某重型反应器管轴式吊耳设计

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(中国船舶重工集团公司 第七一一研究所， 上海 201108)

某台立式重型反应器吊耳的设计，依据HG/T 21574—2008《化工设备吊耳及工程技术要求》[1]的建议选用了管轴式结构。

初步的计算表明，标准系列管轴式吊耳均不能满足此反应器的吊装需求。为此，通过查阅相关文献并结合相关工程软件的计算方法对该反应器管轴式吊耳进行了设计。

1 反应器设备结构及设计参数

某重型反应器结构示意见图1。该反应器为立式壳管式结构，分为上下两段，两段中间采用法兰连接。设备质量400 t，外径3 640 mm，总高度24.9 m，材质为304L不锈钢。反应器总质量m0=400 000 kg，反应器内径D=3 600 mm，壳体壁厚δ=20 mm，反应器外径DO=3 640 mm，反应器总高度H=24 900 mm，质心高度Hg=14 150 mm。

图1 某重型反应器结构示图

2 吊耳位置确定及载荷计算[1-3]

2.1 吊耳位置确定

吊耳位置的设定主要从两个方面考虑：①当设备处于水平时，由设备自重产生的弯矩在壳体上引起的弯曲应力。②吊装过程中设备吊装的稳定。当设备质量沿轴线均匀分布时，由于管轴式吊耳内侧和吊点处的弯曲应力相当，考虑第①点要求吊耳位置高度与设备总高之比为0.71。考虑第②点则要求吊点位置设置在质心1.5 m以上。结合以上两点要求，经过计算确定的轴式吊耳位置在17.68 m的高度。

2.2 吊耳载荷计算

根据反应器结构和确定的吊耳高度分析吊耳受力情况，吊点的设计位置及吊耳受力情况见图2。

根据图2中的受力平衡及力矩平衡，有：

F1+F2=G

F1(L1cosθ+L2cosθ+Rsinθ)=G(L2cosθ+Rsinθ)

根据以上两式可得：

图2 反应器吊装时吊点位置及吊耳受力示意图

式中，F1为管轴式吊耳受力，F2为溜尾吊耳受力，G为设备总重量，N；L1为管轴式吊耳与质心之间的距离，L2为溜尾吊耳与质心之间的距离，R为溜尾吊耳与设备轴线之间的距离，m；θ为设备轴线与水平面之间的角度，(°)。

设备总重量G=m0g=400 000×9.81=3 924 000(N)，管轴式吊耳与质心之间的距离L1=17.68-14.15=3.53(m)，溜尾吊耳与质心之间的距离L2=Hg=14.15 m。

由于吊装时设备从水平到竖直，因此计算载荷时应考虑从水平到竖直，本文考虑吊装角度从水平开始，选择5个角度来计算吊耳载荷，即θ为0°、30°、45°、60°和90°。根据上述公式计算所得管轴式吊耳载荷F1见表1。

表1 不同吊装角度管轴式吊耳计算载荷

3 反应器管轴式吊耳结构设计

3.1 设计方法

管轴式吊耳设计是将吊耳简化为一端固定一端受力的悬臂梁进行计算，因此先根据文献[1]中管轴式吊耳尺寸来设置吊耳结构参数，然后再应用材料力学相关计算公式对结构进行校核计算。

3.2 结构设计

查阅文献[1]可知，本反应器的壳体壁厚为20 mm，远不能满足文中载荷相近的轴式吊耳对壳体壁厚的最小要求。为避免吊耳在壳体上产生的局部应力引起壳体产生大凹陷，对反应器壳体进行局部加厚。先将壳体局部加厚到60 mm，再对局部应力进行校核。参考文献[4]设计加厚段与壳体主体的连接，焊接详图见图3。加厚段的高度暂设为3 m，需在设置好垫板宽度之后再根据相关公式对局部加厚的高度进行校核[1]。

图3 反应器壳体加厚段与壳体焊接

根据文献[1]，设备公称直径为3 600 mm时，其吊耳管轴外径一般确定为700 mm，厚度先假定后校核。先设置吊耳外径为60 mm。吊耳长度根据悬臂梁受力分析要求越短越好，但不宜短于1容绳的长度。容绳长度一般为吊索宽度加上裕量[5-6]。本例中选用直径90 mm钢丝绳绕2圈4股，吊索宽度180 mm，留间隙60 mm，则容绳长度为240 mm。参照文献[1]，同时考虑反应器上方突出部分对吊绳的干扰，吊耳长度设置为450 mm。这个长度大于标准中的数值，设计时在吊耳靠近壳体部位增加筋板，加强段外侧与吊耳外盖板间留240 mm作为容绳长度。耳轴内部采用筋板进行加强，筋板厚度60 mm，间距180 mm。

设计大直径设备管轴式吊耳时，一般考虑加垫板以减小吊耳在壳体上引起的局部应力。按照吊耳外径的1.5～2倍设置垫板宽度，按照壳体壁厚的0.6～1倍[6]设置垫板厚度，也可采用公式计算垫板的宽度及厚度[7]。本文根据文献[7]中的公式，计算的垫板宽度和厚度分别为1 220 mm和98 mm。实际的垫板宽度为1 300 mm，符合垫板宽度为吊耳外径1.5～2倍的要求。考虑到垫板厚度的设置主要受局部应力影响，暂取与筒体壁厚同为60 mm，最终取值还有待根据后续局部应力校核具体情况进行必要调整。设计完成的吊耳结构见图4。

图4 吊耳结构图

图4中吊耳的壳体加厚段壁厚δTS=60 mm，垫板厚度δPK=60 mm，垫板直径dPOD=1 300 mm，吊耳长度LTL=450 mm，吊耳外径dTOD=700 mm，吊耳内径dTID=580 mm，吊耳壁厚δTK=60 mm，外盖板直径dROD=900 mm，外盖板厚度δRK=40 mm，吊索占据宽度LTT=180 mm。

3.3 强度计算

吊耳受力情况见图5。

图5 吊耳受力示意图

由于采用2个吊耳180°对称布置，因此每个吊耳实际受力为表1中吊耳载荷数值的一半，且在吊装过程中每个吊耳受力有效部分总是竖直向上。在受力计算时，将吊耳有效受力F分解为设备轴向的分力Fa(轴向力)和垂直轴线方向的分力Ft(切向力)。实际吊装过程中吊索方向与竖直方向有夹角，根据文献[1]规定，该夹角应不大于15°，本文计算时取夹角为15°。因此吊耳还受到一个法向分力Fn(吊索的力)。吊耳受力及几个分力按照下面公式计算。

F=F1/2

Fa=Fsinθ

Ft=Fcosθ

Fn=Ftan15°

吊耳强度计算一般按照文献[1]中的方法计算，也可参照文献[3]进行更为详细的计算[8]。本文参照文献[1]，吊耳强度计算主要包括根部的弯曲应力与拉应力组合应力、根部的切应力和耳轴所受的挤压应力。吊耳强度计算如下。

式中，FP为吊耳的计算受力，综合影响系数取1.65时FP=1.65(Fa2+Ft2)0.5，N；W为吊耳抗弯截面模量，不考虑内部筋板加强时W=π(dTOD4-dTID4)/(32dTOD)，mm3；A为吊耳截面积，不考虑内部筋板加强时A=π(dTOD2-dTID2)/4，mm2；σ为吊耳根部弯曲加拉伸组合应力，τ为吊耳根部切应力，σbs为耳轴挤压应力，MPa；Abs为耳轴挤压面积，Abs=dTODLTT，mm2。应用上述公式及相关参数，分别对吊装过程中θ为0°、30°、45°、60°、90°位置进行吊耳强度计算，计算结果见表2。

表2 不同吊装角度下吊耳强度计算结果

吊耳根部应力为弯曲应力和切应力组合，本文采用文献[9]中的两种方法即最大切应力和第三强度理论分别校核。

最大切应力方法校核公式为：

式中，[τ]L为材料的许用剪切应力，[σ]为材料的许用拉应力，MPa。

耳轴挤压应力按照小于许用挤压应力来校核，一般材料的许用挤压应力较大，保守可取材料许用应力，从表2的计算结果可以看出挤压应力很小，各种工况均可通过校核。

垫板与壳体之间的焊缝为焊脚高度K=60 mm的连续角焊缝结构，其应力计算与耳轴类似，角焊缝的抗弯截面模量W′和截面积A′根据文献[1]中的方法按照下面公式计算。由表2可知，90°位置时组合应力及切应力最大，因此只需校核90°位置垫板角焊缝即可。

A′=0.707πdPODK

式中，W′为垫板角焊缝抗弯截面模量， mm3；A′为垫板角焊缝截面积， mm2；K为垫板角焊缝焊脚高度，mm；σ′为垫板角焊缝弯曲加拉伸组合应力，τ′为垫板角焊缝切应力，MPa；φa为角焊缝焊接接头系数，取0.7。

从垫板角焊缝的强度计算可以看出，角焊缝的强度裕量比较大，这是因为垫板直径较大(通常取管轴直径的1.5～2倍，这也是通常不校核垫板角焊缝强度的原因)。从吊耳轴本身强度及垫板焊缝强度的校核可以看出，本文中吊耳结构设计满足各种位置的吊装要求。

吊耳尺寸设置完成之后校核筒体加厚段高度，加厚段高度满足要求时，才能在局部应力计算时将加厚段厚度作为整个筒体厚度进行计算。根据文献[1]中的要求有如下公式：

其中

Rm=D/2+TS/2

式中，HTS为筒体加厚段高度，Rm为加厚段平均半径,mm。带入相关反应器结构数据和吊耳数据计算，得HTS=3 000 mm>1 300+2×2.5×[(1 800+30) ×60]0.5=2 956.8(mm)。

4 吊耳局部应力计算

设计吊耳时，还应考虑吊耳对设备本体的影响，即要进行吊耳局部应力的计算。该类型的局部应力一般采用WRC107公报[10]计算。本文中的局部应力采用工程软件SW6进行计算。计算数据输入及计算结果见表3。

表3 吊耳局部应力计算结果

根据文献[11]，吊耳根部及垫板边缘局部应力应满足Sm≤1.5[σ]且Smax≤3[σ]。

5 吊耳制造与检验要求

吊耳的管轴壁与壳体及垫板厚度相同，因此采用钢板卷制成圆筒。根据文献[1]的要求，圆筒的对接焊缝应当进行100%射线检测[12]，并且按照相应的检测合格标准进行评判。管轴内部的筋板、管轴外部的加强筋板及外盖板与管轴筒体等均采用角焊缝连续焊接。

吊耳管轴与筒体的焊接采用开坡口的角焊缝焊接，此处为吊耳的主要承载部分，且强度计算时所用公式均基于该处强度与圆筒本体强度相同。垫板与壳体的焊接采用连续角焊缝结构，其强度计算也是基于连续角焊。

吊耳的检测一般采用磁粉检测[13]检验角焊缝，但此处采用304L不锈钢，需要采用渗透检测[14]来检验角焊缝。另外，对管轴与壳体的坡口角焊缝采用超声检测进行检验[15]，并符合相关检测合格标准。

6 结语

对1台重型反应器的非标管轴式吊耳进行了设计。计算结果表明吊耳结构设计合理，满足结构强度要求。在吊耳设计过程中，应根据设备处于不同吊装位置进行应力校核，计算整个过程中的强度，以保证设备安全性。