关于大型设备吊装工程中设计分工的探讨

孙洪峰

(南京海陆化工科技有限公司，南京 200015)

近年来，随着现代社会对化学品需求的增长以及工程建设能力的飞速进步，石化、炼化装置设备朝着大型化发展，石油化工装置中大型反应器、高塔的吨位和高度与过去相比已不可同日而语【1】。以往1 000 t以上的反应器和80 m以上的高塔非常少见，而今吨位2 000 t以上的反应器和高度100 m以上的塔器在芳烃、乙烯及煤化工装置里已屡见不鲜。以往设备的吊耳由设计院通盘考虑，随设备一同出图。伴随着设备大型化带来的吊装技术和大型吊装机械的发展变化,以及项目管理模式、专业分工和设计工程师自身工程经验等方面的限制，对吊耳结构与设置上的考虑受到设备设计思维影响较多，对吊装工程机械与吊装工艺的考虑尚不全面。尽管吊耳自身的设计制造费用占整个设备设计制造费用的比例是很小的，但吊耳设计不合理，会影响到吊装工程的进度、质量、安全和成本等诸多方面，因此要引起重视，全面考虑。

1 吊装总质量的确定

由于整体吊装效率高，吊装工艺技术简单，能最大限度地缩短吊装工期，减少高空作业，保证人员作业的安全，保证设备组对、焊接及焊后热处理的质量，并且设备上的附件(包括附塔管线、电气仪表、防腐保温、防火结构以及梯子平台、埋板等)安装可随设备一起起吊。在工程建设过程中，业主也希望“穿衣戴帽，塔起灯亮”，树立形象，因此，大型设备一般来说都尽可能采用整体吊装。当塔器采用整体吊装时，确定塔器吊装时的实际总质量至关重要，它是决定吊耳型式与结构尺寸的重要因素。塔器吊装时的实际总质量应考虑以下因素【2】:

1) 设备自身质量，包括筒体、锥段、封头、法兰、接管、人孔及裙座等；

2) 随塔安装的塔盘、填料及其支撑梁、支撑环、分布器、再分布器、喷头等内件质量；

3) 保温(保冷)、防腐、防火层及其支撑圈质量；

4) 梯子平台、栏杆、扶手等劳动保护设施质量；

5) 附塔管线、埋板、管架、托架等依附于设备的构件质量。

以上质量中，塔盘、填料及其支撑梁、支撑环、分布器、再分布器、喷头等内件往往由专业塔内件制造商供货；梯子平台、栏杆、扶手等劳动保护设施，附塔管线、管架、托架等依附于设备的构件需要预制并在现场进行钢结构组装；保温(保冷)、防腐、防火层一般进行专业分包，由专业施工队伍完成。一方面，设计工程师将以上种种因素考虑到吊装质量中，齐全且准确是比较困难的。因为大型设备除设备自身质量外，其余因素占吊装总质量的比例很大，设计工程师为了保证吊装的安全进行，只能将吊装总质量的裕量放得很大，再叠加上吊装所需的较大的安全系数，易引起壳体厚度随之增加。另一方面，由于大型设备(特别是反应器、塔器)的制造周期较长，需要提前订货，设备的施工图设计往往在项目前期就已经完成，而此时设计工程师尚无法掌握塔内件到货计划、现场钢结构预制情况、专业施工队伍进场计划等相关资料，甚至在设计阶段业主也无法确认哪些内件在设备吊装前安装，吊装前是否安装劳动保护设施，以及附塔管线、保温(保冷)、防腐、防火层等结构是否随设备一起吊装。因此，在设计阶段，即便设计工程师能够准确计算出以上各项质量数值，除EPC总承包项目外，若项目采用平行发包模式，要想准确确定吊装总质量也是十分困难的。

2 管轴式吊耳的结构设计

在石化、炼化工程建设中，管轴式吊耳是立式设备吊装中最常见的吊耳型式。现以管轴式吊耳为例进行探讨。目前，国内的设备管轴式吊耳一般按HG/T 21574—2018《化工设备吊耳设计选用规范》选取，采用小口径薄壁管轴并在内腔加复杂筋板的方式(结构形式如图1所示)。而国际上通常采用的管轴式吊耳，管轴内不设筋板，或为中空式，或设加强环，通过加大管子的直径和厚度来满足强度要求(结构形式如图2所示)。这种吊耳由于筒体吊耳处的焊接应力小，且容易焊接，明显优于国内吊耳标准系列。从管轴长度来看，国际上通常以大绳径少股数吊索为前提条件，将管轴设计得较短，而国内吊耳标准则以小绳径多股数吊索为前提条件，不得不将管轴设计得较长。从理论上讲，前者明显更为合理，因为管轴受力后，弯曲应力约占吊耳强度的2/3【3】。从吊装实践来看，福建炼油乙烯项目吊装单位承担该项目的大型设备吊装任务时，根据实际情况进行了优化，即在设备吊耳设计时摒弃吊耳标准的弊端，超出国内标准中列出的标准管轴式吊耳的模式和类别，借鉴国际上管轴式吊耳设计的先进理念，加大钢丝绳绳径以减少股数，从而缩短了管轴长度，使吊耳的结构形式更为合理。在吊装方案审查时，作为吊装方案中的一个亮点得到了中国石化集团吊装组专家的肯定【4】。

3 吊耳位置的确定

吊耳位置的确定取决于设备的吊装条件。设计工程师在确定吊耳周向方位时，仅能事先了解设备的管口、梯子平台外伸梁等的布置情况，清楚其周向方位布置，从而充分考虑其对设备吊装的影响，避免轴式吊耳正上方及附近方位有影响吊装的管口或梯子平台外伸梁的存在。但是吊耳轴向位置的确定，还需要综合考虑吊装现场场地情况、吊装单位可投入的吊车情况、台班费用、吊装单位现有的机索具以及设备制造排板等情况。

图1 国内的管轴式吊耳形式

图2 国际通用的管轴式吊耳形式

从理论上说，对于整体吊装的立式设备，主吊耳的位置只要在设备的重心以上即可满足吊装要求。但对于高度较大的立式设备，由于吊耳可选择的轴向位置范围较大，常常存在把握不准的情况。从受力的角度分析，吊耳位置若位于设备重心以上并靠近重心附近,其优点是可以减小设备吊装时的溜尾力，以便选用较小级别的溜尾吊车，节约吊车出场费和台班费。同时，对于细高形薄壁设备，吊耳设置在设备重心附近，还可降低吊装时的弯曲应力，防止设备变形。但吊耳设置在设备重心附近、远离顶部存在以下弊端【5】：

1) 需要有较宽阔的吊装场地。设备正面起吊时，其顶部会顶到吊车臂杆；若侧面起吊，则平衡梁正对吊车臂杆，需要有较大的作业半径，才能避免平衡梁与吊车臂杆相碰。如果吊装现场空间狭小，受到管廊、钢结构及周边设备的制约，则会增大设备吊装的难度。

2) 不利于吊装过程控制。设备吊装达到脱排临界角时，因设备自身的惯性，溜尾吊车难以控制设备的摆动，而设备的左右摇摆会对吊车臂杆产生侧向力，可能对吊车臂杆产生较大危害。

3) 如果设备重力产生的力矩不足以克服吊耳与钢丝绳之间摩擦力产生的力矩，设备脱排后无法直立。

4) 吊耳距离设备顶部较远，吊装单位的绳索、缆索未必能满足长度要求。

因此， 吊耳的轴向位置在满足设备自身强度的前提下， 最理想的选择是视吊装的具体情况决定。

4 标准规范对吊耳设计分工的规定

NB/T 47041—2014《塔式容器》并未明确设备吊耳的设计是由设计单位完成还是由吊装单位完成，仅在第6.9.2条规定：“塔式容器设置吊耳时，吊耳的结构、位置及数量应考虑吊装方式及塔式容器的质量，由设计单位和施工单位协同确定，且应考虑塔壳的局部应力。”由于《塔式容器》是塔器设计的基础性规范，因此目前国内一些设计院将塔器的吊耳设计纳入其工作范围。

GB 50798—2012《石油化工大型设备吊装工程规范》第5.1.2条规定：“设备吊耳应由施工单位提出技术条件，并应由设计单位确认。设备吊耳宜与设备制造同步完成。”

SY/T 6279—2016《大型设备吊装安全规程》第5.2.3及5.3.7.2条、SH/T 3515—2017《石油化工大型设备吊装工程施工技术规程》第5.1.4条皆明确规定吊耳设计由吊装单位完成。

另外，SH/T 3074—2018《石油化工钢制压力容器》第7.9.1规定：“大型设备吊耳的设计应按SH/T 3515由吊装单位负责完成。设计单位选用的或制造厂自带的吊装设施，应在吊装单位核算确认后，才能够在现场吊装时采用。”其条文说明中也对该条进行了补充说明：“按照SH/T 3515的规定，起重施工技术文件(包括吊耳的计算)应由吊装单位编制，并由吊装单位的总工批准。容器的设计单位不具备吊装资质和技术。对于特殊设备，吊装单位可以根据吊装方案，向容器的设计或制造单位提出安装吊耳(包括吊耳、尾耳、加强结构等)的要求(包括材料、结构、方位和技术要求)，由设计单位确认不会影响容器使用后，再完成吊耳的制作及安装。”

5 设备吊装一体化总承包模式对吊装设计分工的启示

2004年，中国石化茂名石化乙烯改扩建工程实行大型设备吊装一体化总承包，这种新型管理模式显示出其内在优势。由于全厂大型设备吊装工程实行统一总承包，总承包方可根据项目进度计划、现场场地情况及自身的吊装资源情况进行细致、全面的考虑，选择最优的吊耳设计方案。同时，大型设备吊装一体化管理，还可使吊装工程自始至终得到强有力的技术支持和保障。总承包商可以依托的成员来自业主、设计、施工、监理等单位的吊装专家组，可对大型设备吊装方案进行严格的专家级审核【6】。同时，大型设备吊装一体化总承包克服了先前吊耳的设计与使用分属不同单位造成的协调困难、职责不清这一缺陷。此后，在中石化海南石化、青岛炼化、福建石化等石化、炼化的大型项目上的应用，进一步体现了大型设备吊装一体化总承包模式的专业化优势。

6 结论

1) 吊装单位综合考虑大型塔器的吊装、吊耳的设计由吊装单位负责完成，更加适应现代石化、炼化工程设备大型化的特点。

2) 吊装属于危险性较大的分部分项工程。吊耳的设计由吊装单位负责完成，并不意味着设计单位对吊耳的设计撒手不管。总的来说，塔器的设计单位和吊装单位在工程管理目标上是一致的，都是要确保塔器吊装万无一失。因此，吊装单位完成吊耳设计后，经设计单位审核确认各种细节，再交给制造厂连同设备本体一起进行制造，并做好后续吊耳的验收工作，能够更加全面地确保吊耳满足吊装要求，安全可靠。