塔器吊装安全性校核及加固措施

■张来民 陕西化建工程有限责任公司陕西西安712100

塔器吊装安全性校核及加固措施

■张来民 陕西化建工程有限责任公司陕西西安712100

塔器在化工、石油化工装置中是生产装置的重要工艺设备，对建设项目有重要的意义。文章就设备整体强度及受压处局部稳定性、吊点处稳定性、府座处的校核进行了分析和探讨。

塔器吊装安全性加固措施

1 前言

在化工、石油化工装置中，塔器等静止设备占相当大的比例，它们是生产装置的重要工艺设备。因此保证吊装过程中这些设备的安全，对建设项目的按期竣工、顺利投产具有十分重要的意义。

吊装过程中，设备要承受其自重、吊装工具施加于其上的力，且由此在设备的一些部位（如吊点处、支座等）会产生很大的应力，其可能会使设备产生变形、失稳等不同形式的破坏，而影响工程进展、造成损失。为了确保设备在安装过程的安全，国外设备（特别是大型设备）设计时就对此应力进行核算，并设计了吊装所需的吊点位置及相应的吊耳、支座铰链等。国家标准《钢制压力容器》（GB150）中虽然在“总论”中提及设计时需考虑容器在运输或吊装时承受的作用力，但在《钢制塔式容器》——JB/T4710中没有具体的计算模型及计算规定——“塔式容器需设置吊耳时，吊耳的结构、位置、及数量应按吊装方式及塔式容器的质量确定且应考虑壳体的局部应力”。受设计、制造合同内容的影响及设计、制造与安装衔接制约，国内塔器实际设计时主要考虑设备在生产运行状态下的各种受力及应力校核，很少设计吊耳并计算。所以，在吊装作业前，除设计安全的工机具外，为了确保设备自身的安全和吊装作业的安全，核算吊装过程中塔器的应力是非常必要的。

另一方面，吊装规范及相关的工具书，虽然对此问题也有要求、提及，但缺少系统、全面、具体具有指导意义的描述。以往，这项工作是凭经验，很不准确也不安全，常有设备变形或失稳等形式的破坏现象发生，或者要经过大量繁杂的计算。为了便于同仁的工作，笔者就此问题谈点个人见解。

因卧置设备安装时，人们很容易按照设备工作状态的受力方式去吊装它，所以一般他们不必验算。而直立塔、器则一般由卧置初始状态安装到直立状态。所以，直立设备在吊装开始时的整体强度、压应力处的局部稳定性，吊点处的稳定性及底座的校核则是安装工作中经常碰到的问题。当然，为了确保设备的安全，不仅如此，还有确保内衬不破坏等问题，因此，下面我们就设备整体强度及受压处局部稳定性、吊点处稳定性、底座处的校核三个问题进行分析、探讨。

2 设备整体的强度和稳定性

2.1 强度和稳定性的校核

2.1.1 应力分析

显见，直立设备在安装过程其整体最大拉应力和最大压应力发生在设备起始吊装的卧置状态，见图1。这时，其应力按式（1）计算：

式中，Mmax—设备所受的最大弯矩，N-mm

W—设备横截面的抗弯截面模量，mm3（此式中为等截面的W）

2.1.2 应力校核

①整体强度校核（拉应力），按式（2）校核

②稳定性校核（压应力）：

a、《钢制压力容器》（GB150）规定：

许用轴向压应力（无加强圈）：

取两者中的较小值。

B值按下列步骤求取：

先求系数A：

式中，R＝圆筒内半径，mm

δ＝圆筒的有效厚度，mm

然后据材料查外压圆筒和球壳厚度计算图。若A值落在设计温度下（安装时为常温）材料线的右方，则按图查取B值；若系数A落在设计温度下材料线的左方，则按下式计算B值：

式中，E—设计温度下材料的弹性模量，MPa。碳钢在常温下的E＝2×105MPa

有加强圈时，经过复杂的计算后，仍按上述步骤求取B。

b、而参考资料1则按下列公式求取许用压应力（单位换算后的公式）：

式中，δ、R意义单位同上；

δy=

（在圆周方面的壳体当量厚度），mm；

δx=（在纵向的壳体当量厚度），mm；

此处Ay—一个周向加强圈的横截面积，mm2；

dy—周向加强圈的间距，mm；

Ax—一个纵向加强圈的横截面积，mm2；

dx—纵向加强圈的间距，mm；

若无加强件时，δx、δy＝δ。

c、比较上述两种许用压应力的获取过程及结果，可得结论：

前者误差大，后者比前者简便，且能满足工程实际安全的需要，但偏于安全。如一Q235材料的设备，厚度与内径之比为0.01时（工程最常出现的情况）：

按前者，据图2及上述方法的得：[σ]cr=107Mpa

[σ]cr=78.33MPa

因此设备压应力的校核应采用既合理又便于实际计算的公式（3）中进行：

式（3）中σomax—设备所需的最大压力应力，Mpa；其余同前。

2.2 应力校核不安全时的措施

当应力校核不安全时，可采用以下措施后再进行校核，直到安全为止。

由以上应力计算及应力校核公式（1）、(2)、(3)。容易看出，可以通过某些方法来减小Mmax或增加最大弯矩截面处的抗弯模量，进而降低最大应力，还可对设备进行加固而提高设备的许用应力，进而保证设备吊装时的安全。

2.2.1 选择合适的吊点位置

(1)对于等截面匀质设备，使用单吊点时，吊点的合理位置：

如前述，设备最大应力发生在吊装起始的卧置状态，这时设备相当于一端悬臂的简支梁，其分析模型见图3（a）。根据材料力学的知识我们很容易地画出设备的弯矩图见图3（b）。

为了便于选择合理的吊点，下面分析一下设备的弯矩图，首先，建立图3（a）所示坐标系，得如下弯矩方程：

为了使Mmax最小，│M1│max=M2max

简化、解方程│M1│max=M2max得：L=2.62a就是吊点位置于距设备顶部的距离为设备总长的0.276倍，设备的最大弯矩最小或最大应力最小，有利于设备的安全。

选择合适的吊点位置，是最大应力发生在有加固件的截面，从而降低设备的最大应力。

(2)多吊点吊装：

据材料力学的知识，容易知道，增加简支梁的支点时可大大降低底梁的最大弯矩。使用该措施时，注意各吊点要保证同时受力，否则一些吊点则不起作用而发生事故。

(3)对最大应力（弯矩）处进行加固：

当使用上述两种方法均难以凑效或其难以实现，而加固容易进行时，可采用此方法。此方法的的通常做法是，在设备内做加固圈（支撑圈）或在设备外部加固一构件。

3 吊装点处的核算及加固

在目前的安装施工中，最常用的吊点形式有管轴式吊耳和绑扎式两种型式，下面分别来进行分析。

3.1 管轴式吊耳

3.1.1 吊点对设备的应力及校核

吊点作用在设备上的局部应力需用线载荷来表示，而线载荷的大小由载荷和载荷线来确定。吊耳与设备直接连接的有效焊缝均作为载荷线考虑。当两平行焊缝相距不超20mm，应看作一条载荷线。

(1)线载荷的计算：

塔、器设备吊装时，吊点通过吊耳作用于设备壁上的力及力矩在器壁上产生线载荷。在计算线载荷前，需要计算出载荷线及其有关的力学参数。

一般管轴式吊耳结构见图四（a），其载荷线见图4（b）有L1、L2、L3、L4四条。

a、求载荷线束对吊耳中心水平轴线的惯性矩：

式中，J1、J2、J3、J4为载荷线L1、L2、L3、L4对水平轴线的惯性矩。

r1—吊耳加固板的外径，mm，一般r1=1.5r2；

r2—吊耳外径，mm；

r3—吊耳内径，mm。

b、求载荷线的长度：

L=2π(r1+r2)+2r3mm

式中除L外，其余符号含义同前。

c、求线载荷值：

先据吊装重量等条件求出图四（a）所示的PB、PA、ML,然后求下列线载荷：

(2)吊点处的应力核算：

按下式计算：

式中，σat—器壁生根部位应力，Mpa；

f—线载荷值，N/mm；

其余同前。

3.1.2 应力校核不安全时的措施：

当吊耳对设备施加的压应力大于材料的许用应力时，根据公式（4）可采取以下措施来降低局部应力。

①增大吊耳数量以降低吊耳的载荷，从而降低局部应力。②增大吊耳尺寸，以增加载荷线的长度和惯性矩，或采用卡箍式吊点（此法特别适合于需加垫或不锈钢设备）降低应力。

③在吊耳处加固设备或将吊耳置于有加固件的部位，以增加设备的当量厚度而降低应力。

3.2 绑扎式吊点：

在设备绑绳处，除了承受轴向压应力及弯曲应力外，设备还承受绑绳作用在其周围的径向压力，此压力使塔体绑绳处一圈产生很大的周向应力。在此径向压力超过临界压力时，壳体即会丧失稳定而破坏。因此，必须核算壳体的稳定性，必要时还应采取措施加固壳体。

3.2.1 壳体的稳定性校核

将用支撑加强的设备部分，看作截面积不变的其两端用铰链连接的拱见图5，此时壳体的单位长度上临界压力按下式计算：

K—系数，当无支撑时，K=3；有支撑时，按表1选取。

计算时，应计算加强截面及壳体截面二者复合截面的惯性矩。其壳体截面的宽度b应等于绑绳的压挤面宽加上8δ（壳体

式中，R、E同前；

J—塔壁上圈截面的惯性矩（mm4），厚度）。一般吊装时，绑绳处都应加垫有木块，此时，b可考虑按木块的长度计算。

表1 系数K的取值表

由于绑绳的拉力P（即为起吊滑车组所受的拉力）作用在单位长度塔壁弧线上的有效载荷可近式按下式计算：

3.2.2 保证壳体稳定性的措施

由公式（5）可以很容易地看出，通过下述措施增加K值和塔壁的惯性矩以提高临界拉力，可以保证绑扎处的安全。

（1）塔内加支撑或加固圈，增加K值或提高J；

（2）塔外加垫板或加加固圈；

（3）将绑扎吊点置于有加固件（如塔盘等）的地方。

4 设备支座（尾部）的应力核算及加固

4.1 应力核算

设备开始吊装离开水平位置后，设备底座和排子上鞍座从理论上讲为两点接触，这时底座环的弯矩见图6：

MB1=MB2=Mmax=-0.086RBr（N·mm）

式中，r—近似取裙座筒体中心半径，mm；

RB—设备底座处的支反力，N;

强度条件为：

式中，W—底座处的抗弯截面积模量，mm3；其余符号意义、单位同前。抗弯模量W按图7计算。

4.2 加固措施

由以上强度条件可知，当底座环强度不能满足时，可在裙座筒体设加固圈或在最大弯矩处（鞍座顶端与底座环板的接触点）设立支撑。然而，往往底座环板与鞍座接触点的挤压强度不能满足，这时可以通过加在底座环处的加固梁设置底座铰链来解决。

5 结束语

综上所述，可以得出以下结论：

5.1 在设备安装过程中，校核因吊装而产生的设备应力是非常必要的工作，也是设备吊装方案设计的重要内容。

5.2 通过公式（2）、（3）、（4）、（5）、（6）分别对设备整体、吊点处、底座处的应力校核和采取以下措施可以保证吊装过程设备的安全。

(1)选择、设计合适的吊点位置、吊点数量和吊点形式、结构、尺寸。

(2)在设备的最大应力处设置加固圈或支撑，或通过改变吊点的位置而使最大应力发生在有加固件（塔盘、抗风圈）处。

(3)设置底座回转铰链，从而改变设备底座在吊装过程中的受力以保证吊装过程的安全。

以上是对保证设备吊装过程安全探讨。由于资料、知识水平有限，不妥之处在所难免，望各位同仁、专家批评、指正。

参考资料

1《化工容器设计》.[美]L.E勃朗奈尔、E.H杨著.璩定一、谢瑞授译.上海科学出版社.

2《静置设备吊点对器壁局部应力的核算》.胡家新.

3《石油化工吊装工作手册》石化部第三石化建设公司编.石油化学工业出版社.

book=66,ebook=105

TE9

B

1672-9323（2010）05-0066-04

2010-07-20）