鄺小娟，吳宇鵬，賈金廷

(中核機(jī)械工程有限公司，上海 201702)

0 引言

在核電、石化、冶金等工程建設(shè)中，存在較多的設(shè)備安裝工作，在設(shè)備安裝過程中，吊裝作業(yè)是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

針對需翻身的立式設(shè)備吊裝作業(yè)，需采用輔助工裝——平衡梁，將2根由主吊繩組成的吊索(用于連接設(shè)備與吊鉤、承載設(shè)施等起吊裝置柔性元件)分開至略大于設(shè)備最外部尺寸的寬度，以保證立式設(shè)備翻身過程中主吊繩不損傷設(shè)備本體及保溫層，且平衡梁可順利繞吊耳轉(zhuǎn)到設(shè)備頂部，從而使立式設(shè)備豎直，最后吊裝就位。因此，在立式設(shè)備吊裝過程中，平衡梁是必不可少的輔助工裝。

設(shè)備吊裝的關(guān)鍵要素包括起重機(jī)械、吊索、吊具、輔助工裝等，吊索選型直接影響吊裝過程的安全性。針對吊索選型及受力計(jì)算，多位學(xué)者進(jìn)行了研究，如唐興華對四分支兜捆式的吊索受力進(jìn)行了近似計(jì)算與通用計(jì)算對比分析；劉文華等針對吊物重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)在及不在同一豎直線上的2種情況下兜捆式吊索進(jìn)行了研究；袁元等對特種集裝箱吊索受力及選型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但僅對兜捆式吊裝作業(yè)的吊索進(jìn)行了受力分析，未對使用平衡梁吊裝的吊索進(jìn)行分析；針對支撐式平衡梁，焦公琦等進(jìn)行了受力分析與計(jì)算，但未計(jì)入摩擦力的影響。因此，將主吊繩與平衡梁摩擦力影響計(jì)算在內(nèi)的吊索選型和分析的相關(guān)研究較少。

1 支撐式無彎矩平衡梁索具掛設(shè)形式

常用的平衡梁有板孔式有彎矩平衡梁、板孔式無彎矩平衡梁、滑輪式無彎矩平衡梁、支撐式無彎矩平衡梁等，工程中根據(jù)被吊設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力狀態(tài)、吊裝質(zhì)量、吊裝工藝等因素確定平衡梁結(jié)構(gòu)形式和尺寸。隨著大型起重機(jī)的投入使用，起重機(jī)的超大吊裝能力推動了石化、冶金等裝置產(chǎn)能的擴(kuò)大，使單臺設(shè)備質(zhì)量越來越大。支撐式無彎矩平衡梁因吊裝能力大、制作相對簡單，成為立式設(shè)備吊裝作業(yè)中最常用的輔助工裝。

支撐式無彎矩平衡梁使用時(shí)呈水平狀態(tài)，需2種不同用途的吊索(主吊繩和吊梁繩)相互配合，如圖1所示。

主吊繩是繞過支撐式無彎矩平衡梁兩端的支撐件，上端與起重機(jī)械吊鉤連接，下端與被吊設(shè)備或構(gòu)件上吊耳連接的吊索。

吊梁繩是上端與起重機(jī)械吊鉤連接，下端與支撐式無彎矩平衡梁吊耳連接，用于吊裝平衡梁，防止其在吊裝中下滑，使其處于相對固定位置的吊索。

平衡梁、主吊繩、吊梁繩(包含連接卸扣)整體成為被吊設(shè)備(含保溫、梯子、平臺、附塔管線等)承擔(dān)自重的主體。其中，主吊繩承擔(dān)了被吊設(shè)備的全部自重，吊梁繩承擔(dān)了平衡梁自重及主吊繩傳至平衡梁后分配給吊梁繩的力。

2 采用支撐式無彎矩平衡梁時(shí)的吊索選型技術(shù)及計(jì)算方法

使用支撐式無彎矩平衡梁進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)，主吊繩選型時(shí)通常考慮被吊設(shè)備吊裝質(zhì)量、起重機(jī)械在選定工況下的有效高度及作業(yè)半徑、翻身及立直過程中被吊設(shè)備(包括頂部接管)高度、被吊設(shè)備吊耳高度。吊梁繩選型時(shí)通?？紤]被吊設(shè)備吊裝質(zhì)量、平衡梁自重、主吊繩長度、主吊繩和吊梁繩掛設(shè)完成后與水平面的夾角，通?？紤]要素中不包含主吊繩與平衡梁的摩擦力，但在實(shí)際吊裝過程中，隨著主吊繩受力逐漸增大，主吊繩相對于平衡梁產(chǎn)生位移，主吊繩與平衡梁端頭接觸處會產(chǎn)生滑動摩擦力。本文基于靜力學(xué)分析計(jì)算，研究主吊繩與支撐式無彎矩平衡梁間摩擦力對主吊繩與吊梁繩選型的影響。

2.1 主吊繩與吊梁繩常規(guī)受力計(jì)算方法

在不計(jì)主吊繩與支撐式無彎矩平衡梁間摩擦力的情況下，建立平衡梁整體受力分析模型 (見圖2)，假設(shè)被吊設(shè)備總自重為G，平衡梁上部主吊繩受力為FS，平衡梁下部主吊繩受力為FX，吊梁繩受力為Fd，因平衡梁上端和下端的主吊繩為同根吊繩，因此，平衡梁上、下端的主吊繩拉力FS=FX=G/2。

取平衡梁左側(cè)端部半圓管圓心O為受力點(diǎn)進(jìn)行受力分析(見圖3)。因梁上主吊繩受力FS=梁下主吊繩受力FX=G/2，根據(jù)平行四邊形求合力法則及角平分線定理，則FS，F(xiàn)X合力P通過平衡梁半圓管圓心，因此將二力的作用點(diǎn)平移至圓心。選擇吊梁繩時(shí)，選擇合理的長度使吊梁繩受力作用線通過平衡梁端頭的中心，與吊梁繩拉力Fd形成平面匯交力系。

根據(jù)靜力平衡，得到以下方程組：

(1)

FSsinβ+Fdsinα=FX

(2)

式中：α為吊梁繩與水平面的夾角；β為支撐式無彎矩平衡梁上部主吊繩與水平面的夾角。

2.2 計(jì)入摩擦力影響時(shí)的主吊繩與吊梁繩受力計(jì)算方法

事實(shí)上，在立式設(shè)備翻轉(zhuǎn)豎直過程中，由于主吊繩受力不斷增大，主吊繩在彈性范圍內(nèi)不斷伸長，因此主吊繩一直存在相對平衡梁向下運(yùn)動的位移，從而在主吊繩與平衡梁間形成滑動摩擦力F。

當(dāng)?shù)跹b開始時(shí)，主吊繩、吊梁繩均處于松軟狀態(tài)(見圖4)。

將主吊繩、吊梁繩、平衡梁吊起后，因平衡梁、主吊繩質(zhì)量施加于吊梁繩上，吊梁繩受力后拉直(見圖5)。

隨著吊鉤繼續(xù)起升，主吊繩在設(shè)備自重作用下受力逐漸增大，主吊繩逐漸拉直(見圖6)。

在主吊繩拉直過程中，主吊繩受力由0增至G/2。拉直過程中梁下主吊繩拉力G/2與梁上主吊繩拉力FS的合力對平衡梁形成壓力P，因此在吊梁繩逐漸拉直的過程中，主吊繩與平衡梁之間一直存在摩擦力，且隨著主吊繩受力的逐漸增大，摩擦力逐漸增大，直至設(shè)備被整體吊起立直，主吊繩不再相對平衡梁運(yùn)動。

2.2.1主吊繩與平衡梁端部的摩擦力

由于主吊繩繞過平衡梁兩端支撐件的圓弧面改變了方向，主吊繩與支撐件產(chǎn)生一段接觸弧度，該弧度對應(yīng)的角為包角。

因平衡梁上端主吊繩與水平面的夾角為β,則主吊繩與平衡梁間包角θ為：

θ=π/2-β

(3)

根據(jù)歐拉韁繩理論，得到：

FX=FS1efθ

(4)

式中：f為鋼絲繩與平衡梁之間的滑動摩擦系數(shù)，取0.15；FS1為計(jì)入摩擦力后主吊繩上部的受力。

2.2.2主吊繩與平衡梁端部摩擦力對主吊繩、吊梁繩受力的影響

在不考慮吊梁自重的情況下，得到以下公式：

FX=FS1efθ=G/2

(5)

FS1sinβ+Fd1sinα=FX

(6)

式中：Fd1為計(jì)入摩擦力后吊梁繩的受力。

由于efθ>1，計(jì)入摩擦力后，平衡梁上端主吊繩受力FS1減小，下端主吊繩受力FX保持不變，進(jìn)行主吊繩選型時(shí)仍以最大受力FX為依據(jù)。因此，主吊繩選型不受平衡梁與主吊繩之間摩擦力的影響。

根據(jù)式(1)～式(6)可得：

(7)

2.3 計(jì)算方式對比

根據(jù)吊裝規(guī)范，鋼絲繩作為被吊設(shè)備的起重吊索時(shí)，安全系數(shù)≥5，本文按安全系數(shù)為5進(jìn)行分析。同時(shí)，為更簡要說明主吊繩與平衡梁端頭構(gòu)件摩擦力對吊梁繩的影響，計(jì)算時(shí)不考慮吊裝動載系數(shù)、不均衡系數(shù)及平衡梁質(zhì)量。

將平衡梁梁上主吊繩與水平面的夾角固定為60°，吊梁繩與水平面的夾角固定為62°，此時(shí)主吊繩與平衡梁包角為30°，當(dāng)?shù)踔夭煌瑫r(shí)，計(jì)算并比較計(jì)入和不計(jì)主吊繩與平衡梁摩擦力的情況下主吊繩上端、下端及吊梁繩受力，結(jié)果如表1所示。

表2 吊索角度變化時(shí)主吊繩、吊梁繩受力及安全系數(shù)

將被吊設(shè)備質(zhì)量固定為1 500t，改變平衡梁上主吊繩、吊梁繩與水平面夾角，如圖7～10所示，計(jì)算并比較計(jì)入和不計(jì)主吊繩與平衡梁摩擦力的情況下主吊繩上端、下端及吊梁繩受力，結(jié)果如表2所示。

由表1，2可知，主吊繩與平衡梁之間摩擦力對吊梁繩的影響較大，當(dāng)不計(jì)該摩擦力時(shí)，對于滿足規(guī)范要求安全系數(shù)為5的吊梁繩，在實(shí)際使用過程中因受該摩擦力影響，其實(shí)際安全系數(shù)減小，低于規(guī)范要求，存在吊裝風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，由表2可知，主吊繩與水平面的夾角越大，包角越小，吊梁繩實(shí)際安全系數(shù)越小，越不安全，吊裝風(fēng)險(xiǎn)越大。

3 工程應(yīng)用

某化工工程典型設(shè)備預(yù)脫甲烷塔屬于立式設(shè)備，直徑3.4，5.5m，高73.2m，設(shè)備凈重718.0t，該設(shè)備呈臥式狀態(tài)運(yùn)輸至現(xiàn)場后，塔內(nèi)安裝構(gòu)件、梯子、平臺等重130t，設(shè)備總重848.0t，需翻身后吊裝至就位位置，主吊耳設(shè)置2個(gè)管軸式吊耳，距封頭切線22.0m。為避免吊裝過程中設(shè)備本體因受主吊繩擠壓而損壞及設(shè)備平臺、接管等附件與主吊繩發(fā)生干涉導(dǎo)致無法順利翻身的現(xiàn)象，需使用支撐式無彎矩平衡梁輔以吊裝。

3.1 主吊繩與吊梁繩選型

在專業(yè)繪圖軟件中建立起重機(jī)、被吊設(shè)備模型，進(jìn)行1∶1模擬索具掛設(shè)，掛設(shè)后經(jīng)測量，平衡梁上端主吊繩與水平面的夾角為64°。主吊繩下端受力為4 240kN，吊梁繩在不計(jì)摩擦力和計(jì)入摩擦力情況下的受力分別為1 104，1 693kN。

鋼絲繩承受荷載小于其許用拉力，根據(jù)GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》要求，對于主吊繩，取安全系數(shù)為5時(shí)需要的最小破斷拉力為21 200kN，因此，選擇高性能無接頭繩圈，型號為GJT180，鋼絲繩直徑為180mm，最小破斷拉力為23 138kN。考慮頂部接管翻身過程的影響，預(yù)留接管頂部至平衡梁下端的距離為1.7m，因此，選擇單根繩圈長度為70m。對于吊梁繩，按照計(jì)入摩擦力后的1 693kN受力進(jìn)行選型，需要的最小破斷拉力為8 465kN，選擇WBW142型鋼絲繩，直徑為142mm，最小破斷拉力為1 017kN，單根長度為19m。

3.2 吊索、吊具掛設(shè)

將預(yù)脫甲烷塔吊裝施工機(jī)具運(yùn)輸至吊裝現(xiàn)場，使用小型起重機(jī)配合，將吊梁繩、卸扣、平衡梁主吊繩連接，索具應(yīng)自上而下連接，連接完成后，每根主吊繩圈在距吊耳中心上方2m處掛設(shè)2根直徑12mm、長100m的設(shè)備，設(shè)備就位后摘主吊繩用麻繩。

軸式吊耳索具連接時(shí)，鋼絲繩下端應(yīng)兜吊于管軸式吊耳上，上端與起重機(jī)吊鉤連接。索具連接完成后，檢查索具與設(shè)備本體、設(shè)備管嘴、梯子平臺等之間的位置關(guān)系。

吊索、吊具掛設(shè)完成后，分別記錄其質(zhì)量。

3.3 設(shè)備吊裝

經(jīng)主吊索具及溜尾索具掛設(shè)、吊裝前先決條件檢查、試吊、正式吊裝、設(shè)備翻身立直、設(shè)備就位等關(guān)鍵步驟，預(yù)脫甲烷塔安全順利吊裝，如圖11所示。

4 結(jié)語

1)依據(jù)不計(jì)主吊繩與平衡梁間摩擦力計(jì)算數(shù)據(jù)按吊裝規(guī)范規(guī)定的吊索安全系數(shù)下限選擇主吊繩、吊梁繩、平衡梁連接卸扣等，主吊繩、平衡梁滿足安全要求，但據(jù)此受力值選擇的吊梁繩(包括平衡梁連接卸扣)實(shí)際安全系數(shù)低于吊裝規(guī)范的規(guī)定，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)實(shí)際吊裝過程中，平衡梁上端主吊繩與水平面的夾角越大，依據(jù)不計(jì)主吊繩與平衡梁間摩擦力計(jì)算數(shù)據(jù)選擇的吊梁繩與卸扣實(shí)際安全系數(shù)越小，安全風(fēng)險(xiǎn)越大。