大型汽轮机多功能起吊横梁的研制

谢龙飞 刘 祥 罗 霞

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

目前，大功率汽轮机和燃气轮机零部件的尺寸及重量越来越大。特别是半转速核电汽轮机，最大转子长度已超13 m、重量达282 t；最大高中压汽缸长度接近12 m、实际重量约340 t；最大低压内缸宽度13.2 m、实际重量约250 t。大功率火电汽轮机、燃气轮机同类大件尺寸和重量约为核电的0.5～0.9倍左右。这些大型件在制造厂经铸造、锻造、焊接、荒加工、粗加工、热处理、精加工、试验、总装、表面防护、包装、储运等过程一般需进行数十次、多则过百次的起吊及翻身工作。其中用到起吊横梁(后称吊梁)的次数一般超过50%，而工作量却要占到吊运量的80%以上，起吊效率直接影响制造成本。汽轮机和燃气轮机大型零部件制造精度高，吊运中需严防坠落、磕碰和塑性变形，工件悬挂状态必须处于正确位置，必须水平。工件制造成本高、报废或损伤返修会带来极大的经济损失，故吊索具和起吊方式须安全可靠。目前公司所用多数吊梁只能满足当前特定对象的起吊翻身要求，一旦产品变化，就无法继续使用，不得不添制新的吊梁，致使吊索具成本很高。基于这些问题，研制了新吊梁。

1 现有吊梁和起吊方式

目前，现有吊梁和起吊方式存在以下：

(1)在用吊梁种类多、数量多，并占用了不少的生产场地；

(2)功能单一，对起吊对象有特定要求；

(3)吊点位置调整繁琐、费时、劳动强度大；

(4)被吊工件调平时间长、精度低，效率低；

(5)吊索的配备不够合理，吊索的选择受吊点结构受限制；

(6)存在安全隐患主要有梁的吊架位置固定方式不合理，其中最典型的是以压紧代替定位；

(7)个别大型吊梁就针对某个特定件的起吊、翻身设计，下挂绳就几个固定吊点，通用性差；

(8)吊点结构不合理，吊索易损伤；

(9)成本高等其它问题。

电厂吊梁使用频率较低，功能单一造成吊梁数量多，既浪费又占用场地。现就在用部分典型吊梁进行分析。图1(a)吊梁的吊架在梁上的定位纯靠摩擦力，当梁倾斜或下挂绳与梁不垂直或吊运中晃动较大时，吊架易串位，造成工件滑落。图1(b)和图1(c)结构相似，通过链轮、丝杠结构手动调整吊架位置，费时、劳动强度大，下挂绳须尽量垂直于梁的长度方向，图1(b)吊架板钩棱角R太小，易伤吊带；图1(c)吊架横担在梁上，当吊架两端头拉力不一致时，梁会横向倾斜，使用范围受限。图1(d)和图1(e)为同一吊梁，可移动滑块在梁上的定位采用螺钉反压方式，定位效果差，梁的横截面高、窄，上下挂绳的吊点高低差过大，工作状态梁有侧翻趋势。图1(f)是核电转子专用吊梁，下挂绳的挂点少，无通用性，要吊运其它大件，须另配吊梁。上挂绳为吊带，成本高，对起重机吊钩棱角大小有一定要求，大吨位吊梁在使用时，常出现吊钩伤吊带的现象。另外，吊带易粘、挂铁屑。目前，我公司类似吊梁已将吊带换成钢丝绳，见图1(j)。图1(g)、(h)、(i)、(k)是四种汽缸翻身吊梁，其中图1(i)是345～400 t改制梁，吊板位置可调、多吊点、通用，缺点是总长偏短。另三根梁通用性差，吊点位置少，调位困难，更换吊索费时费事。图1(j)、图1(k)是分别用300 t和205 t专用梁改制的通用吊梁，改后额定载荷为300 t和350 t，吊点无棱角，钢丝绳、吊带均可，对被吊工件无特殊要求，允许下挂绳在纵、横向带夹角。受原结构和原额定载荷的限制，虽扩大了使用功能，但下挂绳挂点最小间距偏小，无法吊运偏短工件。除图1(k)吊梁外，其它用于平吊工件，不能用于翻身。

图1 典型吊梁

2 吊梁研制

根据目前产品特点、零部件特性和汽轮机的发展趋势，新吊梁按等强度、多功能设计。吊梁长度和额定载荷在满足现有起吊要求的前提下，增加了起吊定位轴用销子定位，额定载荷大小与吊点位置相对应，扩大了最大吊重范围。吊梁上下挂绳的长度、夹角、额定载荷及附件可根据起吊要求选择。同时，还充分考虑了公司和电厂厂房高度的差异，吊梁设计避免了吊梁使用受限。

2.1 上挂绳的选用

吊梁上挂绳的夹角按60°～90°设计，选用GJT72高性能无接头绳圈索具、额定载荷740 kN，卷成四圈直挂，正常使用夹角是60°，额定载荷490 t；75°时447 t；90°时395 t。工件最大重量随上挂绳的夹角变化而变化，夹角变化是为了满足工件的起吊高度。

2.2 下挂绳的选用

转子起吊一般选用吊带，多数情况绳子接近铅垂状态；汽缸和组合件起吊，一般选用钢丝绳，也可选用吊带，绳子多为斜拉状态。吊梁的设计重点考虑了两种情况：一是在最大理论载荷下，下挂绳单侧横向允许夹角+30°、纵向±10°之间，二是通过计算选择下挂绳夹角，横向夹角小于+45°，纵向±15°之间。

(a)总图

图3 起吊定位轴

2.3 吊梁主体部分设计

起吊横梁由吊梁本体、上吊轴组件、吊架组件、定位组件、备用定位组件、斜拉组件、吊点吊重标尺七部分组成。如图2所示。可根据使用要求组装起吊定位轴，如图3。吊梁总长13.1 m，截面最大尺寸1.3 m×0.8 m，额定载荷(330～490 t)根据起吊定位轴至吊梁中心的距离而变化，上吊轴组件和吊架组件可根据起吊要求选用。梁的动载系数1.2，安全系数按n≥3选取。所有零部件按JBT 4730.3—2005 Ⅰ级作UT检测，所有焊缝按NBT 47013 Ⅰ级作磁粉检测。吊梁完工后按1.5倍额定载荷做起吊试验。

2.3.1 起吊定位轴的定位方式及定位精度

大型件起吊时，一般是根据工件的理论重心给出工件吊点位置，当因累积误差致工件水平不达标时，再微调吊梁下挂绳挂点位置，有微调装置的除外。单次微调量一般为20～30 mm，无论是总装扣缸，还是下落转子，其工件水平度一般都能达到2～4 mm。根据这一经验数据，将新设计吊梁吊点的微调量按10 mm级考虑。在计算工件吊点位置时，其工件实际吊点与理论值的误差<5 mm，约为20～30 mm的14～16。对于10 mm的微调量达不到要求的特殊情况，可选备用定位组件。吊梁本体顶板上有三列∅60 mm定位销孔，列号1、2、3，列距110±0.1 mm；长度方向26排，排号A、B、C～X、Y、Z，排距160±0.1 mm，销孔编号为A1、A2、A3～Z1、Z2、Z3。起吊定位轴销孔与吊梁销孔对应，列距110±0.1 mm，非等距斜排六排，销孔编号为1、2、3～16、17、18，见图2(b)。起吊定位轴与吊梁对正销孔的编号按“吊梁销孔编号—起吊定位轴销孔编号”定义。可按照表1确定起吊定位轴的位置装定位销；也可根据梁上标尺确定位置，即先按标尺刻度对好起吊定位轴位置，此时总有1～2个销孔对正，然后装上定位销。选用上吊轴组件，定位销上的备用螺帽须拧上。

2.3.2 确定额定载荷

通过对现有吊梁特性分析、计算发现，适度加大吊梁上挂绳吊耳及吊耳焊缝尺寸，并根据下挂绳工件吊点位置来确定吊梁额定载荷，从技术和经济上都很合理。这样梁的自重、成本均只微增不到2%，但梁的额定载荷提高很大，并能满足更多工件的起吊要求。图4标尺刻线下面的两组数字分别表示吊点到吊梁中心的尺寸和额定载荷。6350～6370 mm尺寸段单侧额定载荷165 t；5650～6350 mm尺寸段每靠近吊梁中心1 cm吊重增加0.5 t；5200～5650 mm尺寸段每靠近吊梁中心1 cm吊重增加1 t；5200～6350 mm尺寸段的额定载荷单侧165～245 t；两端1500～5200 mm尺寸段在总重490 t工件的正常起吊范围。

2.3.3 确定工件吊点范围

目前，需用吊梁起吊的汽轮机零部件吊点最大间距11 500 mm，考虑到后继工件尺寸会增加和其它大件的起吊要求，将上吊轴组件和吊架组件吊点间距分别按为5040～12 740 mm和3000～12 740 mm来设计。在3000～5040 mm范围内，用斜拉组件来调整吊架组件的吊点位置。吊转子时下挂绳一般接近铅垂方向，而吊静子件、组合件或整机时因工件较宽，多数情况是下挂绳在横向带有一定角度，有些工件又长又宽致下挂绳在吊梁的纵、横方向均带角度。因此下挂绳纵向单侧最大夹角按±10°、横向+30°考虑，吊梁纵向水平最大允许夹角10°。目前在使用中的同规格吊梁下挂绳挂点最小间距一般≥6100 mm，很多工件无法吊运。

表1 吊梁起吊定位轴对正销孔参数表

图4 吊点吊重标尺

图5 吊梁本体

2.3.4 吊梁本体设计注意事项

根据相关技术标准、安全规范和使用要求，梁的结构形式按矩形梁选定。截面内空尺寸1180 mm×500 mm，制作或使用时人可进入梁体内腔工作。除件Ⅴ-17材料(见图5)为12Cr1MoVG外，其余均为Q355B，两种材料的综合力学性能和焊接性能优良，熔焊金属选择AWS ER70S-6 ∅1.2 mm焊丝。梁上标尺可同时反映此刻度处的额定载荷和至吊梁中心的尺寸。吊梁设计时还充分考虑焊接和加工工艺性及制造成本等要求。所有焊缝均可选用自动或半自动焊接，焊接部位无焊接和探伤死角；上平面只需将受力部位加工平即可。上挂绳吊耳按受力方向斜焊，倾斜角度选上挂绳夹角60°～90°的中间值75°。

2.3.5 斜拉组件

当用斜拉组件调整吊架组件下挂绳吊点位置时，在2000～2520 mm范围内只用一套斜拉组件调整位置；1500～2000 mm用两套。当斜拉组件将吊架组件吊点拉至极限位置1500 mm处，工件为最大理论重量396.6 t时，斜拉组件的U型螺栓安全系数n=2.63，满足使用要求并符合相关设计规范。斜拉组件吊耳也可用做工件吊点，但吊索须同时挂于吊耳轴两端槽内，单套吊轴额定载荷165 t。

2.3.6 上吊轴组件和吊架组件

核电汽轮机高中压汽缸等零部件的吊运，由于工件宽，会出现下挂绳长、绳子夹角大的情况，为满足这类工件的起吊高度要求，需将绳子挂在起吊定位轴上。起吊定位轴吊点、吊架组件的下吊轴中间段和两端吊点均为圆弧面，钢丝绳、吊带均可使用。

2.3.7 各组件强度和安全系数

目前在用吊梁或类似吊具损伤情况，虽然多数吊梁接近等强度设计，但实际损伤是受弯、受拉部位多于受压部位，故在吊梁设计时，总体是将受弯、受拉部位的安全系数略大于受压选定。

3 吊梁制作

在吊梁各零部件中，起吊定位轴和吊梁本体是最重要的工件，下面简要介绍它们的工艺流程及质量保证措施。

3.1 起吊定位轴

起吊定位轴材料为42CrMoA，屈服强度≥930 MPa。粗加工后调质，要求302～341HBW。主要工艺流程：备料→锻造→去应力→探伤→粗加工→探伤→调质→精加工→探伤→起吊试验→试用。

3.2 吊梁本体

吊梁本体材料为Q355B，吊梁结构简单，加工方便，用普通经济型数控龙门铣或镗床均可。主要工艺流程：备料→焊接→探伤消缺→去应力回火→探伤消缺→油漆后转加工→划线→按图加工各部位→对各加工面探伤、消缺→装标尺→起吊试验→试用。

4 吊梁使用

吊梁的起吊范围适用于三十万千瓦及以上各机型汽轮机和燃气轮机大型件，也可用于电厂发电机和锅炉大型件的起吊。吊梁的总体结构即可平吊也可用于工件的翻身，上吊轴组件和吊架组件的主要零部件通用，可根据不同起吊要求组装。吊梁使用时，可根据吊梁自重、工件的重量及尺寸选择上、下挂绳规格，吊梁各挂绳点均为无棱角的曲面或柱面，钢丝绳和纤维吊带均可使用。吊运核电高中压汽缸这类零部件，下挂绳挂起吊定位轴，这样可保证工件的起吊高度。当工件吊点的尺寸<2520 mm时，可用斜拉组件来微调工件水平，调整方法为：先按设计或工艺给出的工件吊点调整好吊架组件位置，吊起工件，复查水平，如不合格，工件落地并保持绳子处于微拉紧状态，微量旋转斜拉组件上的螺帽，再吊起，这样可完成工件水平精调；当工件吊点的尺寸在2520～6370 mm时，方法不变，将斜拉组件换成葫芦即可。此时整个受力系统是联动的。

5 结论

梁的所有焊缝均为穿透性和大尺寸角焊缝，并严格规定了材料、焊接、加工等质量要求，吊梁可长期使用。上挂绳与吊梁本体选用150 t扁平卸扣连接，保证了吊点的位置精度。下挂绳挂点设计成两圆柱面相贯结构，不论绳子方向怎样变化，都可避免钢丝绳或吊带出现明显弯折。吊梁与起吊定位轴选用销子定位，安全可靠。吊梁结构简单、工艺性优良，制造成本低，操作方便，起吊效率高。吊梁功能多，对被吊工件无特定要求，既可用于工件的平吊，也可用于工件的翻身，彻底解决了目前在用吊梁普遍存在的互不通用的弊端，经济效果显著。