汽提塔在吊裝過程中的應力分析

高 龍 張秋翔 李雙喜 蔡紀寧

(北京化工大學機電工程學院)

石油石化裝備大型化能有效提高生產效率，但加大了施工過程中的風險，由于設備高徑比很大，若采取分段吊裝不但增加了工作量，而且分段吊裝時組對焊接質量、施工人員安全均存在較大隱患，因此對于此類設備盡量采取整體吊裝，即在地面將各種附件焊接完成后進行吊裝，在整體吊裝前需要校核強度[1～4]。由于汽提塔設備超高、超長、超重，為避免高空作業過多，施工量過大，在現場條件允許、保證正常吊裝的情況下將塔體上的扶梯、平臺、欄桿、附塔管線以及照明等進行提前預制安裝，筆者采用有限元的方法，將塔附件質量均勻分配在塔體上，進行強度校核，提出該塔的吊裝方案。

1 起吊工藝及汽提塔基本參數

汽提塔頂部帶有一個人孔，考慮在該人孔的對稱位置安裝一軸式吊耳，通過軸式吊耳與人孔的配合進行整體吊裝，為了方便，在底部直接采用鋼絲繩進行捆綁式吊裝[5]。施工過程中盡量使補強圈與筒體的接觸面積加大，在開孔及軸式吊耳補強圈處開設塞焊孔，將塞焊孔內部堆滿焊料[6]。整體吊裝是通過前后兩個吊車配合使用完成的。要求在主吊站位及輔吊行走路面作地基處理，以滿足各吊車的地基承載力。

汽提塔基本參數：公稱直徑4 600mm/2 800mm，筒體厚度16mm，裙座壁厚20mm，筒體材料為Q345R,塔高68 814mm，重265t，吊耳管軸材料為Q235,管軸壁厚20mm。汽提塔及吊耳塞焊孔尺寸如圖1所示。

圖1 汽提塔及吊耳塞焊孔尺寸圖

2 有限元模型建立及網格的劃分

采用專業網格劃分軟件Hypermesh對汽提塔進行有限元網格劃分，需要注意的是補強圈與筒體連接處、塔體變徑處、塞焊孔處和塔體鋼絲繩吊裝位置網格應盡量細化，并且全部采用C3D8I單元類型，共234 885個單元，391 993個節點，節點全部一一對應，為了保證計算的準確性，在關鍵位置網格劃分時單元尺寸與實際尺寸誤差盡量小。

2.1水平狀態下的應力計算結果

2.1.1塔體中部撓度

水平狀態下塔體中部撓度如圖2所示，可以看出塔體中部的撓度最大(小于61mm)。

圖2 水平起吊塔體撓度分布云圖

2.1.2塔身

水平狀態下變徑處應力云圖如圖3所示，整個變徑處最大應力值為192MPa，大于材料許用應力值180MPa，因此需要對變徑處進行加強，如設置加強筋和在變徑處設置加強圈。

圖3 水平起吊塔身應力分布云圖

2.1.3其他部位

通過圖4a看出，頂部軸式吊耳最大應力均出現在吊耳與鋼絲繩接觸的地方，超過了材料許用應力，而與頂部吊耳相連的封頭應力小于材料許用應力，這說明水平起吊時需要對吊耳管軸加強，可考慮加大壁厚，多加支撐等方式，但整個塔體能夠滿足強度要求。圖4b表明底端在水平起吊時是安全的，最大應力出現鋼絲繩與底端相連接區域，且應力值小于材料的許用應力，說明底端安全。圖4c表明在計算質量為265t時，在水平起吊時最大應力出現在頂部吊耳補強圈焊縫與筒體相連接區域，最大應力小于材料的許用應力，滿足強度要求，但計算模型是在全焊透的情況下計算得到的，因此建議進行全焊透，并保證焊接質量。

圖4 其他部位應力云圖

2.2垂直狀態下的應力計算結果

2.2.1塔體頂部吊耳及相鄰部位

由圖5a得到的計算結果表明，垂直起吊時，最大應力出現在頂部吊耳與鋼絲繩連接的位置，頂部吊耳根部應力小于材料許用應力，在整個起吊過程中吊耳根部滿足強度要求。圖5b表明垂直起吊時頂部吊耳、補強圈與筒體之間焊縫最大應力小于材料許用應力，滿足吊裝要求。圖5c表明頂部吊耳與鋼絲繩接觸的位置最大應力超過了材料許用應力，必須對吊耳筒體進行加強。

圖5 吊耳及相鄰部位應力云圖

2.2.2塔身、楔釘和塔體下垂量

由圖6可以看出，垂直起吊時塔身最大應力小于材料許用應力，垂直起吊塔體安全。圖7表明，垂直起吊時楔釘最大應力出現在楔釘與筒體相連區域，最大應力小于材料的許用應力，滿足強度要求，計算時并未考慮焊接質量帶來的影響，因此仍需要在施工過程中保證楔釘的焊接質量。塔體起吊時下垂量分布云圖如圖8所示，在垂直起吊時整個塔身有小于10mm的下垂量，表明此時塔體安全。

圖6 封頭及部分筒體應力分布云圖

圖7 楔釘應力分布云圖

圖8 塔體下垂量分布云圖

3 結論

3.1該施工方案中變徑處應力過大，需對變徑處進行加強，可以考慮設置加強筋、加設補強圈等方法。

3.2計算過程中將焊縫簡化為全焊透，這會造成計算結果比實際吊裝過程產生應力略小，因此建議采取全焊透。

3.3鋼絲繩與吊耳管軸接觸位置應力大于材料許用應力，需對頂部吊耳與底部吊耳進行加固處理，如加大吊耳管軸的壁厚以及設置加強筋等。

3.4在計算過程中未考慮吊耳內部加強筋和筒體加強圈的作用。

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