常减压塔管式吊耳及其相关结构的计算校核

刘莎莎 邹 磊朱 磊何述熠

1.大连益利亚工程机械有限公司 辽宁大连 116024；2.中石化重型起重运输工程有限责任公司 北京 101599 3.大连理工大学机械工程学院 辽宁大连 116024

随着国内炼油化工行业的不断发展成长,以及工业设备不断地趋向大型化与集成化的改变,尤其是兴建炼油厂所必须的常减压塔等装置的单体重量越来越大,甚至超过上千吨,这些重量大、长度长、体积大的设备的安全吊装问题也就越来越复杂,且更加受到重视［1］。同以前对我国老式吊耳进行传统的计算不同,应对具有新的结构形式且更贴近国际化设计的管式吊耳,在简化模型进行解析计算的基础上,配以ANSYS有限元分析来满足安全吊装的需要。下文以国内某石化公司1000万t/a常减压蒸馏装置在垂直吊装工况下,其管式吊耳及相关结构的危险截面、主要焊缝截面的强度解析计算和有限元强度分析为例,不仅为该公司的安全吊装工作提供可靠的依据,还对其他同类大型炼化设备在安全吊装之前,其主吊耳的设计校核提供了一种可靠的计算验证方法。

1 常减压塔基本参数及载荷工况

1.1 常减压塔基本参数

常减压塔吊装重量均为790t,主吊耳采用管式吊耳,直径940mm,壁厚30mm,材料为Q345R。吊耳内外挡板(图1中4号件、7号件)的间距为300mm,即吊耳受载面宽度为300mm。

由于常减压塔的管式吊耳材料相同,工况相同,所以两塔选取相同材料的屈服极限σs和强度极限σb,分别为 325MPa 和 500MPa［2］。 根据起重机设计规范［3］,单次吊装属于载荷组合C工况,因此选取材料安全系数n=1.22,常减压塔的材料许用应力［σ］=266MPa。常减压塔的角焊缝的许用应力［τh］=188MPa［4］。

1.2 单个管式吊耳结构及所受载荷

本文不同于国内管式吊耳的常用设计方式,参照国际常用的管式吊耳的结构［5］,选择增加管径和管轴壁厚、在管轴外设计立筋板以及减少管轴内腔筋板的复杂程度的方式,设计了常减压塔的主吊耳,又由于两塔的结构、尺寸及主吊耳的结构、尺寸均相似,下面计算分析均以常压塔为例,常压塔单个管式吊耳具体结构尺寸如图1所示。

图1 常压塔主吊耳结构形式

因常减压塔为立式设备,吊装的起始状态为水平状态,塔两端分别由主起重机同溜尾起重机共同合作,提升并使其从水平状态翻转至直立状态,在整个过程中,管式吊耳在设备就位即直立状态所受载荷最大,因此,选取对主吊耳最危险的垂直吊装工况为计算工况。

常压塔起吊重量790t,根据大型设备吊装工程施工工艺标准［6］,选取动载系数ndy1=1.1,不平衡载荷系数ndy2=1.1,单个吊耳计算载荷F为:

式中:

m——起吊重量,t;

G——重力加速度,g=9.8m/s2;

ndy1——动载系数,ndy1=1.1;

ndy2——不平衡系数,ndy2=1.1。

2 管式吊耳强度解析计算

大型塔设备在较大载荷垂直吊装时,管式吊耳的受力区域为最危险截面［7］,如图1所示,管式吊耳内挡板的P-P截面为危险截面,以此截面为强度校核截面。吊耳计算载荷F距P-P截面的距离LF为吊耳受载面宽度的一半,即LF=150mm。

根据图1尺寸结构对P-P截面进行计算得:

管式吊耳的截面积A1=8.57×104mm2。

管式吊耳的抗弯截面系数W1=1.89×107mm3。

式中,F——单个吊耳计算载荷,见公式(1—1),N;

根据参考文献［3］的5.4.1.3节,管式吊耳P-P截面的复合应力σ:

管式吊耳的危险截面应力小于材料许用应力,满足吊装要求。

3 主要焊缝强度解析计算

对吊耳的相关结构(垫板及补强圈筒体)的焊缝强度进行解析计算,而为准确反映吊耳的受力特点,下节对吊耳的其余焊缝进行了有限元分析。

吊耳相关结构的角焊缝均为普通焊缝,计算厚度按0.7hf取值,计算得:

垫板角焊缝计算厚度δf1=16.8mm;

补强圈筒体角焊缝计算厚度δf2=11.2mm。

焊缝计算长度按四周环缝的形式计算得:

垫板焊缝长度lf1=7742mm;

补强圈筒体焊缝长度lf2=7742mm。

焊缝强度计算公式［4］:

式中:

F——单个吊耳计算载荷,见公式(1—1),N;

Af——角焊缝的计算截面面积,mm2;

δf——角焊缝的计算厚度,mm;

lf——焊缝的计算长度,mm。

综上,垫板的焊缝应力τN1、补强圈筒体的焊缝应力τN2分别为:

吊耳的相关结构(垫板及补强圈筒体)的焊缝强度均小于许用应力,满足吊装要求。

4 管式吊耳及其相关结构有限元计算

4.1 有限元模型建立

对模型进行简化,仅建立吊耳及吊耳连接处设备局部实体模型,网格划分采用四面体单元,则常压塔实体模型如图2所示,吊耳处网格如图3所示。

图2 常压塔整体模型图

图3 常压塔吊耳局部网格

垂直吊装工况时,需要在常压塔壁上下边缘施加全位移约束,同时需要在管式吊耳外壁下侧施加载荷。如图4所示,管式吊耳下侧所承受的外力F是以沿弧长分布压力p的形式传给吊耳外壁,此处选取吊耳管壁下侧接触角度范围、以正弦曲线分布的径向载荷进行计算,计算得出正弦面载荷的最大值为21.16MPa。

图4 施加载荷图

4.2 有限元强度分析

垂直吊装工况时,常压塔两侧受力情况相似,故有限元分析选取其中一侧为例(下同)。

由图5所示的应力云图可以看出,常压塔整体应力基本小于许用应力,但是,垫板的上部焊缝中有约100mm长度的焊缝超过许用应力,有约30mm长度的焊缝大于屈服极限,最大应力为376MPa,小于强度极限,又由于垫板上部该段焊缝较短,所以进入强化阶段后不会产生破坏;最大应力点499MPa发生在垫板上方的塞焊孔位置,为一个单元,其周边单元的应力迅速衰减,同时存在形状突变,因此产生应力集中,实际吊装工况不会发生,可忽略。圈筒体交接处上下部焊缝均小于许用应力,管轴内部有两段分别约120mm长的区域大于许用应力,但小于屈服极限,最大应力为287MPa。管轴外部也有两段分别约60mm长的区域大于许用应力,但小于屈服极限,最大应力为283MPa。由于管轴内外部只有极小区域的应力值略微超过许用应力,所以单次吊装并不会产生破坏。此外,外筋板与垫板交接焊缝处存在个别筋板端部有约30mm长度区域大于许用应力,极个别筋板有约10mm长度区域大于屈服极限,最大应力为334MPa,小于强度极限。需要注意的是,外筋板个别超限区域属于结构形状突变所产生的应力集中,导致数值偏大,有限元分析中应剔除,并且此处实际存在焊缝会降低应力,现场吊装也不会发生破坏。

图5 常压塔整体应力云图

图6 管轴处应力云图(188MPa以上)

图7 管轴处应力云图(325MPa以上)

综上,常压塔790t垂直吊装工况中,补强圈筒体、垫板、管轴、外筋板及它们的焊缝均满足吊装要求。

5 实际吊装实施

图8所示为本文主吊耳由国内某石化公司成功吊装的实际施工情况,充分验证出本文理论计算的分析结果是正确且适当的。

图8 成功吊装现场图

6 结语

随着常减压塔设备不断向大型化发展和吊装技术的进步,非标重型的管式吊耳也变得越来越常用,其设计和强度计算校核也越来越受到重视,本文结合实例就此方面展开研究,得到结论如下:

(1)在各结构件无质量缺陷,保证结构焊接质量,无残余应力,无焊接缺陷的前提下,结合强度解析计算和有限元分析的结果,可知常减压塔设备的补强圈筒体、垫板、管轴、外筋板及它们的焊缝均满足吊装要求。

(2)常减压塔主吊耳属一次性吊装使用,并非长时间多次使用,且最大应力发生在翻转阶段后的垂直吊装工况,因此在常减压塔的吊装总重不大于计算载荷时,主吊耳及相关结构能够满足吊装要求。

(3)本文通过对具体实例进行计算分析,合理地运用ANSYS分析结果,为实际的安全吊装工作提供可靠且适当的依据,同时也为其他大吨位炼化设备的管式吊耳及其相关结构的计算校核提供了一种计算方法,以供设计参考。