塔器轴式吊耳强度计算及有限元应力分析

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(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070；2.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518)

塔器轴式吊耳强度计算及有限元应力分析

刘宏超1.2，谢培军1.2，袁小勤1.2，宋启祥1.2，张林俊1.2，宋瑞艳1.2，李志玉1.2，张微1.2，宫超1.2，张鹏1.2

(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070；2.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518)

吊耳是塔器的关键部件之一，在吊装过程中吊耳的强度直接影响着塔器吊装的安全，塔器吊耳结构的合理设计是塔器顺利吊装的关键。对某工程柴油加氢装置硫化氢汽提塔的本体及吊耳强度进行校核，应用SW6-2011计算软件对塔器吊耳进行局部应力核算，最后运用有限元分析软件对吊装过程中塔器以及吊耳的受力情况进行整体分析。分析结果表明，在吊装过程中塔器的强度和吊耳强度处于安全状态，而在吊装过程中，随着吊装角度(0°～90°)的增加，塔器一次局部薄膜应力强度、一次加二次应力强度以及塔器整体UY方向的位移均有先下降后上升的趋势。

塔器； 吊耳； 强度校核； 应力分析

在国家“十三五”规划引导下，石油化工设备也向重型化、大型化以及规模化发展。大型设备能否正常、平稳、安全吊装，往往影响后期装置的运行。对塔器吊装来说，吊耳结构的合理设计是塔器顺利吊装的关键[1]。在塔器初步设计时，除了要考虑塔器本体的强度、刚度以及结构等因素外[2]，还要考虑设备在吊装过程中的受力状态，通过对相关强度的计算以及危险应力部位的应力分析和校核[3-5]，从而为塔器的安全就位提供必要的理论数据。文中以某工程柴油加氢装置硫化氢汽提塔为计算模型，对轴式吊耳进行强度计算及有限元应力分析。

1 硫化氢汽提塔基本参数

该硫化氢汽提塔结构示意见图1。塔体高度29 650 mm，设备重心约在距裙座底部15 500 mm处，塔器内径Ø2 000 mm、Ø1 800 mm、Ø800 mm，筒体厚度20 mm、18 mm、14 mm、10 mm。设备主体材料为Q245R(正火)，焊接接头系数φ=0.85。设备最大吊装总质量为39 t，包括内件和一部分附件的质量。计算模型中未考虑内件的支撑作用，这样计算结果在一定程度上更安全。

图1 硫化氢汽提塔结构简图

塔器吊耳结构简图见图2，吊耳材料为Q245R(正火)。吊耳主体参数基本参考HG/T 21574—2008《化工设备吊耳及工程技术要求》[6]中的AXB-300-20规格，由于吊装设备本体部位厚度为14 mm，不能满足标准规定的吊耳设置的要求，因此需增加加强板，加强板厚度20 mm。常温状态下16～36 mm厚Q245R(正火)的许用应力[σ]t=148 MPa、弹性模量Et=2.01×105MPa[7]。

图2 塔器吊耳结构简图

2 硫化氢汽提塔校核计算[8-12]

2.1设备本体强度校核

2.1.1横截面最大拉应力

在只考虑塔器本体重力载荷的情况下，塔器竖直方向上吊装受力见图3。图中a为塔体重心距裙座底部的距离，b为吊耳位置距裙座底部的距离，c为塔器本体总高度。

图3 塔器吊装受力简图

由重力引起的作用在单个吊耳的平衡力Fa为：

(1)

式中，Fa为单个吊耳的平衡力，G为设备自身重力，N；K为综合影响系数，此处取1.6。

根据力矩平衡原理可以求得塔器所受最大弯矩Mmax：

Mmax=2Fa(b-a)

(2)

由机械设计手册可知[13]，圆形筒体横截面的抗弯截面模量W1为：

(3)

式中，W1为圆形筒体横截面的抗弯截面模量，mm3；D为危险部位的筒体外径，d为危险部位的筒体内径，mm。

将相关数据带入式(1)～式(3)，计算得到水平状态设备横截面的最大拉应力σmax=Mmax/W1=77.2 MPa<[σ]tφ=125.8 MPa，校核计算设备本体安全。

2.1.2许用轴向压应力[14]

塔器圆筒的计算系数A为：

A=0.094δe/R0

(4)

式中，A为计算系数；δe为有效厚度，吊装时筒体腐蚀裕量为0，钢材负偏差为3 mm，δe取14.7 mm；R0为圆筒外半径，取918 mm。经计算，A=1.51×10-3。

查GB 150.3中对应外压圆筒材料的应力系数B曲线图，由于A值落在设计温度下金属材料线的右方，查图应力系数B取123 MPa，常温下材料许用应力[σ]t=148 MPa，轴向压应力的许用应力[σ]cr取B与[σ]tφ的较小值，故[σ]cr=123 MPa。

筒体所受最大压应力与水平状态下的应力数值大小相等，方向相反，即│σ压│=σmax=Mmax/W1=77.2 MPa，且│σ压│<[σ]cr，设备轴向压应力核算安全。

2.2吊耳强度校核

塔器吊耳的强度校核按文献[6]中吊耳强度计算实例3进行，吊耳计算受力简图见图4。

图4 吊耳计算受力简图

吊耳及垫板等材料均为Q245R(正火)，许用应力为148 MPa，综合影响系数K取1.65。

单个吊耳所承受竖直方向的力F1=GK/2，所承受水平方向的力F2=F1tan15°，径向弯矩M=F1L(L为挡板内侧面到垫板外侧面的距离)。

吊耳横截面积AS计算式为：

AS=π(D1-S)S

(5)

式中，AS为吊耳横截面积，mm2；D1为吊耳外径，S为吊耳管厚度，mm。

吊耳抗弯端面模数W2为：

(6)

其中

式中，W2为吊耳抗弯端面模数，mm3。

吊耳拉应力σL=F2/AS，最大弯曲应力σW=M/W2，组合应力σH=σL+σW，带入数据计算可知σH=99.4 MPa<[σ]tKa=111.0 MPa(Ka为焊缝削弱系数，此处取0.75)，吊耳强度校核安全。

2.3吊耳局部应力校核

根据文献[6]对AXB-300-20型吊耳局部参数进行了更改，选择2个吊耳，呈180°对称分布，由于吊装时不允许吊耳耳部的筒体出现局部变形，因此需进行局部应力校核。

已知吊耳管外径D1=325 mm、吊耳管壁厚t1=16 mm、挡板内侧面到垫板外侧面的距离L=325 mm、加强板外径D4=820 mm、加强板厚度t4=20 mm，吊耳受力F1=315 636.8 N，应用SW6-2011计算软件对塔器吊耳部位进行局部应力计算，计算结果见表1。

表1 吊耳部位局部应力计算结果

2.4设备有限元应力分析

2.4.1有限元模型建立与结果

根据硫化氢汽提塔结构特性及起重吊装过程，需建立塔身与地面所成夹角依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°共7种有限元模型。0°为塔身处于水平位置，即起吊初始位置；90°为塔身处于垂直位置，即起吊最终状态。在进行结构分析的基础上，对应力进行强度评定。

根据结构特性和载荷特性，取整体结构进行有限元分析[15，16]。有限元局部模型见图5，采用ANSYS软件中的8节点三维实体单元SOLID 185结构，根据塔器实际吊装工程中的特点和结构特性将其位移边界条件简化，主吊耳挡板内侧端面及裙座底部端面y向约束Δy均为0。另外还需考虑设备自重以及1.65的综合影响系数。

塔器0°位置时的线性化路径见图5，有限元分析塔器应力强度云图见图6，路径1-1线性化应力分布见图7，有限元模型UY方向位移分析结果见图8。不同吊装角度下塔器的最大应力强度值和UY方向的变形量见图9和图10。

图5 塔器有限元局部模型及水平位置线性化路径

图6 水平位置塔器应力强度云图

图7 塔器水平位置路径1-1线性化应力分布

图8 塔器水平位置有限元模型UY方向位移分析结果

由图6可以看出，塔器的最大应力强度处于吊耳根部位置，最大应力强度值达到201.088 MPa。从图8可以看出， 位移最大点处于塔器中间位置，

UY方向最大位移达到7.83 mm。由图9和图10可以看到，随着吊装角度的增加，一次局部薄膜应力强度、一次加二次应力强度以及塔器整体UY方向的位移均有先下降后上升的趋势。

图9 塔器整体应力强度随吊装角度变化曲线

图10 塔器整体UY方向位移随吊装角度变化曲线

2.4.2应力强度评定

根据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认)[17]对塔器进行应力强度评定，评定路径为图5中1-1截面，不同角度下吊装的1-1截面应力评定结果见表2，表中载荷组合系数K1=1.0。

表2 不同吊装角度下1-1截面应力强度评定结果

3 结语

对柴油加氢装置中硫化氢汽提塔的本体及吊耳进行了强度校核以及有限元应力计算分析，由分析结果可知，从塔器吊装开始到吊装结束的过程中，塔器及吊耳的强度是安全的，可为工程实践提供可行的理论数据。

在工程实际中通常用于提高管轴式吊耳与筒体连接部位强度的方法主要有：增加吊耳尺寸、增加垫衬板的补强、同时增加吊耳尺寸和垫衬板的补强、增加吊耳尺寸和增加垫衬板的补强以及加设筋板，可根据实际情况相应选择不同的方法，以实现大型塔器的顺利吊装。

[1] 隋翼飞，邵先明，庞秋楠，等.大型塔式容器制造中需要考虑的因素[J].石油化工设备，2014，43(1)：68-70.

(SUI Yi-fei，SHAO Xian-ming，PANG Qiu-nan，et al. Factors to be Considered in the Manufacture of Large-scale Tower Containers[J].Petro-chemical Equipment，2014，43(1)：68-70.)

[2] 潘文江.大型吊装中设备吊耳设计与验收[J].石油工程建设，2009，35(3)：49-51.

(PAN Wen-jiang. Design and Acceptance of Lifting Lugs in Large Hoisting Equipment[J]. Petroleum Engineering Construction，2009，35(3)：49-51.)

[3] 肖文勇，余凯.吊耳有限元建模技术分析[J].船舶工程，2009，31(增刊)：94-97.

(XIAO Wen-yong，YU Kai. Finite Element Modeling Technology Analysis of Lifting Lugs[J]. Ship Engineering，2009，31(S1)：94-97.)

[4] 宋晓磊，侯德民，赵军，等.大型塔设备轴式吊耳危险截面分析——兼谈吊耳的强度设计标准[J].化工设备与管道，2013，50(4)：19-22.

(SONG Xiao-lei，HOU De-min，ZHAO Jun，et al.Dangerous Section Analysis of Shaft Lugs for Large-scale Tower Equipment——Analysis on Strength Design Standard of Lifting Lugs[J]. Process Equipment & Piping，2013，50(4)：19-22.)

[5] 黄志筠．大重型塔设备整体吊装结构选取及计算[J]．石油化工设备，2001，30(S1)：52-54．

(HUANG Zhi-jun. Big Heavy Tower Equipment Integral Lifting Structure Selection and Calculation[J].Petro-chemical Equipment，2001，30(S1)：52-54．)

[6] HG/T 21574—2008，化工设备吊耳及工程技术要求[S].

(HG/T 21574—2008，Chemical Equipment Lifting Lugs and Engineering Technical Specification [S].)

[7] GB 150.1～150.4—2011，压力容器[S].

(GB 150.1～150.4—2011，Pressure Vessels[S].)

[8] 陈强，宋才华，王耀明.塔式容器用轴式吊耳的校核计算[J].化工设备与管道，2009，46(4)：9-12.

(CHEN Qiang，SONG Cai-hua，WANG Yao-ming. Calculation of Shaft Lifting Lugs for Tower Vessels[J]. Process Equipment & Piping，2009，46(4)：9-12.)

[9] 谢刚.塔式容器用轴式吊耳的设计[J].化工设备与管道，2012，49(2)：18-20.

(XIE Gang. Design of Tower Used Axial Lifting Lug[J]. Process Equipment & Piping，2012，49(2)：18-20.)

[10] 李冰.塔用轴式吊耳的最佳位置及塔器整体吊装过程中的应力计算[J].化工设备与管道，2006，43(6)：27-29.

(LI Bing.Optimal Location of Axial Lifting Lugs on Tower and Calculation of Stress in Lifting Process[J]. Process Equipment & Piping，2006，43(6)：27-29.)

[11] 王贵丁.轴式吊耳强度计算及壳体局部应力校核方法[J].石油化工设计，2009，25(4)：8-10.

(WANG Gui-ding. Strength Calculation of Shaft Lifting Lug and Method of Checking Local Stress of Shell[J]. Petrochemical Design，2009，25(4)：8-10.)

[12] HG/T 20582—2011，钢制化工容器强度计算规定[S].

(HG/T 20582—2011，Steel Chemical Container Strength Calculation Requirements[S].)

[13] 成大先.机械设计手册(第5版)：常用设计资料[M].北京：化学工业出版社，2010.

(CHENG Da-xian. Mechanical Design Manual(5th Edition)：Common Design Information[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2010.)

[14] NB/T 47041—2014，塔式容器[S].

(NB/T 47041—2014，Vertical Vessels Supported by Shirt[S].)

[15] 车志明.管轴式吊耳有限元参数化建模与分析[D].大连：大连理工大学，2015.

(CHE Zhi-ming. Finite Element Parametric Modeling and Analysis of Tube Lugs[D]. Dalian： Dalian University of Technology，2015.)

[16] 宋晓磊.塔设备非标轴式吊耳及支撑结构的三维有限元分析和结构优化设计[D].北京：北京化工大学，2014.

(SONG Xiao-lei. Three-dimensional Finite Element Analysis and the Strucrure Optimization Design of Tower Equipment Non-standard Shaft Lifting Lugs and Support Structure[D]. Beijing： Beijing University of Chemical，2015.)

[17] JB 4732—1995，钢制压力容器——分析设计标准(2005年确认)[S].

(JB 4732—1995，Steel Pressure Vessels——Design by Analysis(In 2005，Confirmed)[S].)

(张编)

StrengthCalculationandFiniteElementStressAnalysisoftheShaftLug

LIUHong-chao1.2，XIEPei-jun1.2，YUANXiao-qin1.2，SONGQi-xiang1.2，ZHANGLin-jun1.2，SONGRui-yan1.2，LIZhi-yu1.2，ZHANGWei1.2，GONGChao1.2，ZHANGPeng1.2

(1.Lanpec Technologies Limited， Lanzhou 730070， China；
2.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd.， Shanghai 201518， China)

Lifting lug is one of the key parts of the tower，during the hoisting process，and the strength of the lifting lug directly affects the tower crane hoisting. The reasonable design of the tower lug structure is the key to the successful hoisting of the tower. firstly，the main body and lifting lug strength of a hydrogen sulfide hydrogenation unit are checked，and the local stress of the lifting lug is calculated by SW6-2011 software，finally，the finite element analysis software is used to analyze the lifting process results show that the strength of the tower and the strength of the lifting lug are in the safe state during the hoisting process，in the process of hoisting，with the lifting angle(0°～90°) stress intensity of the local film，the secondary stress intensity and the displacement of the whole UY direction of the tower are both decreased first and then increased.

tower； lug； intensity calculation； stress analysis

TQ053.5； TE962

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.006

1000-7466(2017)02-0029-05

2016-10-12

刘宏超(1984-)，男，辽宁凌源人，工程师，硕士，从事压力容器设计及设备研发工作。