一种溜尾吊架的设计及应用

陈 涛 杨志强

中石化重型起重运输工程有限责任公司 北京 100029

随着石化工业的迅速发展，石化装置日趋大型化和规模化。为缩短制造安装周期，节约成本，减少人员高空作业，石化设备基本采取模块化安装。大型设备吊装施工前，一般会为所吊设备进行详细的吊耳设计。通常，吊耳在设备制造时就被焊接在设备上，但一些特殊设备由于安装的环境、运输等原因不使用传统吊耳，需要借助特殊吊装工具进行吊装，如吊盖、抱箍等。为此，提出了用一种溜尾吊架来替代溜尾吊耳，以满足某些特殊情况的吊装。

1 溜尾吊架模型

溜尾吊架主要包含上支撑板、下支撑板、连接板、吊耳板、腹板和盖板等，如图1 所示。

图1 溜尾吊架结构图

2 应力状态分析

2.1 建立受力模型

溜尾吊架在使用时，需要用高强度螺栓及配套螺母固定于设备裙座上，按照一定的力矩进行安装，安装完成检查合格后方可进行吊装作业。设备在从水平状态过渡到竖直状态或从竖直状态过渡到水平状态都可按照一个受力模型进行分析。图2 为设备吊装状态受力模型示意图，图3 为设备溜尾吊耳受力模型示意图。

图2 吊装状态受力模型示意图

图3 溜尾吊耳受力模型示意图

2.2 受力分析及校核

2.2.1 设备吊装状态受力分析

由公式(1)、(2)得式（3）—（6）。

式中：F主——设备吊装时主吊力；

F溜尾——设备吊装时得溜尾力；

G——设备重力；

L1——设备主吊点到设备重心的轴向距离；

L2——设备溜尾点到设备重心的轴向距离；

R——设备的外半径；

H——溜尾吊耳中心孔到设备外壁的距离；

θ——设备中轴线与水平线之间的距离。

由计算公式可知，主吊力、溜尾力、吊耳所受竖直拉力和水平拉力都是随设备中轴线与水平线之间的角度（θ：0→90°）变化而变化，将已知的数据代入公式采取迭代计算可得到图4。

图4 各受力随θ 的变化曲线图

2.2.2 溜尾板式吊耳校核计算

由受力分析可知，需要校核溜尾板式吊耳三个危险截面A- A、B- B、C- C 的受力情况。溜尾吊耳材料选用Q345B，屈服强度σs=345MPa；许用拉应力［σ］=345/ 1.7=202MPa；许 用 剪 应 力：［τ］=0.7［σ］=141MPa。

代入计算得出σB=44.43（MPa）＜［τ］。可见，B- B 截面满足使用要求。

（3）C- C 截面校核

由图4 可知，当吊耳受力方向的角度θ=69°时，所受溜尾力最大，为700t。此时弯矩最大，见式（9）。M=FVsinθH （9）C- C 截面抗弯模量计算见式（10）。

2.2.3 溜尾吊架校核计算

溜尾吊耳材料选用Q345B， 则屈服强度σS=345MPa；许用拉应力［σ］=345/ 1.5=202MPa；许用剪应力：［τ］=0.7［σ］=141MPa。

（1）吊架上、下支撑板角焊缝校核

吊架结构的上、下支撑板受力作用，则上、下支撑板的角焊缝强度应满足式（11）。

故焊缝满足强度要求。

（2) 吊架整体组合应力强度校核

吊架整体是组合而成，可以看作是一个组合的大型工字形截面，如图5 所示。

图5 溜尾吊架整体受力图

In——验算截面的截面惯性矩；

y1——验算点知中和轴的距离；S1——验算点以上或以下截面面积对中和轴的面积矩，工字形截面即为翼缘面积对中和轴的面积矩；

β1——折算应力的强度设计增大系数。

σC和σ 同号时，β1=1.1；σC和σ 异号时,β1=1.2。

则溜尾吊架惯性矩：

溜尾吊架整体弯矩：M=FVL

当设备与水平面成69°角时，弯矩最大，设备轴向最大载荷FV=700t；力臂L=595mm；翼板宽B=600mm；翼板高b=480mm；腹板宽h=580mm；腹板高H=700mm；腹板厚度tW=120mm；动载系数K=1.1。

代入计算得弯曲正应力：

可见，溜尾吊架满足使用要求。

3 工程应用实例及有限元分析

3.1 工程应用实例

以鄂尔多斯某煤制油项目的煤液化第一反应器拆旧换新的吊装为例进行验证。该反应器采用单主机抬吊递送法进行吊装，拆旧反应器过程与安装新反应器的吊装过程相反。

反应器的主吊点采用吊盖连接，溜尾采用溜尾吊架。因为反应器拆除时框架不能全部拆除，旧反应器需要从反应器钢结构框架中提升出来。因钢结构框架内的空间有限，如果在反应器外部焊接吊耳，就会与反应器钢结构框架干涉。因此，使用溜尾吊架，在设备直立地被提升出钢结构框架后，可以把溜尾吊架和反应器用螺栓进行连接，从而很好地解决安装就位空间不足的问题，而且还可以重复利用。图6 为旧反应器从竖直过渡到水平状态现场图，图7 为溜尾吊架在配合完成旧反应器吊装工作后安装到新反应器裙座施工现场。

图6 溜尾吊架与旧反应器连接图

图7 溜尾吊架与新反应器连接图

由于吊装过程中各部件受力复杂，溜尾吊架作为主要工具必须满足使用要求。因此，对整个溜尾吊架进行有限元分析更能够反映出真实情况。

3.2 有限元分析

3.2.1 三维模型建立

本校核中采用SOLIDWORK1：1 建模，卸扣为500t 卸扣模型。采用ABAQUS 6.14 版进行有限元应力分析。

材料属性：卸扣销轴为结构合金钢，尾架其余为Q345。

网格类型：单元总数为120177，详见图8。

图8 溜尾吊架网格图

（1）13614，线性，六面体，单元类型：C3D8R；

（2）130，线性，楔形，单元类型：C3D6；

（3）106433，二次四面体，单元类型: C3D10。

约束方式：按照实际吊装工况，设备底部裙座受X、Y、Z 三方向约束。

螺栓情况：采用beam mpc 单元模拟螺栓，允许小位移，可承受力偶作用。

荷载情况：卸扣受到总计1000t 的面拉力，螺栓没有加载预应力，详见图9。

图9 溜尾吊架荷载图

接触设置：卸扣销轴与吊耳孔摩擦系数为0.15，设备群座设为刚体。

3.2.2 有限元受力结果分析

最终结果按第四应力强度进行分析，如图10 所示，最大应力为327MPa，最大应力发生在螺栓孔边缘。主要原因在于卸扣销轴受拉变形对吊耳孔边缘挤压。最大应力呈线状分布；局部应力较大，接近材料屈服强度。由于螺栓没有加载预紧力，结果相对保守。

图10 溜尾吊架受力云图

Q345 屈服强度为345MPa，包括应力集中区域的屈服强度都小于245MPa。因此，溜尾吊架的结构强度符合要求。

ZZ 方向剪切应力最大为235MPa，最大切应力发生在最靠近吊耳板处螺栓孔，详见图11。

图11 最大剪切力应力云图

该数值在可许范围内，位于吊耳板外缘附近（图12）。因此，溜尾吊架结构整体稳定性可靠。

图12 溜尾吊架位移图

此有限元分析暂未考虑腹板之间的连接工字梁，建议在焊接补强板时焊缝倒圆角，防止应力集中。如在吊耳板与腹板连接处，增大吊耳板与腹板的连接面积。在偏保守的情况下得出溜尾吊架安全可靠，且在工程实例中得到应用。

4 结论

本文主要说明了一种溜尾吊架的设计与应用，主要基于行业内的大型直立设备使用的溜尾装置，解决行业内的大型设备在某些情况下无法进行设备本体焊接吊耳的问题。

溜尾吊架的主要优点包括：

（1）可以利用到某些需要溜尾但难以焊接吊耳的设备，解决溜尾吊点的问题，尤其是涉及到检维修项目中的大型塔器可以参考；

（2）可以重复利用，如果是多台同规格的设备需要同时安装，比如加氢反应器，一般都可以一次制作，多次利用。

此溜尾吊架的设计及工程实例的应用，可为此类工程的吊具设计和计算提供一定的参考依据。