大直徑百噸級(jí)急冷油塔塔頂附管單吊耳吊裝技術(shù)

鄺小娟

(中核機(jī)械工程有限公司，上海 201702)

0 引言

在石化工程建設(shè)中，較多塔類設(shè)備塔頂均安裝了附管，隨著設(shè)計(jì)、制造、安裝水平的大幅度提升，石化裝置的產(chǎn)能越來(lái)越大，塔類設(shè)備越來(lái)越重、越來(lái)越高，給吊裝作業(yè)帶來(lái)較大難度。

塔頂附管多由彎管段和直管段組成，為倒J形，管線外包保溫層，若采用直接兜吊，難以保證上端接口水平度，且鋼絲繩在吊裝過(guò)程中存在滑移風(fēng)險(xiǎn)，因此需設(shè)計(jì)吊耳輔助吊裝。已有學(xué)者對(duì)塔頂附管吊耳進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)了雙板式主吊耳，并進(jìn)行了安全驗(yàn)算；通過(guò)設(shè)計(jì)雙管軸式主吊耳、單板式溜尾吊耳，完成了塔頂附管的分段吊裝。

無(wú)論采用雙板式主吊耳設(shè)計(jì)還是雙管軸式主吊耳設(shè)計(jì)，均需使用輔助起重機(jī)或手拉葫蘆配合，使起吊時(shí)彎管段繞縱軸線不產(chǎn)生傾斜。由于立直后直管段不能處于自然垂直狀態(tài)，附管上端接口不能處于自然水平狀態(tài)，導(dǎo)致管口對(duì)接就位時(shí)需通過(guò)起重機(jī)或手拉葫蘆輔助調(diào)整，造成起重機(jī)使用數(shù)量多、時(shí)間長(zhǎng)，且需長(zhǎng)時(shí)間高空調(diào)整，使高空作業(yè)多、效率低、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、工期長(zhǎng)。一般情況下，1根直徑3m近百噸塔頂附管對(duì)口和焊接時(shí)間需3d左右。

1 工程概況

某大型石化項(xiàng)目2號(hào)乙烯裝置建設(shè)工程中，急冷油塔塔頂附管需單獨(dú)吊裝。為減少高空對(duì)口和焊接作業(yè)量，充分保證附管焊接質(zhì)量，使焊口無(wú)損檢測(cè)和返修施工在地面進(jìn)行，該附管采用地面整體預(yù)制、一次吊裝就位的方式施工。附管設(shè)計(jì)直徑3 149mm，整體高度34 000mm，其中直管段高27 665mm，彎管段彎頭直徑9 449mm，壁厚30mm，外側(cè)保溫層厚80mm，總重107t，就位高度64 200mm。

2 塔頂附管吊耳設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

本工程采用新型吊裝工藝，即主吊耳由常用的雙板式主吊耳改為單板式主吊耳，溜尾吊耳由安裝于直管段尾部上方的單板式溜尾吊耳改為安裝于直管段尾部側(cè)方的單管軸式溜尾吊耳，無(wú)須通過(guò)起重機(jī)或手拉葫蘆輔助調(diào)整，附管起吊離地后繞縱軸線處于自然水平狀態(tài)，立直后直管段處于自然垂直狀態(tài)，僅用時(shí)0.5d可完成管線翻轉(zhuǎn)、吊裝、對(duì)口和焊接工作，整個(gè)吊裝過(guò)程安全、高效、快速。

2.1 重心位置的確定

首先設(shè)置如圖1所示坐標(biāo)系，然后分別計(jì)算塔頂附管直管段本體、直管段保溫層、彎管段本體和彎管段保溫層在x，y，z向的重心位置，最后計(jì)算整個(gè)附管在x，y，z向的重心位置。

圖1 塔頂附管坐標(biāo)系

計(jì)算得到急冷油塔塔頂附管重心分別為：x=1 785mm，y=0mm，z=19 900mm。可通過(guò)CAD軟件建立三維模型，利用質(zhì)量特性查詢功能獲取重心參數(shù)。

2.2 吊耳類型與位置設(shè)定

1)單板式主吊耳設(shè)置

由于塔頂附管在地面預(yù)制完成后呈臥式狀態(tài)，為避免主吊耳鋼絲繩在翻身過(guò)程中出現(xiàn)不均勻受力，導(dǎo)致附管上端接口水平度太大而影響對(duì)口和就位，甚至出現(xiàn)鋼絲繩斷裂引發(fā)安全事故，將單板式主吊耳設(shè)置在塔頂附管重心線AB上，且處于彎管段頂部，如圖2所示。由于主吊耳和塔頂附管連接焊縫與頂部縱焊縫碰撞，在焊縫強(qiáng)度滿足要求的情況下，在主吊耳與附管連接的中間位置開(kāi)半圓弧孔。此外，在吊耳板與塔頂附管之間焊接筋板，增大焊縫受力面積，同時(shí)加強(qiáng)局部穩(wěn)定性。

圖2 主吊耳和溜尾吊耳設(shè)置位置

主吊耳額定荷載1 200kN，材質(zhì)選擇可焊性較好的Q235B普通碳鋼，許用拉應(yīng)力[σ]=146MPa，根據(jù)HG/T 21574—2018《化工設(shè)備吊耳設(shè)計(jì)選用規(guī)范》，許用剪應(yīng)力[τ] =0.6[σ]=87.6MPa，屈服強(qiáng)度ReL=235MPa。

主吊耳結(jié)構(gòu)類型如圖3所示，主吊耳孔直徑D=86mm，系攬環(huán)板厚度S2=20mm，系攬環(huán)板外圓直徑D1=300mm，吊耳板厚度S=80mm，外圓半徑R=170mm，外圓切點(diǎn)半徑方位角為14°，吊耳孔中心至吊耳板邊緣的距離L=440mm，半圓弧孔兩端的直線距離b=130mm，半圓弧孔高度h=30mm。

圖3 主吊耳結(jié)構(gòu)類型

2)單管軸式溜尾吊耳設(shè)置

取消常規(guī)板式溜尾吊耳，避免塔頂附管立直后需人為拆除連接卸扣和鋼絲繩，采用單管軸式溜尾吊耳，溜尾鋼絲繩直接兜吊于溜尾吊耳上，取消卸扣連接，塔頂附管立直后，溜尾起重機(jī)通過(guò)落鉤動(dòng)作使鋼絲繩自行脫落。

溜尾吊耳額定荷載600kN，設(shè)置在附管直線段尾部側(cè)方位置，距附管下端口1.5m，溜尾鋼絲繩掛繩位于AB連線上，溜尾吊耳類型如圖4所示。選擇材質(zhì)仍為Q235B，外徑D0=273mm，外擋板直徑D2=360mm，溜尾吊耳計(jì)算長(zhǎng)度L1=291mm，擋板厚度S3=20mm，管軸厚度S1=20mm。

圖4 溜尾吊耳結(jié)構(gòu)類型

2.3 吊耳校核計(jì)算

吊耳校核計(jì)算時(shí)需考慮塔頂附管在翻身和立直后吊耳、焊縫承受的最大應(yīng)力，依據(jù)《化工設(shè)備吊耳設(shè)計(jì)選用規(guī)范》附錄A中的公式進(jìn)行校核計(jì)算，取動(dòng)荷載系數(shù)Kd=1.2，不平衡系數(shù)Ku=1.125。計(jì)算得到主吊耳擠壓應(yīng)力σhz=339.2MPa<2ReL=2×235MPa=470MPa；主吊耳頭部拉應(yīng)力σL=25.7MPa，剪應(yīng)力τL=25.7MPa；系攬環(huán)板焊接接頭剪應(yīng)力τp=53.2MPa，結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

主吊耳板與墊板或封頭連接處校核結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)備為臥置狀態(tài)時(shí)，剪應(yīng)力τs=43.95MPa，吊索荷載引起的彎曲應(yīng)力σbs=86.08MPa，組合應(yīng)力σcs=96.65MPa<[σ]=146MPa；當(dāng)設(shè)備為立直狀態(tài)時(shí)，拉應(yīng)力σe=43.95MPa，剪應(yīng)力τe=43.95MPa，組合應(yīng)力σce=62.15MPa<[σ]=146MPa。

主吊耳無(wú)墊板，吊耳板與封頭連接角焊縫強(qiáng)度校核(忽略加強(qiáng)筋板的作用)結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)備為臥置狀態(tài)時(shí)，剪應(yīng)力τps=25.21MPa，彎曲應(yīng)力σpbs=141.74MPa，組合應(yīng)力σpcs=143.97MPa<[σ]=146MPa。

起吊時(shí)溜尾吊耳橫向應(yīng)力σh=28.05MPa，剪應(yīng)力τw=28.05MPa，彎曲應(yīng)力σw=139.34MPa，組合應(yīng)力σcw=140.81MPa<[σ]=146MPa；溜尾吊耳管軸與擋板連接角焊縫強(qiáng)度τh=48.13MPa<[τ]=87.6MPa。

綜上所述，主吊耳和溜尾吊耳強(qiáng)度滿足吊裝要求。

3 吊耳焊接技術(shù)

3.1 吊耳下料

吊耳外形采用數(shù)控切割下料，坡口采用火焰切割后砂輪打磨至光滑，且周邊20mm范圍內(nèi)露出金屬光澤，經(jīng)滲透探傷無(wú)裂紋缺陷，主吊耳孔、內(nèi)擋板孔采用機(jī)械加工，主吊耳孔孔口倒3×45°鈍角，板厚公差±1.0mm，孔直徑公差±1.0mm，表面質(zhì)量需滿足JB/T 5000.2—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第2部分：火焰切割件》有關(guān)要求，主吊耳、溜尾吊耳與塔頂附管接觸面加工成曲面，與管段曲率保持一致。

3.2 吊耳焊接

焊接預(yù)熱溫度120℃，主吊耳焊接采用全熔焊接，焊接時(shí)采用正面焊接、反面清根的方法，保證焊縫完全焊透，管軸式溜尾吊耳與塔頂附管間的焊縫采用單面焊、雙面成型的方式，焊縫高度不小于薄板厚度的0.8倍。

對(duì)于溜尾吊耳，焊接完成后要求管軸中心線應(yīng)與塔頂附管軸向中心線垂直偏差≤0.5°，且管軸不能有環(huán)焊縫，縱焊縫數(shù)量不得大于1條。

3.3 焊后熱處理

焊后應(yīng)立即采用火焰加熱保溫焊接區(qū)，加熱溫度250℃，加熱時(shí)間0.5h，使用石棉遮蓋緩冷，并隨吊耳進(jìn)行回火處理。

3.4 焊接檢測(cè)

由于溜尾吊耳管軸為無(wú)縫鋼管成品切割，因此，主吊耳和溜尾吊耳所有焊縫均應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，不得存在裂紋與未熔合缺陷，還須按NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。若溜尾吊耳管軸由鋼板卷焊制而成，則外焊縫表面應(yīng)磨平,且對(duì)接焊縫須經(jīng)100%射線檢測(cè)，以NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》，Ⅱ級(jí)合格。

4 塔頂管線吊裝技術(shù)

采用單主機(jī)抬吊遞送法進(jìn)行急冷油塔頂附管吊裝，主起重機(jī)使用LR11250型1 250t起重機(jī)，使用SCC2000C型200t履帶式起重機(jī)配合溜尾遞送，直至將塔頂附管立直，然后拆除溜尾吊索，由1 250t起重機(jī)將塔頂附管上端接口吊裝至對(duì)口位置，由安裝人員將管口進(jìn)行微調(diào)，并對(duì)口焊接。

4.1 吊索具選型與連接

根據(jù)塔頂附管質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算選擇安全系數(shù)>6的主吊鋼絲繩，根據(jù)塔頂附管高度、就位高度、吊鉤高度、主起重機(jī)有效高度及限位距離確定鋼絲繩長(zhǎng)度，最終采用2根長(zhǎng)度為16m的φ82mm鋼絲繩，單根雙股使用，套口連接吊鉤，鋼絲繩另一端通過(guò)120t卸扣與主吊耳連接，連接完成后，檢查鋼絲繩與吊耳間距，應(yīng)保證翻轉(zhuǎn)過(guò)程中吊索具不與吊耳板碰撞，主吊索具掛設(shè)完成后需記錄吊索具質(zhì)量。

溜尾吊索采用2根長(zhǎng)度為13.8m的φ72mm鋼絲繩，連接時(shí)，鋼絲繩下端兜吊于管軸式溜尾吊耳上，上端與起重機(jī)吊鉤連接。吊索連接完成后，檢查其與塔頂附管本體、保溫層等的位置關(guān)系。

4.2 塔頂附管檢查與試吊

吊裝開(kāi)始前，對(duì)塔頂附管進(jìn)行檢查，確保塔頂附管上無(wú)未固定物。

塔頂附管正式吊裝前應(yīng)進(jìn)行試吊，試吊是檢驗(yàn)吊索具、吊耳和起重機(jī)性能等的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。須解決試吊檢查存在的問(wèn)題，確認(rèn)安全后進(jìn)行正式吊裝。

試吊工作應(yīng)在各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行，主起重機(jī)、溜尾起重機(jī)先緩慢提升，使吊索伸直，檢查吊索連接是否合適。連接情況正常后，再繼續(xù)緩慢提升，使吊索受力，檢查各吊索受力是否均勻。待2臺(tái)起重機(jī)提升至塔頂附管與地面支撐脫離100～200mm，對(duì)吊索及吊耳受力情況、起重機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、地基沉降情況進(jìn)行檢查，記錄起重機(jī)顯示數(shù)據(jù)，并核對(duì)質(zhì)量，有區(qū)別時(shí)需經(jīng)方案編制審批人員校核確認(rèn)，正常后進(jìn)行正式吊裝。

4.3 附塔管線正式吊裝

1)起吊

主起重機(jī)作業(yè)半徑34.2m，溜尾起重機(jī)作業(yè)半徑10m，2臺(tái)起重機(jī)配合將塔頂附管吊離地面支撐，附管在起吊后繞縱軸線自然水平。

2)立直

主起重機(jī)和溜尾起重機(jī)配合將塔頂附管抬起，主起重機(jī)工作半徑由34.2m緩慢變至34m，期間溜尾起重機(jī)緩慢沿順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)遞送。主起重機(jī)工作半徑變至34m后保持不變，并緩慢加載提升，溜尾起重機(jī)作業(yè)半徑保持為10m，并沿逆時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)至履帶前進(jìn)方向，然后帶載行走26.9m，將塔頂附管尾部遞送至溜尾起重機(jī)可直接變幅動(dòng)作范圍內(nèi)。主起重機(jī)繼續(xù)起升，溜尾起重機(jī)變幅遞送，直至將塔頂附管立直，塔頂附管立直后，直管段自然垂直，下口水平高差<5mm，有利于管線高空對(duì)口和焊接作業(yè)。

3)就位

塔頂附管立直后，溜尾起重機(jī)摘鉤，然后主起重機(jī)吊起塔頂附管使其底部距地面400～500mm，試吊2～5min。試吊完成后，主起重機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蚓徛剞D(zhuǎn)，然后作業(yè)半徑變至34m，將塔頂附管吊裝至就位位置正上方。

由于塔頂附管上端接口水平度小，接近自然水平狀態(tài)，因此，僅需微調(diào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)口，無(wú)須使用手拉葫蘆等輔助機(jī)械，降低了高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，塔頂附管可在0.5d內(nèi)完成吊裝、對(duì)口和焊接。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程急冷油塔塔頂附管吊裝時(shí)采用單主吊耳吊裝工藝，通過(guò)對(duì)主吊耳、溜尾吊耳進(jìn)行設(shè)計(jì)，使起重機(jī)將附管吊離地面后，無(wú)須借助其他輔助工具，附管繞縱軸線自動(dòng)處于水平狀態(tài)，當(dāng)2臺(tái)起重機(jī)配合將附管立直后，附管直管段自然垂直，附管上端接口處于自然水平狀態(tài)。所以當(dāng)附管被吊至塔頂后，無(wú)須其他工具輔助，微調(diào)后可安全完成塔頂管口與附管上管口對(duì)接。采用單主吊耳吊裝工藝后，吊裝、對(duì)口、焊接等工序用時(shí)約0.5d，節(jié)約了成本，提高了效率，達(dá)到了降本增效、節(jié)能減排、安全高效的目的。