管轴式吊耳使用过程中的改造校核

冯子云 郑志勇 王景涛

陕西化建工程有限责任公司 陕西 杨凌 712100

对于石油化工行业的大中型立式设备，设计院的设备制造蓝图中会设置主吊耳。以某乙二醇项目的净化装置变换气洗涤塔的主吊耳为例，若设计方在设置吊耳的方位时考虑不周，往往会出现钢丝绳与上方接管、人孔发生的干涉情况。针对该设备的具体情况，陕西化建工程有限责任公司吊装技术人员在排除了重新焊接吊耳、取掉人孔/ 接管、使用钢丝绳捆绑兜挂等不经济、安全隐患大的几个方案后，选择改造主吊耳的办法，安全顺利地完成了该设备的吊装作业。采用经典力学方法核算、Solidwork 软件建模后进行有限元分析和优化设计，可以使吊耳更加安全、经济。以下就选用的吊耳形式、计算方法及分析方法进行探讨，以期作为后续类似情况的参考。

1 工程概况

某厂净化装置变换气洗涤塔分三段吊装，原设备主吊耳与N4 接管相对位置如图1 所示。原主吊耳布置在塔器中段，中段吊重236t，直径3800mm，长度为30800mm，选用φ120mm×30000mm 钢丝绳做为主吊索具。主吊耳上方分布有人孔及接管管口，其中主吊耳与N4 接管相对距离只有35mm，在设备吊装至与水平夹角57°时钢丝绳与接管N4 就会发生干涉。

图1 原设备主吊耳与N4 接管相对位置图示

2 吊耳改造设计

经技术人员实际测量，可以将原吊耳的挡圈外移80mm，挡圈与垫板间距可以由300mm 增大至380mm，原主吊耳与接管N4 相对间距可以扩大至115mm，使用有效长度5000mm 的平衡梁支撑后，可以达到钢丝绳顺利通过目的。挡圈改造后吊耳图如图2 所示。

图2 挡圈改造后吊耳图

对于主吊耳的改造，主要办法是使用气焊去除原一侧吊耳的挡圈，并使用碳弧气刨清理焊接痕迹，再使用工具打磨吊耳管至光滑，重新制作挡圈焊接于吊耳管外侧。并在吊耳根部加筋板，提高吊耳强度。挡圈改造后吊耳图如图3 所示。吊耳改造后钢丝绳倾斜角度如图4 所示。

图3 挡圈改造后的吊耳

图4 吊耳改造后钢丝绳倾斜角度

在设备吊装过程中的不同状态，吊耳管轴受力不尽相同，以下就吊耳管轴在设备竖直后的受力进行计算和有限元分析。

3 吊耳改造后力学核算

3.1 材料基本参数

变换气洗涤塔主吊耳设计吊重为400t/ 个，吊耳管采用Q345 的材质，钢材厚度δ=30mm＜40mm，抗拉抗压和抗弯强度设计值为σs=295MPa，取安全系数n=1.34。

3.2 管轴式主吊耳受力

轴式吊耳受力简图如图5 所示。

图5 轴式吊耳受力简图

变换气洗涤塔单个主吊耳设计吊重：

横向作用力：

3.3 吊耳强度校核

（1）横向应力

（2）剪应力

（3）弯曲应力

（4）组合应力

3.4 吊耳管轴与挡圈连接角焊缝强度校核

3.5 垫板与设备本体连接角焊缝强度校核

（1）剪应力

（2）横向载荷引起的拉应力

（3）弯曲应力

（4）组合应力

经计算，满足400t/ 只吊耳的使用要求。

4 有限元分析

传统计算所应用的强度理论分析结果只是针对吊耳管轴的受力情况，并不能够体现整个吊耳加固后的受力情况，这对于控制危险截面、应力集中部位处理等都不利。为此，应用Solidwork 软件对上述设计以模型建立、网格划分、施加约束、加载载荷等方式进行有限元分析。

4.1 建模及网格化

改造后的管轴式主吊耳按照二维CAD 图纸进行3D建模，并进行实体网格化处理，单元大小71.85mm，节总数16926 个，单元总数8504 个，如图6 所示。

图6 网格化的管轴式主吊耳

4.2 计算机有限元分析

对管轴式主吊耳垫板及吊耳管轴施加约束，将吊耳受力面移至靠近挡圈120mm 处，加载4×106N 的力，如图7 所示。

图7 吊耳受力面设定图示

图8 为应力分析云图，图9 为安全系数图示。根据计算机有限元分析给出的静应力分析报告，最小应力发生在623 节，数值为0.14MPa；最大应力发生在3405 节，数值为142MPa＜[σ]=220.15MPa。因此，改造后的吊耳安全可用，安全系数ηmin=2.1。

图8 应力分析云图

图9 安全系数图示

5 结论

《化工设备吊耳设计选用规范》（HG/ T21574—2018）并不能涵盖设备吊装中遇到的所有情形，所以需要吊装工程的技术负责人根据实际情况进行针对性的设计、改造。需要注意的是：第一要根据设备本身的特点，提出安全可行的设计方案；第二要参照多种计算方法，尤其是有限元分析的应用，最终确定最优方案，保证吊装工作的安全性和经济性；第三，在吊耳主体完成设计核算后，根据有限元分析结果，在消减集中应力方面要有相关措施，保证安全高效地完成设备吊装工作。