基于主吊绳与平衡梁摩擦力的吊索精细选型技术

2022-12-12邝小娟吴宇鹏贾金廷

施工技术(中英文) 2022年21期

邝小娟，吴宇鹏，贾金廷

(中核机械工程有限公司，上海 201702)

0 引言

在核电、石化、冶金等工程建设中，存在较多的设备安装工作，在设备安装过程中，吊装作业是必不可少的关键环节。

针对需翻身的立式设备吊装作业，需采用辅助工装——平衡梁，将2根由主吊绳组成的吊索(用于连接设备与吊钩、承载设施等起吊装置柔性元件)分开至略大于设备最外部尺寸的宽度，以保证立式设备翻身过程中主吊绳不损伤设备本体及保温层，且平衡梁可顺利绕吊耳转到设备顶部，从而使立式设备竖直，最后吊装就位。因此，在立式设备吊装过程中，平衡梁是必不可少的辅助工装。

设备吊装的关键要素包括起重机械、吊索、吊具、辅助工装等，吊索选型直接影响吊装过程的安全性。针对吊索选型及受力计算，多位学者进行了研究，如唐兴华对四分支兜捆式的吊索受力进行了近似计算与通用计算对比分析；刘文华等针对吊物重心与吊钩节点在及不在同一竖直线上的2种情况下兜捆式吊索进行了研究；袁元等对特种集装箱吊索受力及选型进行了设计，但仅对兜捆式吊装作业的吊索进行了受力分析，未对使用平衡梁吊装的吊索进行分析；针对支撑式平衡梁，焦公琦等进行了受力分析与计算，但未计入摩擦力的影响。因此，将主吊绳与平衡梁摩擦力影响计算在内的吊索选型和分析的相关研究较少。

1 支撑式无弯矩平衡梁索具挂设形式

常用的平衡梁有板孔式有弯矩平衡梁、板孔式无弯矩平衡梁、滑轮式无弯矩平衡梁、支撑式无弯矩平衡梁等，工程中根据被吊设备结构特点、受力状态、吊装质量、吊装工艺等因素确定平衡梁结构形式和尺寸。随着大型起重机的投入使用，起重机的超大吊装能力推动了石化、冶金等装置产能的扩大，使单台设备质量越来越大。支撑式无弯矩平衡梁因吊装能力大、制作相对简单，成为立式设备吊装作业中最常用的辅助工装。

支撑式无弯矩平衡梁使用时呈水平状态，需2种不同用途的吊索(主吊绳和吊梁绳)相互配合，如图1所示。

主吊绳是绕过支撑式无弯矩平衡梁两端的支撑件，上端与起重机械吊钩连接，下端与被吊设备或构件上吊耳连接的吊索。

吊梁绳是上端与起重机械吊钩连接，下端与支撑式无弯矩平衡梁吊耳连接，用于吊装平衡梁，防止其在吊装中下滑，使其处于相对固定位置的吊索。

平衡梁、主吊绳、吊梁绳(包含连接卸扣)整体成为被吊设备(含保温、梯子、平台、附塔管线等)承担自重的主体。其中，主吊绳承担了被吊设备的全部自重，吊梁绳承担了平衡梁自重及主吊绳传至平衡梁后分配给吊梁绳的力。

2 采用支撑式无弯矩平衡梁时的吊索选型技术及计算方法

使用支撑式无弯矩平衡梁进行吊装作业时，主吊绳选型时通常考虑被吊设备吊装质量、起重机械在选定工况下的有效高度及作业半径、翻身及立直过程中被吊设备(包括顶部接管)高度、被吊设备吊耳高度。吊梁绳选型时通常考虑被吊设备吊装质量、平衡梁自重、主吊绳长度、主吊绳和吊梁绳挂设完成后与水平面的夹角，通常考虑要素中不包含主吊绳与平衡梁的摩擦力，但在实际吊装过程中，随着主吊绳受力逐渐增大，主吊绳相对于平衡梁产生位移，主吊绳与平衡梁端头接触处会产生滑动摩擦力。本文基于静力学分析计算，研究主吊绳与支撑式无弯矩平衡梁间摩擦力对主吊绳与吊梁绳选型的影响。

2.1 主吊绳与吊梁绳常规受力计算方法

在不计主吊绳与支撑式无弯矩平衡梁间摩擦力的情况下，建立平衡梁整体受力分析模型 (见图2)，假设被吊设备总自重为G，平衡梁上部主吊绳受力为FS，平衡梁下部主吊绳受力为FX，吊梁绳受力为Fd，因平衡梁上端和下端的主吊绳为同根吊绳，因此，平衡梁上、下端的主吊绳拉力FS=FX=G/2。

取平衡梁左侧端部半圆管圆心O为受力点进行受力分析(见图3)。因梁上主吊绳受力FS=梁下主吊绳受力FX=G/2，根据平行四边形求合力法则及角平分线定理，则FS，FX合力P通过平衡梁半圆管圆心，因此将二力的作用点平移至圆心。选择吊梁绳时，选择合理的长度使吊梁绳受力作用线通过平衡梁端头的中心，与吊梁绳拉力Fd形成平面汇交力系。

根据静力平衡，得到以下方程组：

(1)

FSsinβ+Fdsinα=FX

(2)

式中：α为吊梁绳与水平面的夹角；β为支撑式无弯矩平衡梁上部主吊绳与水平面的夹角。

2.2 计入摩擦力影响时的主吊绳与吊梁绳受力计算方法

事实上，在立式设备翻转竖直过程中，由于主吊绳受力不断增大，主吊绳在弹性范围内不断伸长，因此主吊绳一直存在相对平衡梁向下运动的位移，从而在主吊绳与平衡梁间形成滑动摩擦力F。

当吊装开始时，主吊绳、吊梁绳均处于松软状态(见图4)。

将主吊绳、吊梁绳、平衡梁吊起后，因平衡梁、主吊绳质量施加于吊梁绳上，吊梁绳受力后拉直(见图5)。

随着吊钩继续起升，主吊绳在设备自重作用下受力逐渐增大，主吊绳逐渐拉直(见图6)。

在主吊绳拉直过程中，主吊绳受力由0增至G/2。拉直过程中梁下主吊绳拉力G/2与梁上主吊绳拉力FS的合力对平衡梁形成压力P，因此在吊梁绳逐渐拉直的过程中，主吊绳与平衡梁之间一直存在摩擦力，且随着主吊绳受力的逐渐增大，摩擦力逐渐增大，直至设备被整体吊起立直，主吊绳不再相对平衡梁运动。

2.2.1主吊绳与平衡梁端部的摩擦力

由于主吊绳绕过平衡梁两端支撑件的圆弧面改变了方向，主吊绳与支撑件产生一段接触弧度，该弧度对应的角为包角。

因平衡梁上端主吊绳与水平面的夹角为β,则主吊绳与平衡梁间包角θ为：

θ=π/2-β

(3)

根据欧拉缰绳理论，得到：

FX=FS1efθ

(4)

式中：f为钢丝绳与平衡梁之间的滑动摩擦系数，取0.15；FS1为计入摩擦力后主吊绳上部的受力。

2.2.2主吊绳与平衡梁端部摩擦力对主吊绳、吊梁绳受力的影响

在不考虑吊梁自重的情况下，得到以下公式：

FX=FS1efθ=G/2

(5)

FS1sinβ+Fd1sinα=FX

(6)

式中：Fd1为计入摩擦力后吊梁绳的受力。

由于efθ>1，计入摩擦力后，平衡梁上端主吊绳受力FS1减小，下端主吊绳受力FX保持不变，进行主吊绳选型时仍以最大受力FX为依据。因此，主吊绳选型不受平衡梁与主吊绳之间摩擦力的影响。

根据式(1)～式(6)可得：

(7)

2.3 计算方式对比

根据吊装规范，钢丝绳作为被吊设备的起重吊索时，安全系数≥5，本文按安全系数为5进行分析。同时，为更简要说明主吊绳与平衡梁端头构件摩擦力对吊梁绳的影响，计算时不考虑吊装动载系数、不均衡系数及平衡梁质量。

将平衡梁梁上主吊绳与水平面的夹角固定为60°，吊梁绳与水平面的夹角固定为62°，此时主吊绳与平衡梁包角为30°，当吊重不同时，计算并比较计入和不计主吊绳与平衡梁摩擦力的情况下主吊绳上端、下端及吊梁绳受力，结果如表1所示。

表2 吊索角度变化时主吊绳、吊梁绳受力及安全系数

将被吊设备质量固定为1 500t，改变平衡梁上主吊绳、吊梁绳与水平面夹角，如图7～10所示，计算并比较计入和不计主吊绳与平衡梁摩擦力的情况下主吊绳上端、下端及吊梁绳受力，结果如表2所示。

由表1，2可知，主吊绳与平衡梁之间摩擦力对吊梁绳的影响较大，当不计该摩擦力时，对于满足规范要求安全系数为5的吊梁绳，在实际使用过程中因受该摩擦力影响，其实际安全系数减小，低于规范要求，存在吊装风险。

同时，由表2可知，主吊绳与水平面的夹角越大，包角越小，吊梁绳实际安全系数越小，越不安全，吊装风险越大。

3 工程应用

某化工工程典型设备预脱甲烷塔属于立式设备，直径3.4，5.5m，高73.2m，设备净重718.0t，该设备呈卧式状态运输至现场后，塔内安装构件、梯子、平台等重130t，设备总重848.0t，需翻身后吊装至就位位置，主吊耳设置2个管轴式吊耳，距封头切线22.0m。为避免吊装过程中设备本体因受主吊绳挤压而损坏及设备平台、接管等附件与主吊绳发生干涉导致无法顺利翻身的现象，需使用支撑式无弯矩平衡梁辅以吊装。

3.1 主吊绳与吊梁绳选型

在专业绘图软件中建立起重机、被吊设备模型，进行1∶1模拟索具挂设，挂设后经测量，平衡梁上端主吊绳与水平面的夹角为64°。主吊绳下端受力为4 240kN，吊梁绳在不计摩擦力和计入摩擦力情况下的受力分别为1 104，1 693kN。

钢丝绳承受荷载小于其许用拉力，根据GB 8918—2006《重要用途钢丝绳》要求，对于主吊绳，取安全系数为5时需要的最小破断拉力为21 200kN，因此，选择高性能无接头绳圈，型号为GJT180，钢丝绳直径为180mm，最小破断拉力为23 138kN。考虑顶部接管翻身过程的影响，预留接管顶部至平衡梁下端的距离为1.7m，因此，选择单根绳圈长度为70m。对于吊梁绳，按照计入摩擦力后的1 693kN受力进行选型，需要的最小破断拉力为8 465kN，选择WBW142型钢丝绳，直径为142mm，最小破断拉力为1 017kN，单根长度为19m。