变径塔吊装过程应力校核与轴耳最佳位置确定

， ，

(中薪油武汉化工工程技术有限公司， 湖北 武汉 430223)

化工行业中，塔设备的耗材和投资费用在整套装置中占比相当大，是极其重要的单元操作设备之一[1]。设计常规塔器时，对于吊装应力，主要考察轴耳本体强度和设备吊点处壳体的局部应力[2-3]。设计高径比较大(通常H/D≥10，H为塔高，D为塔的公称直径)的塔器时，不仅要从常规的强度、刚度、结构、运输等方面考虑，还要考虑塔器整体吊装过程中各个环节的受力情况。对于高径比较大的塔器，其壳体壁厚往往较薄，控制吊装时壳体的轴向压缩应力是吊装施工的关键点，设计时必须引起足够的重视[4]。

在大型塔器中存在很多变径塔，其上部直径通常小于下部直径。从工艺角度而言，设计依据主要是提馏段和精馏段的气、液相负荷和流量不同[5]；从设备角度考虑，塔径变小，壁厚减薄，可以节省投资；从土建角度考虑，下大上小的结构有利于抵抗风载荷和地震载荷。文中对在塔器设计阶段将初始工艺专业提出的等径塔结构优化为变径塔的过程进行了介绍，并对塔器吊装过程作了应力分析，找到了设置轴耳的最佳位置。

1 塔器吊装[6-7]

目前，在化工建设施工过程中，吊装塔器最常用的方法是利用1台吊机主吊，另一台辅助吊机则在塔底溜尾。

塔器的吊装过程分为3个阶段：①刚刚起吊时，塔体水平，轴耳与尾吊之间受轴向压缩应力和轴向拉伸应力(图1a)。②塔底脱离地面时，塔体倾斜，轴耳和尾吊均受力，塔体的重量由轴耳和尾吊共同承担(图1b)。③空中搬运时塔体和地面呈垂直状态，轴耳受力，尾吊不受力，塔体的重量由轴耳完全承担[8](图1c)。

图1 塔器起吊3个阶段

壳体许用轴向压缩应力需同时考虑外压应力系数B和壳体材料的许用应力，其数值往往比轴向拉伸应力小得多，故文中略去对轴向拉伸应力的分析。壳体轴向压缩应力最大值发生在刚刚起吊时，以某实际工程的常压塔设计为例，分析这一阶段塔的受力情况。

2 塔器设计参数

工艺专业提出等径空塔的设计条件如下：塔高H=50 m，内径Di=800 mm，风载300 Pa，地震设防烈度7度(0.1g)，场地土Ⅱ类，地面粗糙度B类。设计温度120 ℃，设计压力微负压，介质为烟道气，推荐材质为碳钢。不考虑保温层和塔内件。由于不存在露点腐蚀，主体材质可取为Q235B，其许用应力[σ]t=111 MPa，弹性模量Et=190×103MPa。

设备专业发现，初始条件塔径过小，不便于设置地脚螺栓，同时高径比为62.5。此值过大，导致横向风载荷和地震载荷过大。依据GB 50051—2013《烟囱设计规范》[9]和GB 50009—2012《建筑结构载荷规范》[10]中的相关要求，塔的高径比不宜超过30，塔器分段不宜超过5段。笔者根据设计经验，将等径塔改为分4个直径段的变径塔，同时取高径比H/D=25。

塔器壁厚主要由风载荷和地震载荷控制。风载荷和地震载荷引起的弯矩随高度变化，按等强度及结构设计的合理性考虑，应将塔壳体直径调整为从上而下逐段递增，控制每段高径比H/D≤25。GB 50009—2012《建筑结构载荷规范》中规定，B类地面粗糙度的风压高度变化系数取值大致按距地面高度每增高10 m而增大[11]，由此可考虑将塔体分段，将等径塔改为变径塔，每10 m一段。

与工艺专业协商后确定的变径塔各段结构参数见表1。

表1 变径塔结构参数

3 变径塔壳体轴向压缩应力分析[12-15]

将变径段等效为直径和大端相等的圆筒，将封头、人孔、法兰、裙座及梯子平台等部件质量计入，进行受力模型简化，得到的塔器外形简图及受力分析简图见图2。图2中，mi表示第i段的塔体质量，kg；qi表示分布到第i段塔体的均布载荷，N/mm；Li表示第i段的塔体长度(其中L5表示轴耳与塔顶的距离)，Di表示第i段塔体的内径，δi表示第i段塔体的壁厚，mm；F1表示轴耳处的支反力，F2表示塔底处的支反力，N。

图2 刚刚起吊时变径塔吊装受力模型

按照GB 150.1～150.4—2011《压力容器》[4]进行塔体的强度计算，可以取变径塔壁厚为10 mm，其各段质量为m1=5 600 kg、m2=4 000 kg、m3=3 000 kg、m4=4 200 kg。

将各段载荷视为均布载荷，则有：

对轴耳处取矩，有∑M1=0，即：

对尾吊处取矩，有∑M2=0，即：

由此可得支反力F1、F2的大小。

显然，最大挠度点在塔顶或轴耳与尾吊之间，由于塔顶不受约束，故仅需讨论轴耳与尾吊之间的受力情况。

令任一点与塔底距离为x，则x=H-L5，其弯矩为M(x)，分析易知：

当L1+L2≤x

前述各式中，Mi(x)表示第i段塔体距塔底x处弯矩，N·mm。

从而有：

当L1+L2≤x

前述各式中，Mi′(x)表示第i段塔体距塔底x处弯矩的求导值，N。

3.管理体制相对滞后，经营管理水平不高。冰雪产业涉及旅游发展委员会、体育局、文化厅等多个管理部门，部门之间的协调缺少统筹规划，同时存在管理重叠和管理缺位的问题，并且难以起到有效的监督管理作用。各部门各产业之间也存在为了追求自身利益各自为政的现象，造成部门之间合作困难。在开发管理方面，一些项目盲目上马，企业管理理念和模式落后，存在追求眼前利益、忽略生态环境的问题。在营销方面，主要依靠政府的宣传以及与旅行社合作，没能充分利用网络和手机进行营销和宣传。在信息化建设方面，在线服务市场初具规模，全覆盖式宣传营销格局已经基本形成，但仍难以有效监测各种突发事件和处理安全事故。

令M′(x)=0，可得极值点。

第1段：在0

第2段：在L1≤x

第3段：在L1+L2≤x

第4段：在L1+L2+L3

前述各式中，xi′表示位于第i段塔体内的弯矩极值点，mm。

分析易知，最大弯矩点通常落在第3段或第4段。忽略不在当前区间的x′，将x′带入M(x)，即得最大弯矩Mmax。

吊装时，壳体最大轴向压缩应力σmax为：

式中，Wi为第i段塔体的抗弯截面系数，mm3。

将塔器各段尺寸和质量值带入，得最大轴向压缩应力为24.77 MPa。依据GB 150.1—2011中第4.4.5条，求得许用轴向压缩应力约为65 MPa，校核通过。

需要特别指出的是，对于不等壁厚的塔体，不同壁厚的两筒节分段截面也是危险截面[16]，校核时不能遗漏。

4 轴耳最佳位置确定

轴耳的最佳位置应满足使图2变径塔受力模型中内侧段最大轴向压缩应力σmax和外伸段最大轴向压缩应力σmax′相等的条件，即：

σmax=σmax′

式中，Mmax′为外伸段最大弯矩，N·mm。

联立各式可得：

带入已知值(此处需将Di、mi等逐一带入，且需同时寻找x的极值点，还需求出支反力与极值点弯矩值)，可得L5=14 638.5 mm，L5即为轴耳距塔顶理论上的最佳位置。

5 结语

以某实际工程项目为例，对变径塔的结构参数进行了优化，给出了塔器在吊装过程中最大轴向压缩应力校核的方法，并据此找出了轴耳最佳位置，为大高径比薄壁变径塔的设计提供了一种可行的计算方法。