塔式容器用吊耳的校核计算探讨

赵浩亮

摘 要：以下主要探讨塔式容器吊耳校核计算，并通过对塔式容器吊装过程中的两种危险状态的受力分析，给出吊耳、设备本体及焊缝的强度计算方法及校核条件。

关键词：轴式吊耳； 塔式容器；焊缝；力矩平衡；校核计算

对于石油化工塔式容器，常采用焊接吊耳起吊设备，对于吊耳的选用及其型式，可以参照HG/T21574-2008（化工设备吊耳及工程技术要求》选择，也可以根据实际施工情况由设计人自行设计。自行设计时，需要根据吊耳和设备在整个吊装过程中的受力状态进行校核计算，确保吊耳及设备本体的安全可靠性。本文将就这一问题进行讨论，给出吊耳、设备本体及吊耳与筒体焊缝的计算方法和校核条件。

1.确定吊耳的结构型式

设计或选用吊耳时，一般根据设备的型式、质量、外形尺寸等条件确定吊耳的型式，初定吊耳的几何尺寸，然后再进行全面的校核计算。对于重型直立设备，轴式吊耳因其结构简单、吊装方便、受力情况较好，所以使用频率较高。轴式吊耳可分为三种型式，详见HG/T21574，即AXA型、AXB型、AXC型？。本文以AXA型为例进行讨论，其结构如图1所示。其他型式吊耳的计算过程可参照本文。

2.确定吊装过程中的危险工况

在设备的整个吊装过程中，吊索与竖直方向的夹角仪在HG/T 21574中被限制在l5。之内，吊装状态如图2所示。在设备处于水平状态刚起吊的时候，设备所受外力产生的弯矩处在最大状态；而当设备完全直立且尚未落在基础上时，设备所受的外载荷达到最大状态。因此根据吊耳承受的外力状态，对吊耳进行载荷分析时，选取两种极端的危险工况进行计算，即水平刚起吊时和完全直立尚未落在基础上时的状况。

3.校核计算

对于塔设备两种极端危险工况校核计算，可分为吊耳的强度校核、设备本体的强度校核、焊缝强度校核以及局部应力校核。在设备刚起吊位于水平状态时，由于设备受到地面支反力的作用，此时吊耳受力并没达到最大；而此时由于设备水平放置，其所受风载荷也比较小，因此可只考虑设备本体强度的校核。在设备完全直立未落在基础上时，此时吊耳承受设备质量及风载，其受力达到最危险状态，故此时考虑吊耳的强度校核、焊缝强度校核及筒体的局部应力校核。

3.1 设备刚起吊位于水平状态

在这种状态下，设备承受的载荷有：设备自身的重力G，作用在设备裙座底板处的地面支反力F1，吊索对设备的起吊力，水平风载荷Pw。

3.1.1 吊耳载荷的确定

此状态下吊耳通过吊索作用的力要平衡水平风载荷和设备自身的重力。而水平方向设备所受的力只有吊索在水平方向的分力和风载荷，如果设吊索作用在吊耳上平衡风载荷的力为Fw，则由力矩平衡得：

式中 H-设备的总高，mm；

h-吊耳至设备裙座底面的距离，mm。

设备起吊时，吊索受拉，可按Fw，只作用在一个吊耳上进行考虑。竖直方向上的力如图3所示，如果设作用在单个吊耳上平衡重力的力为FG，则

式中 Ho- 设备重心至裙座底面的距离，mm。

而通常考虑到起吊时的惯性力和载荷不均匀等情况会引入一个系数，所以实际吊索作用在吊耳上平衡重力的力FG1为：

式中C-考虑惯性力和载荷不均匀的过载系数，可取1.4。

那么已知吊索与竖直方向的夹角为a，则吊索作用在吊耳上的力 F2为：

由上式可以得出吊索作用在吊耳上的沿吊耳轴向的载荷 为：F1

吊索作用在吊耳上的沿吊耳径向的载荷Fr为：

3.1.2 风载荷的确定

水平风载荷可按JB/T4710-2005《钢制塔式容器》，即，

上式中各符號说明见JB/T4710-2005《钢制塔式容器》。

3.1.3设备本体的强度校核

由材料力学知，圆形简体横截面的抗弯截面模量为：

所以，水平状态设备横截面上的最大应力 为：

设备强度校核条件为，其中[]为设备本体材料的在相应温度下的许用应力，MPa。

3.1.4 设备所受弯矩的确定

设备垂直方向受力简图及其剪力、弯矩图如图3所示。根据受力平衡和力矩平衡分别可求出裙座处地面对设备的支反力和设备所受弯矩。根据受力平衡和力矩平衡可得：

Fl = G 一2FG

Max=2FG（h一Ho）

3.2 设备完全直立尚未落在基础上的状态

设备处于完全直立而又未落至基础上时，作用在设备上的载荷有吊索对设备的起吊力F2，风载荷Pw。

3.2.1 风载荷的计算同3.1.1。

3.2.2 吊耳载荷的确定

从安全角度考虑，设风载荷全部由一个吊耳承受，设吊索作用在吊耳上平衡风载荷的力为Fw，则

Fw =Pw

设作用在单个吊耳上平衡重力的力为FG，则

已知吊索与竖直方向的夹角为Od，则吊索作用在吊耳上的力F2为：

故可得吊索作用在吊耳上的沿吊耳轴向的载荷为F1：

Fl =F2 sina

吊索作用在吊耳上的沿吊耳径向的载荷Fr，为：

Fr=F2 cosaa

3.2.3 焊缝一强度校核

此状态下考虑F1在焊缝一中引起的剪应力为：

式中 hA--焊缝腰高。

校核条件为

式中--焊缝金属的许用应力，MPa；

* - 焊缝系数。

3.2.4 焊缝二强度校核

此焊缝中由各载荷引起的应力如下。

载荷F1在焊缝中引起的剪应力为：

載荷Fr在焊缝中引起的拉应力。为：

载荷Fr在焊缝中引起的弯曲应力为：

上述三式中

d1- 垫板外直径，mm；

ha--焊缝腰高，mm；

Ww - 焊缝处的抗弯截面模量，

此焊缝的强度校核条件[3]为：

式中-焊缝金属的许用应力，MPa。

当=240MPa时，；当时，；其他情况按下式确定：

对于上述强度校核条件，式中的同名应力分量按代数值相加，但是一般保守的计算，同名应力分量也可按绝对值相加。

3.2.5 吊耳的强度校核

此种状态时材料力学中典型的拉伸和弯曲组合状态。

载荷F1引起的拉应力为：

载荷F， 引起的弯曲应力为：

上两式中

A--吊耳横截面面积，

do-吊耳管轴外径，mm；

di-吊耳管轴内径，mm；

L1- 起吊点至吊耳加强板的距离，mm。

吊耳横截面抗弯截面模量，

。

因此，吊耳受组合应力强度为：

吊耳强度校核条件为：，其中[]为设备吊耳材料在相应温度下的许用应力，MPa。

4.结束语

吊耳选型相当关键，它关系到设备吊装安全，因此正确地对吊耳进行选型和校核就尤为重要，才能避免安全事故发生 。因此在现阶段设备的吊装工作中，只要设备自身强度能够满足要求，一般都会将主吊耳设置在设备的头部，使其避开管口，尽管这样的设置会使溜尾力和吊车级别随着主吊耳的上移而增加，但是可以有效减少高空作业量，使吊装过程变得平稳，从而确保吊装工作的安全、顺利进行。总的来说，在选择吊耳的焊接位置前，要对现有的机索具、吊装现场条件、项目投入吊车资源、设备管口方位以及设备制造排版图等情况进行深入了解，再根据实际情况制定出最为合理的吊装方案。

参考文献

（1） HG/T 21574-2008，化工设备吊耳及工程技术要求[s]

（2） 起重吊装计算及安全技术.：中国建筑工业出版社。

（3） JB/T 734-93，锅炉角焊缝强度计算方法[s].