頂板式吊耳設(shè)計(jì)計(jì)算及有限元優(yōu)化應(yīng)用

馮子云 鄭志勇 蘇軍軍

陜西化建工程有限責(zé)任公司 陜西楊凌 712100

出于設(shè)備結(jié)構(gòu)特殊性或者材料特殊性的原因，有些大型設(shè)備出廠時(shí)未制作吊耳，這給吊裝工作帶來(lái)一定的難度。為了確保吊裝過(guò)程安全可靠，需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行吊耳再設(shè)計(jì)，并考慮合理的連接方式。某項(xiàng)目甲醇裝置區(qū)的甲醇反應(yīng)器，因?yàn)樵O(shè)備筒體為分層，由不同厚度、不同材質(zhì)的材料制成，不能在設(shè)備本體上直接焊接吊耳，所以設(shè)計(jì)方未設(shè)計(jì)吊耳。同時(shí)，傳統(tǒng)的使用鋼絲繩捆綁式吊裝辦法對(duì)設(shè)備、索具有損害，在吊裝作業(yè)過(guò)程中存在較大的安全隱患。為此，陜西化建工程有限責(zé)任公司吊裝技術(shù)人員選擇了另行設(shè)計(jì)專(zhuān)用吊耳的辦法，安全順利地完成了該設(shè)備的吊裝作業(yè)。同時(shí)，采用Solidwork 軟件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可以使吊耳更加安全、經(jīng)濟(jì)。以下就選用的吊耳形式、計(jì)算方法及分析方法進(jìn)行探討。

1 工程概況

甲醇反應(yīng)器重93t，直徑為3m，長(zhǎng)度為16.3m，跨越26.5m 的砼框架，安裝在6m 高的砼基礎(chǔ)上。設(shè)備頂部有大法蘭，連接球形封頭與設(shè)備筒體。利用頂部大法蘭的螺栓孔連接吊耳組件，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的順利吊裝。圖1、圖2和圖3 分別為吊耳設(shè)計(jì)圖、吊耳實(shí)物圖和吊耳使用螺栓連接后的裝配圖。

圖1 吊耳設(shè)計(jì)圖

圖2 吊耳實(shí)物圖

圖3 吊耳裝配實(shí)物圖

2 吊耳設(shè)計(jì)

甲醇反應(yīng)器主吊耳包括底板、吊耳板，并且由筋板和墊板等輔助工件組合而成。吊耳設(shè)計(jì)吊重為60t/ 個(gè)，采用Q345 的材質(zhì)，鋼材厚度δ＞50～100mm，抗拉抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為σs=250MPa，取安全系數(shù)n=1.34，許用拉應(yīng)力（［σ］）和許用剪應(yīng)力（［τ］）。計(jì)算分別見(jiàn)式（1）和式（2）。

式中：σs——材料室溫屈服強(qiáng)度；

n——材料安全系數(shù)。

按照吊裝設(shè)備的不同狀態(tài)，吊耳板受力也不盡相同，以下就吊耳板的最大綜合應(yīng)力和設(shè)備豎直后吊耳板的受力進(jìn)行計(jì)算。吊耳板底板與設(shè)備法蘭口的連接方式是采用螺栓連接，螺栓預(yù)緊力應(yīng)與設(shè)計(jì)文件給出的預(yù)緊力一致，并在連接處加3mm 的石棉墊片或橡膠墊片，防止吊裝時(shí)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)損壞法蘭面。為改善吊耳在點(diǎn)A 處的應(yīng)力集中問(wèn)題，該吊耳的設(shè)計(jì)圖中加設(shè)了米字筋板，在實(shí)際制作時(shí)還加設(shè)了吊耳板的上下?lián)醢?。吊耳板開(kāi)孔處加焊加強(qiáng)圈，增加吊耳孔強(qiáng)度。吊裝時(shí)使用支撐式平衡梁，保證吊耳在垂直方向受力。圖4 為吊耳板尺寸圖。

圖4 吊耳板尺寸圖

3 對(duì)比計(jì)算

3.1 規(guī)范（TPP 板式吊耳）計(jì)算法

按照《化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求》（HG/ T21574- 2008）附錄中關(guān)于TPP 式吊耳的計(jì)算方法，對(duì)吊耳最大受力進(jìn)行核算，偏保守考慮吊耳的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力同為最大值。

按照設(shè)計(jì)值，吊耳最大受力：F=60×1000×9.8×1.65=970200N

吊耳所受最大應(yīng)力（偏保守）：

按照設(shè)計(jì)值，吊耳受最大剪力值：

按此方法計(jì)算的結(jié)果符合使用要求，所以設(shè)計(jì)可行。

3.2 頂板式吊耳計(jì)算法

載荷施加在吊耳孔處（圖5），吊耳所承受的外力（F）通過(guò)吊耳耳孔壁以沿弧長(zhǎng)分布?jí)毫Γ≒）的形式傳給吊耳。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，按軸孔接觸角度180°范圍、以正弦曲線(xiàn)分布的徑向載荷進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)平衡條件可得式（3）。

圖5 吊耳施加載荷圖

式中：P——90°時(shí)的分布力；

F——吊耳受力；

t——吊耳耳板厚度；

r——吊耳內(nèi)孔半徑。

設(shè)備在吊裝過(guò)程中，可分為吊裝起始、吊裝過(guò)程、吊裝結(jié)束三個(gè)階段。在吊裝起始階段，吊耳根部所受彎曲應(yīng)力較大；在吊裝過(guò)程中，存在吊耳根部所受剪切應(yīng)力、拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力的合應(yīng)力最大狀態(tài)；在吊裝結(jié)束時(shí)，吊耳所受載荷為最大載荷。由此，對(duì)三個(gè)工況進(jìn)行分析。因反應(yīng)器使用的吊耳為單個(gè)的頂板式吊耳，而本項(xiàng)目中使用的頂板式吊耳為雙吊耳，故在本項(xiàng)目中計(jì)算受力情況時(shí)，單個(gè)吊耳的設(shè)計(jì)吊重應(yīng)按照總受力的1/ 2 考慮。

3.2.1 工況1——吊裝起始

設(shè)備與水平面角度為0°，此狀態(tài)為吊裝開(kāi)始狀態(tài)，吊耳根部所受彎曲應(yīng)力較大，吊耳受力為F1，計(jì)算式見(jiàn)式（4）。

式中：F1——吊耳受力；

G——設(shè)計(jì)吊耳吊重，60t/ 個(gè)；

LG——設(shè)備重心到溜尾吊耳的距離；

L——吊耳耳孔到溜尾吊耳的距離。

將式（4）計(jì)算結(jié)果代入式（3），得到吊裝起始狀態(tài)的分布力（P1）：

3.2.2 工況2——吊裝過(guò)程

設(shè)備與水平面角度為θ，根據(jù)合成應(yīng)力公式（式5），可以得出合成應(yīng)力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的角度為7.5°。此時(shí)，吊耳根部所受合應(yīng)力最大，即為吊耳最危險(xiǎn)狀態(tài)。

當(dāng)設(shè)備與水平面夾角為7.5°時(shí)，吊耳受力為F2，其計(jì)算式見(jiàn)式（6）。

式中：H——溜尾點(diǎn)到設(shè)備中心線(xiàn)距離。

將上述計(jì)算結(jié)果代入式（3），得到設(shè)備與水平面角度為時(shí)的分布力（P2）。

3.2.3 工況3——吊裝結(jié)束

設(shè)備與水平面角度為90°，此時(shí)，吊耳受力最大（F3），代入式（3）可得吊裝結(jié)束時(shí)的分布力（P3）：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，P1＜P2＜P3＜［σ］=186.6MPa。

3.3 尾吊式反推計(jì)算法

3.3.1 工況1

設(shè)備由水平放置狀態(tài)向豎直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著設(shè)備翻轉(zhuǎn)，剪應(yīng)力逐漸減小，但拉應(yīng)力出現(xiàn)并在一定角度內(nèi)逐漸增大，同時(shí)豎直方向的載荷也會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。經(jīng)計(jì)算，最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在設(shè)備與水平面20°夾角時(shí)（圖6）。計(jì)算載荷60t，耳板厚a=60mm，耳板長(zhǎng)b=400mm。

圖6 彎剪綜合應(yīng)力工況溜尾吊耳受力圖

耳板根部拉應(yīng)力：

式中：σL——耳板根部拉應(yīng)力，MPa；

F——計(jì)算載荷，60t；

a——耳板厚，60mm；

b——耳板長(zhǎng)，400mm。

耳板根部剪應(yīng)力：

耳板根部彎矩：

彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力：

根部耳板的合成應(yīng)力：

3.3.2 工況2

設(shè)備與水平面角度90°時(shí)，吊耳受力最大，因?yàn)榈醵O(shè)計(jì)載荷為60t/ 只，因此校核時(shí)按名義載荷60t 進(jìn)行計(jì)算，吊耳板厚60mm，吊耳板長(zhǎng)400mm。

耳板根部拉應(yīng)力：

耳板根部剪應(yīng)力：

耳板根部彎矩：

經(jīng)計(jì)算，該吊耳滿(mǎn)足彎剪綜合應(yīng)力工況使用要求。

4 有限元分析

傳統(tǒng)計(jì)算所應(yīng)用的強(qiáng)度理論分析結(jié)果只是針對(duì)吊耳板本身在某一個(gè)狀態(tài)下的受力情況，并不能體現(xiàn)整個(gè)復(fù)雜組合構(gòu)件的所有點(diǎn)的受力情況，這對(duì)于控制危險(xiǎn)截面、應(yīng)力集中部位處理等都不利。為此，應(yīng)用Solidwork 軟件對(duì)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行了模型建立、網(wǎng)格劃分、施加約束和加載載荷，得出了圖7 和圖8 應(yīng)力云圖。

圖7 吊件起吊時(shí)受力有限元分析

圖8 吊件直立時(shí)受力有限元分析

經(jīng)過(guò)有限元的受力云圖分析，吊耳組件的最大受力為垂直工況下的97.95MPa，且集中在靠近吊耳板的底板螺栓孔處，該設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求，滿(mǎn)足使用條件。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力最小值出現(xiàn)在組合件的邊緣處，為28.6KPa；靠近吊耳主板位置的節(jié)12002 點(diǎn)處筋板受力為4.3MPa；在節(jié)474 點(diǎn)處受力為12.3MPa。

因此，設(shè)想這些地方應(yīng)該是可以改進(jìn)的地方，以提高吊耳組合件的安全性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也便于現(xiàn)場(chǎng)加工制作。將吊耳底板縱向方向兩段去掉150mm，同時(shí)去掉兩個(gè)螺栓孔；去掉受力很小的中間筋板；將節(jié)474 點(diǎn)處改為斜面過(guò)度，再次進(jìn)行受力有限元分析，得到圖9 和圖10 所示受力云圖。

可見(jiàn)，改進(jìn)后的吊耳組合件受力最大值仍然出現(xiàn)在距吊耳板最近的螺栓孔處，為96.79MPa，同樣符合強(qiáng)度要求，滿(mǎn)足使用條件。這樣，得到了既安全有效，又經(jīng)濟(jì)可行的設(shè)計(jì)方案，還可以觀察到危險(xiǎn)斷面、應(yīng)力集中之處，做到措施到位、萬(wàn)無(wú)一失。

圖9 改進(jìn)后的吊件起吊時(shí)有限元分析

圖10 改進(jìn)后的吊件垂直受力時(shí)有限元分析

5 結(jié)論

專(zhuān)用的吊耳設(shè)計(jì)規(guī)范《化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求》（HG/ T21574- 2008）并不能涵蓋設(shè)備吊裝中遇到的所有情形。所以，需要負(fù)責(zé)吊裝工程的技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行再次設(shè)計(jì)核算、靈活運(yùn)用。吊耳再設(shè)計(jì)的一般步驟包括：

（1）根據(jù)設(shè)備本身的特點(diǎn)，提出安全可行的設(shè)計(jì)方案；

（2）參照多種計(jì)算方法，尤其是有限元分析的應(yīng)用，最終確定最優(yōu)方案，保證吊裝工作的安全性和經(jīng)濟(jì)性；

（3）在吊耳主體完成設(shè)計(jì)核算后，根據(jù)有限元分析結(jié)果，在消減集中應(yīng)力方面要有相關(guān)的措施，保證設(shè)備吊裝工作安全高效地完成。