塔器吊装吊耳设计新方法的探讨

杨之华

南京扬子检修安装有限责任公司 江苏南京 210048

对于塔器吊装来说，吊耳结构的合理设计是塔器顺利吊装的关键[1]。塔器常采用焊接吊耳起吊设备，一般参照HG/ T21574- 2018《化工设备吊耳设计选用规范》进行选型和设计。但实际在压力容器制造厂制造此类设备时，设计人员往往忽视了吊耳的设计和制造，给安装单位带来不便，也给工程施工埋下了隐患。尤其对于需要整体热处理的塔器，根据TSG21- 2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，压力容器焊接工作全部结束后方可进行焊后热处理。本文以某石化公司8万m3/ h 重整氢提浓装置吸附塔整体更换吊装为例，对塔器吊装的吊耳设计提出了新的设计思路，并通过有限元分析，结合实际应用进行验证，为塔器安全吊装提供可靠的依据。

1 吸附塔基本参数

8 万m3/ h 重整氢提浓装置吸附塔塔体高度为13753mm，内径为3200mm，筒体厚度28mm，设备主体材料Q345R（正火）。设备需要焊后整体热处理，焊接接头系数(φ)为1。设备最大吊装重量为33210kg。

2 吸附塔吊装吊耳设计新方法

压力容器制造厂制造本台设备时，并没有设计和制造吊耳，且已送至安装现场。考虑到该吸附塔塔顶有公称尺寸为DN600 的人孔，安装公司提出了在人孔法兰上加设管轴式吊装工具，通过人孔法兰进行吊装的思路，如图1 所示。

图1 吊装工具设计图

3 吸附塔吊耳有限元计算

3.1 有限元力学模型建立

根据结构和载荷特性，考虑塔体结构及各个管口结构，设备主体部分建立全模型，封头和筒体上的接管包含在有限元模型中。有限元计算采用ANSYS17.0，并采用SOLID185 单元（8 节点），网格划分全部采用规则的六面体网格进行划分。整个模型共175208 个分节点，136765 个网格单元。如图2 和图3 所示。

图2 构件有限元模型

图3 有限元模型网格

3.2 竖吊工况有限元应力分析

考虑设备在起吊时的危险工况，动载荷系数取1.6，对整体施加重力载荷，挡圈与补强圈之间管轴下半部分外表面施加全约束。分析结果如图4—7 所示。

图4 总体应力图

图5 上封头应力云图

图6 人孔应力云图

图7 吊装工具应力云图

根据规范JB4732－1995《钢制压力容器——分析设计规范》（2005 年确认版），对吸附塔各部位强度的具体评定见表1。

对设备的有限元应力分析结果表明，结构满足强度要求。且由该规范附录1 可知，3 个主应力的代数和未超过4Sm，满足规范中第5.5 条要求。没有做线性化的最大Tresca 当量应力小于1.5KSm(K=1)，无需做线性化处理，应力强度评定合格。

平吊工况有限元应力分析见图8—11。表2 为平吊工况应力强度评价结果。

3.3 螺柱计算

3.3.1 螺柱强度校核

根据GB150.3- 2011 中7.5.2 条，预紧状态下需要的最小螺柱载荷（WG）按公式（1）计算。

表1 竖立工况应力强度评定结果

图8 总体应力图

图9 上封头应力云图

图10 人孔应力云图

图11 吊装工具应力云图

式中：WG—预紧状态下需要的最小螺柱载荷；

Fa—预紧状态下需要的最小垫片压紧力；

DG—垫片压紧力作用中心圆直径；

b—垫片有效密封宽度；

y—垫片比压力。

本设备中，管口垫片外径692.2mm，内径641.4mm，垫片接触宽度为25.4mm，根据GB150.3- 2011 中表7- 1，得：

b0=35.4/ 2=12.7

表2 平吊工况应力强度评定结果

DG=692.2- 2b=674.16

y=69

WG=Fa=3.14DGby

=3.14×674.16×9.02×69=1317492.821N

由设备重力引起的竖向载荷(FV）：

FV=33210×9.81×1.6=521264.16N

承受在螺柱上的总载荷（F）：

F=1317492.821N+521264.14N=1838756.98N

该法兰连接平盖共设24 个M39x3 螺柱，平均到每个螺柱上载荷（F'）：

F1=1838756.98N/ 24=76614.87N

则螺柱应力（σca）计算见式（2）。

式中：σca——螺柱应力；

d1——螺柱直径。

35CrMoA 螺柱M39×3 屈服强度ReL=685MPa，考虑螺柱安全系数3.0，取M33 螺柱许用应力[σ] =228MPa。

σca＜[σ]=228MPa，表明螺柱校核合格。

3.3.2 螺柱数量的确定

单只螺柱截面积（A1）计算见式（3），螺柱数量（n）的确定见式（4）。

n≥F/ A1[σ]=1838756.98/ (1003.9×228)

= 8.03

满足吊装要求的螺柱数量为10 只，考虑吊装过程中的综合影响因素，确定紧固螺柱数量最少为18 只。

吊耳板吊索方向的最大剪应力（τL）的计算式见式（5）。

[τ] = 0.5 × 228 = 114 MPa

τL＜[τ]，满足要求。

综上所述，吸附塔吊耳吊装工况中，吊耳、人孔法兰、设备封头、筒体和连接螺栓均满足吊装要求。

4 实际工程应用

图12 实际施工图

某石化公司8 万m3/ h 重整氢提浓装置吸附塔整体更换吊装，根据上述所设计的吊耳进行了安全吊装，实际施工情况如图12 所示，充分验证了吊耳设计新方法是安全可靠的。

5 结束语

结合实例，提出了塔器吊装吊耳设计的新方法，进行有限元应力分析。由分析结果以及实际应用可知，该方法设计的吊耳强度是安全的，为在特殊情况下吊装吊耳设计提供了一种新的设计方法，可供工程应用参考。