王放， 劉偉東 ，付濤

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731）（2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 64300）

容器在現代工業(yè)生產、生活中應用廣泛，給經濟的發(fā)展帶來了極大的便利。根據容器結構、設計條件及使用要求的不同，容器在生產制造和現場安裝過程中往往需進行必要的吊裝、轉運及試驗。為防止容器在轉移過程中跌落、損傷，確保其安全性，適用的吊裝工具的設計和使用至關重要。

本文針對某項目特制容器，在制造和使用過程中需頻繁使用起吊工具的情況，開發(fā)了一種適用的起吊工具。并對工具的設計思想和驗證方法進行了論述，以期能為更多類似容器的配套工具的開發(fā)提供一種借鑒思路和設計驗證方法。

1 工具的設計思想

1.1 特制容器簡介

某項目特制容器為帶內外筒的雙金屬容器，外筒為一豎直圓柱形無頂蓋殼體，內筒為帶少量內部附件的圓柱形容器，設備運行時，內筒將盛裝液態(tài)金屬鉛。

內筒裝入外筒后，內筒外壁與外筒內壁兩者之間存在幾mm的間隙，內、外筒間距很小，不能在內筒上焊接起吊用的吊耳。在運輸時,為避免運輸過程中對容器產生損傷，內、外筒是分離運輸的。

將內、外筒運至現場后，現場安裝時將內筒裝入外筒中。當設備使用時，需將帶強輻射介質的內筒吊運至安全處。

因此，容器在工廠內預組裝、運輸及現場使用過程中需使用一種合適的起吊工具進行吊裝，該起吊工具是保證容器安全投入使用的重要因素。

根據該特制容器的結構特點，內筒中用于與起吊工具相連部分的結構如下圖1所示。

圖1 內筒與工具連接部分結構示意

1.2 起吊工具設計思路

從內筒與起吊工具連接處的結構來看，為防止卡死和損壞，內筒上的平臺用于起吊承力是最好的選擇而非使用里面的內凹槽來承受起吊時的全部載荷。

為實現容器的起吊，我們可以設想起吊工具有像雨傘結構一樣的收縮功能，在進入容器前起吊結構可以收縮，進入容器后能伸展開，從而實現起吊結構與內筒平臺接觸。

通常，對于這種結構容器的起吊工具，可從以下兩個思路出發(fā)進行方案設計。

1）方案1:采用可拆卸的螺紋連接結構，方案如圖2。

該結構主要由吊鉤、吊桿及連接件等組成。通過吊桿組件上的把手（圖2中未視出）對吊桿旋轉實現工具（主要是承力件）的收緊和張開，從而自由地進出容器，然后實現起吊功能。

圖2 螺紋連接結構方案

2）方案2：采用類似雨傘結構，方案如圖2-1。此方案主要由吊耳、吊桿、收縮桿、拉桿、筋板、承力鉤、支承板等組成。

圖2-1 類似雨傘結構方案

該結構通過拉伸收縮桿實現工具（主要是承力鉤）的收緊和張開，從而自由地進出容器，實現其起吊功能。收縮桿與承力鉤之間通過拉桿連接，筋板與承力鉤之間通過銷軸連接，通過對收縮桿的提升和下落，帶動承力鉤的收縮和張開，從而實現起吊功能。

1.3 方案對比

方案1，可拆卸性程度高，適用于內徑較小的容器，但其結構稍復雜，而且加工成本可能更高。

方案2，可拆卸性程度稍差，但適用范圍更廣，且其結構簡單，加工成本低。

限于本文篇幅，本文主要論述方案2的設計及驗證。

2 理論驗證

首先，對方案2所述的起吊工具各零部件進行受力分析，采用材料力學知識進行常規(guī)截面應力初步計算，確定出初步結構尺寸。然后，采用成熟的有限元方法對結構進行整體應力分析。并參考相關分析設計標準（本文采用ASME NF分卷）進行強度分析。截面應力計算相對簡單，本文不進行敖述，可參見相關材料力學教材，本文著重闡述有限元應力分析計算。

3 靜力分析和強度評定

3.1 計算條件

1）計算工況（見下表1）

表1

2）材料力學性能

材料為Q345R（δ16～δ36 mm），Sm（MPa）=185，Su（MPa）=500, ReL（MPa）=310，泊松比υ=0.3。

3.2 靜力有限元分析模型

根據分析目的及起吊工具的結構建立分析模型，因收縮桿及拉桿只起一個連接作用，為減少模型計算大小，節(jié)省資源，模型中不體現該部分，僅體現所有承力結構。但為了方便施加設備及介質載荷，模型中增加了與起吊工具連接的部分內筒組件，對于內筒組件還考慮了邊緣應力的作用，設置了足夠的長度。模型采用六面體單元為主進行劃分網格。生成127176個節(jié)點，31138個單元。模型及網格如圖3所示。

圖3 模型及網格

3.3 靜力有限元分析邊界條件

提升靜載荷為14t，邊界條件施加如圖4所示。

圖4 靜力分析邊界條件

3.4 計算及結果

采用ANSYS軟件作為求解器進行線彈性靜力分析，用ANSYS Mechanical進行結果后處理。各部分的應力分析云圖，詳見圖5、圖6、圖7、圖8和圖9。

圖5 總體應力云圖

圖6 吊桿應力云圖

圖7 筋板應力云圖

圖8 支承板應力云圖

圖9 承力鉤應力云圖

從結果可知，應力相對較大的區(qū)域位于筋板與吊桿連接處及支承板與承力鉤接觸處，結果與實際情況是一致的。當工具使用時，筋板處承受容器的力至筋板與吊桿連接處力矩最大，故產生的彎矩也最大，導致此處的應力最大。容器起吊時，承力鉤上的力傳遞至支承板上，故支承板上的應力也很大，相反，承力鉤上的應力并沒有那么大。

3.5 評定

1）線性化路徑

選取吊桿、筋板、支承板上最大節(jié)點應力截面處進行應力線性化，路徑如下圖10。

圖10 應力線性化路徑

其中A為筋板最大應力節(jié)點上沿厚度方向的路徑，B為吊桿上最大應力節(jié)點上沿厚度方向的路徑，C為支承板上最大應力節(jié)點上沿厚度方向路徑。

2）應力線性化結果

沿分析路徑的應力進行線性化處理，根據ASME-Ⅲ-NF，在設計工況下應力限制準則如下：

Pm≤1.0Sm

Pm+Pb≤1.5Sm

評定結果見表3。

其中：

Pm—線性化后的薄膜應力成分；

Pb—線性化后的彎曲應力成分；

Pm+ Pb—線性化后的薄膜加彎曲應力成分；根據表2，可知工具在正常使用工況下，應力滿足規(guī)范要求。

表2 應力線性化結果及評定

4 抗震分析

因工具所吊裝的容器介質具有放射性，為確保工具在地震工況下使用的安全性，對工具進行抗震分析。

4.1 模態(tài)分析

模型的1、2階模態(tài)結果如圖11所示，模態(tài)分析結果表明其一階固有頻率為39.294Hz，大于33Hz，表明該結構剛性較好，抗震計算可采用等效靜力分析。

圖11 一階（左）、二階（右）振型

4.2 抗震分析

1） 邊界條件

設計工況邊界條件+ X、Y、Z方向分別保守考慮4g的加速度。如圖12所示。

圖12 抗震分析邊界條件

2） 分析模型

與靜力分析相同。

3）計算結果

根據應力分析云圖結果可知應力最大節(jié)點仍在筋板上面，這與受力分析結果是一致的。其中，總體用力云圖和筋板應力云圖分別如圖13和圖14所示。

圖13 總體應力云圖

圖14 筋板應力云圖

4.3 評定及結果

為節(jié)省篇幅，僅對筋板上通過最大應力節(jié)點做厚度方向應力線性化路徑。

根據ASME-Ⅲ-附錄F，在設計工況下應力限制準則如下：

Pm≤max（1.2Sy,1.5Sm）

Pm+Pb≤min（1.2Sy,0.7Su）

根據ASME-Ⅲ-NF,對與峰值應力不要求做評價。評定結果如下表3?？芍?，結果滿足規(guī)范要求。

表3 抗震分析結果

5 試驗驗證設計

鑒于起吊工具為動設備，為確保設備的安全性和可靠性，基于GB/T5905-2011《起重機、試驗規(guī)范和程序》，應進行載荷試驗驗證為宜。

通過載荷試驗來驗證工具的整體強度、剛度和穩(wěn)定性是否滿足設計要求，以確保內筒吊裝在正常使用過程中的安全。

5.1 載荷試驗內容：

5.1.1 設備出廠前的試驗

工具空載在容器內進行伸入和伸出試驗，保證工具無卡阻。

5.1.2 動、靜載荷試驗

按GB/T5905-2011，配置重物對工具進行動、靜載荷試驗。工具的額定載荷為14t。動載荷設為額定載荷的1.25倍，靜載荷設置為額定載荷的1.4倍。試驗時，應特別注意加、減速度的控制。

試驗條件除滿足GB/T5905-2011外，還應與實際情況基本相同。

6 結語

隨著工業(yè)經濟的高速發(fā)展，容器在工業(yè)中的應用越來越廣泛，容器的種類也越來越繁雜，為確保容器的生產及使用安全，其配套的輔助工具設計也應同步。

本文通過對某項目容器所需的起吊工具的開發(fā)，從設計思路、理論計算和試驗驗證等方面進行了分析和探討，希望能為類似容器工具的設計和驗證提供一種思路。