狹窄空間大型電機設備吊裝工藝

馮剛　劉向東

【摘 要】某工程壓氣機試驗臺大型電機安裝位于廠房試驗間內，安裝時廠房已經建成，在受到廠房結構（狹窄）、電機幾何尺寸（大）以及電機重量（重）等因素的影響下，通過選擇可行、經濟、安全的吊裝方法和技術措施，順利地完成了吊裝。文章對該大型電機設備在狹窄空間內的吊裝工藝進行敘述，供同行借鑒和參考。

【關鍵詞】狹窄空間; 大型電機設備; 吊裝

【中圖分類號】TU758.15【文獻標示碼】B

1 工程概況

壓氣機試驗臺電機由德國西門子公司設計制造，額定功率為47.5 MW，額定轉速為3 244 r/min，是目前為國內最大的47.5 MW變頻調速同步電動機。該電機主要由電機本體、電機冷卻罩、電機冷卻風機、電機潤滑油供回油管以及電機電源接線盒五大部分組成，各部分單獨包裝到貨，現場進行組裝成型。其中電機本體設備參數為：7.272 m×4.020 m×3.270 m（長×寬×高），重約110 t，為電機最重部分;電機冷卻器罩參數為：5.767 m×4.265 m×1.970 m（長×寬×高），重約9.5 t。電機前后端底板兩側各設置一273 mm軸式吊耳，共4個，其結構示意圖如圖1所示。

該電機安裝于壓氣機試驗間廠房內設備基礎上，電機基礎標高為+0.8 m，基礎上預留12個地腳螺栓孔，電機左右兩側8根T型地腳螺栓長為1.38 m，前后4根T型地腳螺栓長為1.96 m。該廠房為單層單跨鋼筋混凝土結構建筑，跨度14 m，凈空高度14 m，長度40 m，東側墻體預留門洞口尺寸7.6 m×9.6 m，廠房內設Q=32/5 t行車吊1臺。電機本體原到貨卸車放置于廠房預留門洞口正東方約12 m處。其平面示意如圖2所示。

2 吊裝方法的選擇

針對廠房內大型設備的安裝，通常的程序和方法是土建先將設備基礎和廠房基礎施工完畢后，再將大型設備吊裝到基礎上，最后進行廠房主體結構的施工。但由于本工程的特殊情況，需先將廠房主體結構施工完畢后，再進行大型電機設備的安裝，故針對本工程實際情況，可選擇的吊裝方法有：鋼排軌道運輸與井字門式架提升法和三機抬吊與水平牽引法。

鋼排軌道運輸與井字門式架提升法即安裝前采用鋼桁架搭設一鋼平臺，兩側各設置一重型鋼軌，采用重型滾輪將電機運輸到基礎上，并采用井字門式架提升安裝地腳螺栓的方法。三機抬吊與水平牽引法即根據電機重量及外形尺寸、廠房內的具體吊裝條件及吊車的性能參數表，進行吊裝平面布置、吊車負荷分配情況，選擇一臺QAY180型吊車噸和兩臺QY50K型吊車三機抬吊和水平牽引運輸的吊裝就位的方法。

以上兩種方法中，鋼排軌道運輸與井字門式架提升法主要特點是搭設鋼平臺軌道制作安裝工程量大，吊裝就位周期較長，材料耗量較大，不經濟，而且在高處運輸過程中有許多不安全的因素存在。三機抬吊與水平牽引法吊裝就位周期短，前期工裝準備量不大，安全可靠。通過對比分析，本工程電機吊裝就位選擇技術可行性、安全可靠、經濟適用及施工進度較快的三機抬吊與水平牽引法。

3 吊裝施工工藝

3.1 場地準備

（1）電機臨時放置點至試驗間內設備基礎前的水平牽引線路整平，并采用打夯機和裝載機來回碾壓夯實;電機水平牽引線路地面向電機側要保留5 ‰的斜度，上鋪墊δ30 mm厚鋼板，作為電機水平搬運時坦克車的運輸道路，以減小電機搬運時的摩擦力。

（2）電機基礎兩側長度范圍內采用素土進行回填，回填高度為試驗間±0.0 m標高600 mm以上，兩端填成斜緩坡，并采用裝載機來回碾壓夯實，以方便吊裝作業。

（3）電機基礎縱向兩側臺板上各敷設一厚度δ30 mm，寬度為600 mm的鋼板，以方便電機在基礎上的牽引。

（4）現場場地準備情況如下圖3所示。

3.2 電機吊裝就位主要步驟

電機基礎及地面上鋼板安裝到位—電機臨時放置處三機第一次抬吊到坦克運輸小車上—人工水平牽引電機到基礎前—三機重新站位，第二次抬吊電機前端到基礎上—電機后端吊車不松鉤，前端采用人工水平牽引搬運—電機水平牽引到電機基礎正上方—三機重新站位，第三次抬吊電機離基礎約2 m高—電機地腳螺栓安裝—電機就位安裝完畢。

3.3 電機吊裝就位工藝

（1）電機吊點選擇。電機底座兩側設計有四個273 mm軸式吊耳，電機的吊裝只能通過該四個吊耳進行，180 t吊車起吊后面兩個吊點，兩臺50 t的吊車分別起吊前面兩個吊點。為避免180 t吊車吊裝時鋼絲繩水平分力對電機殼體造成擠壓和損傷，通過在電機上方兩側吊裝鋼絲繩之間設置一273 mm×6 mm×4.2 m鋼支撐橫梁，并將橫梁通過鋼絲繩懸掛在吊車吊鉤上。其結構形式如圖4所示。

（2）電機臨時放置處電機第一次抬吊吊車站位：由于電機臨時存放位置處正后方場地因受到其它廠房基礎施工限制，故三機抬吊電機吊車站位如圖5所示位置進行站位，其中電機前端為兩臺50 t汽車吊分居電機南北兩側，后端為一臺180 t汽車吊位于電機南側，與其中一臺50 t汽車吊位于同側。

（3）三機第一次抬吊電機。在指揮人員的統一指揮下三機抬吊電機離地面100 mm，確保安全后，三機同時擺臂將電機前端放置到提前準備好的2臺32 t坦克運輸小車上后，50 t吊車松鉤收車，180 t吊車暫不松鉤，三機第一次抬吊結束。電機前端坦克運輸小車放置時不要太靠近試驗間廠房，要確保50 t吊車能夠進入廠房。圖6為三機抬吊電機工程照，圖7為三機抬吊電機放置在鋼板上的坦克運輸小車上工程照。

（4）電機第一次水平牽引。在電機開始水平牽引前，兩臺50 t吊車先進入試驗間廠房內電機基礎兩側的指定位置站位，防止電機水平牽引到基礎前后兩臺50 t吊車無法進入車間。牽引采用兩個5 t手拉葫蘆進行，錨點采用試驗間廠房內塊體式混凝土基礎。電機水平牽引示意如圖8所示。在剛開始牽引的過程中，電機后端180t吊車緩慢地隨著牽引的速度進行擺臂和趴桿，當達到吊車的最大起重量時，將電機后端2個32 t坦克運輸小車放置在電機底板下方，然后180 t吊車松鉤。牽引過程中，兩側的牽引速度要保持一致，且牽引速度不宜過快，以防止電機跑偏和與基礎發生碰撞;若發現跑偏時，可采用千斤頂進行調整。電機水平牽引現場工程照見圖9。

（5）三機第二次抬吊電機。當電機水平牽引到設備基礎前時，三機重新站位將電機前端抬吊到設備基礎上。其中兩臺50 t吊車于電機在剛開始牽引之前已分別退到電機基礎兩側（兩臺50 t的吊車的車頭朝向廠房大門），180 t吊車于電機牽引到設備基礎時再退進廠房。由于受到廠房空間的限制，為便于50 t吊車打退，吊車站位時應盡量靠近電機基礎，靠近電機基礎側后腿支撐在電機基礎與齒輪箱基礎之間混凝土承臺上回填夯實土壤上，前腿支撐在電機基礎上。三機第二次抬吊電機支腿及站位情況如圖10所示。180 t吊車由于退至廠房后吊車臂無法進行旋轉吊車后方，故應先將吊車臂旋轉到正后方再退進廠房，如圖11所示。

電機在三臺吊車垂直起吊高度比電機基礎高120 mm時停止起吊，此時施工人員在電機底座下安放道木垛或鋼架，其上表面離電機底座下表面約100 mm，目的在于下一步180 t吊車懸臂下降時時由于吊車回轉半徑的增大導致吊車負荷率增大而采取的相應保護措施。保護措施做好后，同時使180 t吊車趴臂，兩臺50 t吊車水平轉臂，使電機整體向前水平移動，直到將電機前端抬吊到事先放置到電機基礎上的兩個32 t坦克運輸小車上為止。圖12為三機第二次抬吊電機立面示意圖，圖13為三機第二次抬吊電機工程照。

（6）電機第二次水平牽引。電機基礎表面兩側地腳螺栓臺板上方在電機起吊前鋪設δ=30 mm厚鋼板，并采用膨脹螺栓和鋼板將其固定。當電機前端吊裝放置到基礎上預先安放的坦克運輸小車上后，采用兩個5 t手拉葫蘆水平牽引電機向齒輪箱方向移動，此時180 t吊車不得松鉤，吊鉤仍然吊住電機后端的兩個吊點上，電機前部份由坦克運輸小車受力，180 t吊車配合牽引電機水平移動，水平向前運輸一定距離后安放后面兩個32 t坦克運輸小車，緩慢向前牽引至最終安裝位置，如圖14所示。

（7）三機第三次抬吊電機。在180 t吊車和坦克車配合下將電機運至安裝位置后，三臺吊車重新站位將電機垂直起吊約2 m高度進行地腳螺栓安裝。先將180 t吊車開出試驗間廠房外一側，待兩臺50 t吊車開出廠房外另一側調頭重新開進廠房站位后（兩臺50 t吊車的車頭背向廠房大門），再將180 t吊車倒進廠房，180 t吊車重新站位行走過程中吊車臂均位于吊車正后方。三臺吊車重新站位的平面布置如圖15所示。由于受廠房寬度限制，兩臺50 t吊車前腿不能全伸，只能半支腿。根據此種特殊情況，需將兩臺50 t吊車第五個支腿進行支撐，同時采用枕木在50 t吊車前后支腿臂下方進行支墊，使支腿多點受力;同時對電機需采取如下保護措施，電機每升高200 mm（枕木高度）立即采用枕木對電機前端進行支墊，嚴禁在沒有保護措施的情況下將電機直接起吊2 m，防止兩臺50 t吊車前退在未全伸腿條件下進行起吊作業產生不可預見因素失穩。三臺吊車打腿好后同時進行垂直起吊電機，當電機底座離電機基礎臺板高度達到2 m，三臺吊車停止起吊，采用廠房內32 t行車將基礎上運輸電機用的30 mm厚鋼板拖出，然后進行電機T型地腳螺栓安裝，安裝完畢后緩慢將電機下降到基礎上，電機吊裝就位完畢。圖16為三機第三次抬吊電機立面示意圖，圖17為三機第三次抬吊電機工程照。

4 吊裝核算

4.1 負荷分配計算

根據電機技術資料提供的電機的重心位置以及重心距吊耳的尺寸，電機吊裝負荷分配計算簡圖如下圖18所示，電機本體凈重量約Q=110 t，圖中Q1為180 t汽車吊側，Q2為兩臺50 t汽車吊側。根據力矩平衡公式∑MO1=0以及合力公式Q=Q1+Q2，可計算出Q1=58.55 t，Q2=51.45 t，其計算載荷分別為Q′1=1.1×58.55t=64.41 t，Q′2=1.1×51.45 t=56.6 t，式中1.1為動載系數。Q′2為兩臺50 t汽車吊車分擔，單臺吊車受力F=Q′2/2=28.3 t。

4.2 吊車選擇與驗算

整個抬吊過程中180 t吊車的最大回轉為7.5 m，吊車全配重55 t，臂長13.8 m，該工況下吊車的起吊能力為84.5 t。吊裝過程中180 t吊車的起吊載荷為64.41+1.68（吊鉤和索具重量）=66.09 t，180 t吊車的負荷率η=66.09/84.5×100 %=78.21 %<80 %，因此，所選QAY180型吊車吊裝滿足本次吊裝要求。

兩臺50 t吊車在本次吊裝中最大回轉為5.0 m，臂長11.1 m，該工況下吊車的起吊能力為36 t。吊裝過程中50 t吊車的起吊載荷為28.3+0.45（吊鉤和索具重量）=28.75 t，QY50吊車的負荷率η=28.75/36×100 %=79.86 %<80 %。因此，所選兩臺QY50K型吊車滿足本次吊裝要求。

4.3 鋼絲繩選擇計算

180 t吊車兩側吊點選擇兩根4股43（6×37+1-1 700 MPa）的鋼絲繩，單根鋼絲繩長度L=12 m，對折使用。并在兩側鋼絲繩之間設置一273 mm×6 mm×4.2 m鋼支撐橫梁，如圖19所示。

因180 t吊車側為兩個受力分支，每個分支2根4股鋼絲繩受力，所選鋼絲繩的破斷拉力118.5 t，取鋼絲繩折減系數為0.9，則鋼絲繩的安全系數k=118.5×0.9/（64.41/2/cos45°/4）=9.37>6。因此，所選吊裝鋼絲繩滿足本次吊裝需要。

每臺50 t吊車吊裝選用一根43（6×37+1-1700 MPa）的鋼絲繩對折使用，每個吊點為兩股鋼絲繩受力，所選鋼絲繩的破斷拉力為118.5 t，取鋼絲繩折減系數為0.9，則鋼絲繩的安全系數k=118.5×0.9/（28.3/2）=7.54>6。因此，所選吊裝鋼絲繩滿足本次吊裝需要。

4.4 鋼支撐橫梁強度校核

273 mm×6 mm×4.2 m鋼支撐橫梁鋼管主要受力為軸心受壓，其受力計算為：長細比λ=μl/i，其中μ=1（兩端活動），慣性半徑i=75.34 mm，L=4.2 m，故λ=μl/i=1×4.2/0.075=56<λs=61.6，故該壓桿為粗短桿，因不發生屈曲，而只發生屈服，故其臨界應力即為材料的屈服應力。由于20#鋼材料的許用應力為[σ]=1 550 kg/cm2，D219×6 mm鋼管截面積為A=40.13 cm2，則單根鋼管臨界壓力為：F=[σ]×A=1 550×40.13=62.2 t>32.205 t，故Φ273 mm×6 mm×4.2 m鋼支撐橫梁強度滿足要求。

4.5 地基耐壓力驗算

電機水平牽引線路地平面和吊車支腿位置均采用黏土進行回填夯實，查相關資料黏土的許用耐壓力為250 kPa。當電機在地面水平方向牽引時，由4個坦克車部位受力，每個點受力約為27.5 t;坦克車（坦克尺寸：320 mm×450 mm）在30 mm厚碳鋼板上行走時，將每個塔克車下鋼板按單塊尺寸為1.5 m×1.5 m的四邊簡支板進行強度計算。根據作用力與反作用力的原理，簡支鋼板所受均布載荷為q=27.5 t/2.25 m2=275 kN/2.25 m2=122.2 kN/m2，則最大彎矩Mmax=αqa2=0.065×122.2 kN/m2×1.52=17.87 kN，強度σ=Mmax/γW=6Mmax/γt2=（6×17.87×1000）/（1.2×302）=99.28 N/mm2=99.28 MPa<[σ]=155 MPa，故鋼板強度滿足要求。式中α系數根據a/b值查相關資料得α=0.065;a、b分別為板短邊和長邊的邊長;t為鋼板的厚度;γ為鋼板截面塑性發展系數，此處取γ=1.2。

故當電機通過坦克車在鋼板上水平牽引時對地壓力σ=27.5 t/2.25 m2=12.22 t/m2=122.2 kPa<250 kPa，所以通過對地面土壤夯實后耐壓力滿足電機水平牽引運輸要求。

吊車抬吊時180 t吊車負荷最大，以該吊車的支腿來進行受力分析，受力分析簡圖如圖20所示：

180 t吊車自重（含配重55 t）G=55 t+71 t=126 t，根據力矩平衡公式∑MA=0有：F2×9.625 m=126 t×5.85 m+66.09 t×13.35 m，計算得F2=168.25 t，則吊車單根支腿受

力為F2/2=84.125 t。由于吊車吊裝作業時，每個支腿下方均設置一2 m×2 m×100 mm厚鋼制墊板（該鋼制墊板為吊車自身配帶），故單腿下方地基的承載力為84.125 t/4 m2=21.03 t/m2=210.3 kPa<250 kPa，所以通過對地面土壤夯實后地基的承載力滿足吊裝作業要求。

4.6 電機水平牽引力計算

電機的水平牽引采用鋼制滾輪（D=72 mm）坦克運輸小車在鋼板上進行，故坦克運輸小車鋼制滾輪與鋼板之間滾動摩擦系數f1取0.05，坦克運輸小車與電機底板之間的滑動摩擦系數f2取0.1，起動附加系數K取1.5，牽引下坡坡度為5 ‰（1/200），電機重量為110 t，則電機起動時的牽引拉力為S=K×Q×（f1+f2）/D=1.5×110×1.1×（0.1+0.05）/7.2=3.78 t。結合現場實際情況，考慮其它一些不利因素，故采用兩個5 t手拉葫蘆進行牽引滿足要求。

5 結束語

在狹窄空間內進行大型設備的吊裝需要充分掌握現場實際情況，認真分析核算和畫圖模擬，通過對比選擇出最優的實施方案。在實施過程中要細致準備，精細操作，安全措施到位，以確保設備吊裝任務圓滿完成。

參考文獻

[1]沈從周， 等.機械設備安裝手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1983：322-362.

[2]范欽珊.工程力學[M].北京：機械工業出版社，2007：235-242.

[定稿日期]2021-05-27

[作者簡介]馮剛（1970～），男，碩士，高級工程師，從事安裝工程技術、質量安全管理工作;劉向東（1968～），男，碩士，高級工程師，從事安裝工程技術、質量安全管理工作。