設(shè)計(jì)核算后，根據(jù)有限元分析結(jié)果，在消減集中應(yīng)力方面要有相關(guān)措施，保證安全高效地完成設(shè)備吊裝工作。