千吨级分离塔吊装的有限元分析与试验研究

王 欣,马 寅,施文昊,孙晓天,焦 博

(1.大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116023; 2.中石化第十建设有限公司,山东淄博255438; 3.大连益利亚工程机械有限公司,辽宁 大连,116025)



千吨级分离塔吊装的有限元分析与试验研究

王 欣1,马 寅2,施文昊1,孙晓天3,焦 博3

(1.大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116023; 2.中石化第十建设有限公司,山东淄博255438; 3.大连益利亚工程机械有限公司,辽宁 大连,116025)

针对大型吊装工程,引入结构应力测试技术,实现实时监测结构应力变化状态,为实际吊装过程提供有力而及时的数据支持.以4000吨履带起重机首次吊装工程为例,对被吊设备的裙座结构进行了加强设计,并通过了有限元分析.在实际吊装过程中,引入应力测试技术,进行了加强部位的应力测试,并与有限元结果对比,相互印证了有限元与测试结果的合理性与可信性,同时对结果进行了讨论,为进一步改善结构与机构提供了数据支持.应力测试技术的引入,将实时获知结构应力的变化状态,为现场指挥者提供了数据支持,便于正确判断指挥.

吊装; 有限元; 应力测试

WANG Xin1,MA Yin2,SHI Wen-hao1,SUN Xiao-tian3,JIAO Bo3

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China;2.Sinopec Tenth Construction Co.,Ltd.,Zibo 255438,China;3.Dalian YILIYA Construction Machinery Co.Ltd.,Dalian 116025,China)

随着是石油化工、煤化工、核电等行业建设工程的不断扩大与升级,千吨级吊装已逐渐普及[1].仅从千吨级被吊设备及吊装用千吨级起重机高达亿元的成本角度,对吊装技术及安全性的要求明显是越来越高,这就要求吊装方案的精细化计算及吊装过程的精细化控制.目前国内在吊装方案方面采取了多种方式方法来不断挖掘可能存在的吊装隐患,并提供先进的设计手段,如吊装仿真、吊装方案精细化计算等.但在吊装实施过程中,仍需要指挥人员及起重人员凭借经验进行人为判断.如果通过相应监测手段能提供更多实时的准确监控数据,这无疑将更有效地提高人员的判断准确率.

应力测试技术相对成熟,在工程机械等领域得到了广泛应用,主要用于对结构静动特性的研究.文献[2-4]采用动态测试和瞬态分析方法研究液压挖掘机工作装置在常态挖掘过程中的动应力特性;文献[5]对顶驱回转头吊耳进行了应力测试及有限元计算分析;文献[6]对井架模型起升过程进行了应力测试分析;文献[7]对2万吨桥式起重机及双梁多吊点的吊装方式进行了实际应力测试;文献[8]对1300 t起重船起吊系统中的吊臂、千斤柱进行了应力测试与有限元分析;文献[9]对大型非锚固原油储罐进行了应力测试与有限元分析.

上述文献更多是从设计研究角度采用应力测试对结构进行动特性分析,还很少有应用于吊装领域里的实时吊装过程.为此本文将应力测试引入到吊装过程中,实时监测关键部位的应力水平,为指挥人员提供更为量化而准确的数据.一方面是理论计算与实践的相互验证与补充,更重要的是通过实时监测过程数据,预见可能的危险性,从而提高吊装的安全性.由此实现计算分析与测试的有机结合,从而实现从设计到实施全过程的吊装安全性.

本文以4000 t履带起重机的首次吊装工程为例,该吊装是国际最大吨位履带起重机的吊装,所选用的溜尾机也是全新结构.由于吨位大、产品新,因此给吊装带来了很大挑战.为确保吊装的安全性与实时性,根据吊装条件,对被吊设备的裙座结构进行了加强设计,并通过了有限元分析.然后在吊装实施过程中对被吊设备的重要部位安装了应力测试装置,实时监测应力状态,以便准确判断实施过程中的每一步工作.

1 吊装工程描述

本次吊装的是万华烟台工业园项目工程中重量最重、高度最高的一台设备——丙烯丙烷分离塔.设备直径达10.4 m,长114.7 m,总重达1 283 t,是目前世界上最大的丙烷脱氢装置核心塔器.此设备整体预制好后呈水平状态运输到现场,通过主副溜尾起重机协同作业,将其在空中翻转至直立工作状态,然后由主起重机独立吊装至目标位置.考虑吊具及附件等,吊装总重为1 680 t,起升高度为118 m,因此选用徐工集团的XGC88000型4 000 t履带起重机作为主起重机,主、副臂组合工况108+33 m,负荷率达94%.溜尾机也是全新产品,仅借用了履带起重机的下车,增加必要的溜尾平台和油缸等器具,组成新型自行式溜尾机,协助分离塔在空中翻转.图1是作业过程.

此次吊装有三处创新:一是分离塔为目前全球吨位最重、高度最高的设备;二是主起重为世界上最大吨位的4 000 t履带起重机;三是溜尾机为全新型自行式产品,这给吊装带来很大挑战.此外,溜尾机的高度明显降低,增加了作业的安全性,与此同时,也使得溜尾吊点与以往的设计有所不同,从常规的上至方式改为下至方式.分离塔末端的裙座结构加强也需要细致计算,因此本文将从裙座结构入手,提出其加强方案,应用有限元加以计算分析,然后在实施过程中采取应力测试监测结构的应力状态,辅助吊装指挥完成作业.

图1 吊装过程

2 分离塔裙座结构的加强设计与分析

通常的反应器在正常工作时竖立于地面,作为支撑结构的裙座通过螺栓与地基支座连接,主要承受反应器自重的轴向载荷,结构内部构造简单,仅是筒状结构.在吊装安装时,需要将水平放置的反应器通过主、副溜尾起重机协同翻转成直立的工作状态.在翻转过程中,置于裙座结构上的溜尾吊点将承受较大的径向载荷,这与反应器工作状态时的纵向载荷相比,载荷方向指向其薄弱的径向方向,会产生很大变形,易导致破坏,因此必须对裙座结构进行加强.

图2 裙座的加强形式

目前裙座的加强方式有多种[10],如图2所示.加强的最主要目的是减小变形,分散集中载荷.由于溜尾吊点设置在裙座中心轴线下方,为了更好地传递载荷,选取了十字梁、双梁和两个三角型梁的加强形式进行对比分析.通过对分离塔水平状态的有限元计算,如图3所示,可以看到,十字型和双梁结构相对薄弱,筒体局部变形较大,易产生应力集中.三角梁形式本身结构稳定,而且与筒体支点数量多,可将筒体划分多个区格,使得局部刚性较强,阻止变形能力强.但下三角形形式不够均布,应力较大,因此最终选择接近正三角形的结构形式,作为裙座的加强形式.

图3 裙座加强结构有限元分析

2.1 有限元建模

三角形梁由3根H型钢组成,两两型钢与筒体汇合处采用加强筋板连接,减少应力集中.在筒体下方两H型梁与筒体交汇处适当拉开距离,设置两个溜尾吊点.为便于计算,在建立整体分离塔有限元模型时,分离塔筒体采用板壳单元,三角形加强梁的H型钢采用梁单元,吊耳采用实体单元.由于裙座加强部位是分析重点,而且单元种类多,因此对此处进行了网格细分,筒体其他部位应力梯度相对不大,网格进行了相对粗分.整体模型如图4所示,单元数为97462,节点数为104331.

图4 分离塔有限元模型

分离塔在吊装过程中主要承受自重及主吊点和溜尾吊点载荷,在翻转过程中,裙座相应部位会与溜尾机平台接触,并起到一定支撑作用.此接触处的位置将随着翻转角度的变化而变化,当达到直立状态时,溜尾吊点和接触处脱离分离塔,则仅主吊点连接主起重机和分离塔.图5是分离塔在水平状态、翻转状态和直立状态下的受力分析图.

图5 受力分析图

分离塔状态约束条件水平状态1点与2点全位移约束翻转状态1点3点全位移约束直立状态1点全位移约束

通过受力状态进行有限元模型的约束与载荷施加,3种状态的约束条件见表1.在翻转状态,溜尾吊点力作为载荷施加在相应吊点孔处,需要通过力矩平衡原理计算获得,见式(1).分离塔的自重及重心位置依据实际数据按密度和质量点方式施加,并保证有限元模型与实际结构的一致性.

(1)

式中：FY，FZ分别为y和z向的载荷；M为力矩；F1,F2,F3分别为主起重机吊点力、溜尾吊点力和溜尾机平台支撑力.

2.2 计算结果分析

根据上述约束与载荷的施加情况,我们对分离塔在水平、翻转及直立几个状态下进行了分析,选取分离塔在6°,15°,30°,45°,50°,60°状态的应力云图,如图6所示.从各个状态的应力云图中可以看到,分离塔的应力很小(75 MPa以内),应力较大的部位集中在裙座的三角形梁上,但普遍在160 MPa以下,满足材料使用要求(Q345B材料,许用应力为257 MPa).由此看出,三角型梁结构的加强措施是合理可行的.

3 应力测试试验方案与实施

为进一步验证计算结果的合理性,也为了保证实际作业过程的安全与可靠性,本文提出在实施吊装过程中对结构应力进行测试.

图6 有限元应力云图

应力测试采用常用而成熟的电阻应力应变测试法[11],应用应变仪完成测试工作,测量原理如图7所示,测试工具见表2.

图7 测试原理

仪器元件名称型号用途静态应变采集仪DH3816静态数据采集应变片BX120-3BA测试结构应变数据导线3芯、低阻导线传输测试数据笔记本电脑-控制、储存数据

应力测点选择.从有限元计算结果中看到,分离塔的应力很小,应力主要集中在裙座的三角形梁上,因此选取了三角形梁的上下翼缘板各4个测点,位置在接近梁的中段(图8a所示).由于梁翼缘板主要承受单向应力,因此在沿应力主方向粘贴应变片.吊耳的受力及应力也是值得关注的,因为涉及到两吊耳载荷的均衡问题,为此在吊耳处选择8个测点,分别设置在吊耳孔的正上方和侧方以及前后耳板位置,如图8b所示,并沿着主应力方向粘贴应变片.这样,共选择12个测点,分别位于三角形梁和吊耳处.

图8 测点选择

图9 应变片与测试工具

实际贴的应变片及测试仪器如图9所示,测试仪置于溜尾机尾部,与溜尾机一同行走.测试仪在测试过程中,每间隔一定时间进行应力测试并记录,最终形成应力历程曲线.为了解应力与分离塔状态的对应关系,我们在与裙座接触的溜尾平台上安装了角度记录仪,用来记录应力所对应的角度状态.图10是吊装与测试过程.

4 应力测试与有限元结果的对比与讨论

根据实际吊装试验,我们对测试结果进行了整理,选取了6°,15°,30°,45°,50°和60°状态下的测试应力,并与有限元结果进行了对比.

(1) H型梁测点应力对比分析.表3是H型梁测点的应力对比,图11是测点误差.从表和图中可以看出,H型梁的测点应力随分离塔角度的变大而减小,这是符合应力变化趋势的,因为溜尾力随着分离塔角度的增加而逐渐减小.此外,H型梁上测点处的应力误差普遍在±10%以内,表明有限元计算结果与测试结果还是比较接近的,有限元计算的应力结果具有较好的可信度.

(2) 溜尾吊耳测点的应力值对比分析与讨论.表4是溜尾吊耳测点的应力对比,可以看出,吊点前后耳板的测点应力有明显变化,表明吊耳前后单板承受的载荷不均,如测点7与8,测点9与10,测点11与12,测点13与14.左右吊点的对称测点应力也有不同,如测点7与13,测点8与14,测点9与11,测点10与12,表明左右吊点载荷不均.而有限元是按照载荷均布来计算的,因此其结果与实测应力误差较大,但可以看出两者应力趋势是相同的,都是随分离塔角度的增加而减小.

测点6°工况30°工况60°工况测试值计算值测试值计算值测试值计算值1-184.7-165.0-174.1-162.1-105.6-116.92-162.9-164.9-149.1-162.0-92.7-116.73-200.9-161.9-187.8-164.2-108.5-99.74-188.9-162.2-184.3-163.9-112.3-99.95-437.7-410.4-365.8-391.9-260.4-248.8

图11 测点误差

表4 溜尾吊耳上各测点的应力值对比分析表 单位(MPa)

分析其原因,主要有两点:一是分离塔重心在x轴上存在出入,图纸与实际完成的产品重心之间存在一定的差异,而有限元分析是按图纸数据来建模计算的.由于分离塔中要安装很多附件,在各附件重量重心估计上难免存在误差,这将导致左右吊点载荷有差异;另一点是溜尾吊点在方案设计时是要求其载荷始终处于裙座的径向平面内,但实际情况是,吊点与油缸之间是通过钢丝绳连接的,因此会不可避免存在一定的角度误差,致使吊点前后耳板载荷存在差异.图12是溜尾吊点与溜尾机的钢丝绳连接图.

由此我们可以看出,应力测试可以很好地检验设计方案,并能及时准确地提供结构应力,为指挥者提供更好的现场数据支持.同时也可根据测试数据,进一步改进结构与机构形式,使得载荷更为均布.

5 结论

通过对比分析裙座的加强结构,本文选用三角型梁结构,并进行有限元分析.在实际吊装过程中,引入结构应力测试,与有限元结果对比,相互印证两者的计算结果的合理性.与此同时,应力测试是对设计方案的检验,也是对设计方案的有力补充,可以提供更真实准确的应力结果,给予指挥者及时的数据支持,从而实现准确的判断与指挥,顺利完成吊装任务.因此,应力测试的引入,对吊装过程的安全实施提供了良好的数据支持与安全保证.通过试验数据,可以进一步有的放矢地对结构与机构进行改善.

[1] 关则新.国内外大型石油化工设备吊装技术及装备的比较和分析[J].石油工程建设.2010,36(4):51-55.

GUAN Zexin.Comparison and analysis on hoisting technology and equipment for large petrochemical facilities at home and abroad[J].Petroleum Engineering Construction,2010,36(4):51-55.

[2] 任志贵,陈进,王树春,等.液压挖掘机的动应力测试与瞬态分析[J].华南理工大学学报:自然科学,2014,42(1):22-28.

REN Zhigui,CHEN Jin,WANG Shuchun,et al.Dynamicstress test and transient analysis of hydraulic excavator[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science,2014,42(1):22-28.

[3] 朱静波,罗一平,刘心田,等.挖掘机动臂应力测试及优化[J].上海工程技术大学学报,2013,27(4):365-368.

ZHU Jingbo,LUO Yiping,LIU Xintian,et al.Stress test and optimazation of excavator boom[J].Journal of Shanghai University of Engineering Science,2013,27(4):365-368.

[4] 陈进,吴俊,李维波,等.大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测试[J].中国工程机械学报.2007,5(2):198-203.

CHEN Jin,WU Jun,LI Weibo,et al.Finite element analysis and stress testing for manipulator in large-sized face-shovel hydraulic excavators[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2007,5(2):198-203.

[5] 赵挺,侯德门,王一兵,等.顶驱回转头吊耳应力测试与有限元分析[J].石油矿场机械,2014,43(5):42-45.

ZHAO Ring,HOU Demen,WANG Yibing,et al.Top drive turned back lug stress test and finite element analysis[J].Oil Field Equipment,2014,43(5):42-45.

[6] 张浩,柳登瀚,张冉,等.K型井架相似模型起升过程应力测试分析[J].石油工业技术监督,2014,(7):44-47.

ZHANG Hao,LIU Chenghan,ZHANG Ran,et al.Stress test analysis of K-type derrick similar model during lifting[J].Technology Supervision in Petroleum Industry,2014,(7):44-47.

[7] 李天侠,王树青,王为东.20 000 t桥式起重机吊装应力测试与分析[J].起重运输机械,2011,(5):77-81.

LI Tianxia,WANG Shuqing,WANG Weidong.Stress test analysis of 20 000 t bridge crane during lifting[J].Hoisting and Conveying Machinery,2011,(5):77-81.

[8] 汪雅棋,沈超明,赵虹,等.1 300 t箱形吊臂起重船起吊系统强度校核及应力测试分析[J].科学技术与工程,2011,11(27):6772-6778.

WANG Yaqi,SHEN Chaoming,ZHAO Hong,et al.Strength check and stress test for hoisting mechanism of the 1 300 t box-type derrick floating crane[J].Science Technology and Engineering,2011,11(27):6772-6778.

[9] 刘巨保,陈冬芳,夏克亮,等.大型非锚固原油储罐应力测试与有限元分析[J].石油化工设备,2009(6):23-27.

LIU Jubao,CHEN Dongfang,XIA Keliang,et al.Research of stress distribution and FEA for a large non-anchoring crude oil storage Tank [J].Petro-Chemical Equipment.2009(6):23-27.

[10] 樊兆馥.重型设备吊装手册[M].北京:冶金工业出版社,2001.

FAN Zhaofu.Lifting handbook of heavy equipment [M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2001.

[11] 周兵谊,王勇,曹亮.基于静态应变测试系统的应变与位移测试方法研究[J].机械与电子,2005(6):17-19.

ZHOU Bingyi,WANG Yong,CAO Liang.Study on stress and displacement measurement based on static strain testing system[J].Machinery & Electronics,2005(6):17-19.

Finite element analysis and testing on kiloton knockout tower lifting

For heavy lifting constructions,the structural stress testing is proposed for real-time structural stress variation monitoring and timely data supporting.By using the first lifting by a 4000-ton crawler crane as an example,the skirt structure is designed and reinforced via finite element analysis (FEA).During practical lifting process,the stress testing is applied for the enforced position.With comparison of the results from FEA and testing,the further structural and mechanism improvements are realized via data supporting.The real-time stress variation can assist on-site directors in correct judgment and instruction.

lifting; finite element; stress testing

TG 405

A

1672-5581(2016)01-0077-06