炼化装置大型设备管轴式吊耳的设计毕业设计.pdf

石油化工建设 2014. 03 近年来， 随着我国经济的高速发展， 社会对能源、 化工产品 的需求越来越大， 大型石油化工和煤化工项目相继投入建设， 设 备的吊装成为这些项目能否顺利建成的关键因素之一。这些项 目的建设均有一个共同点： 装置布局越来越紧凑， 关键设备的重 量、 体积明显增加， 设备较高基础安装， 使得大型吊装作业越来 越趋向于重量超大、 安装高度高、 作业半径大的发展方向， 吊装 工程也越来越重视规范、 高效、 安全管理。而作为吊装工作的一 个主要组成部分，吊耳的设计是保证吊装作业成功的一个重要 环节。 1 概述 吊耳是设置在设备上用于提升或牵引设备的一种吊点结 构。 常用的吊耳有板孔式吊耳 （包括顶部板孔式吊耳和侧壁板孔 式吊耳 ） 、 板钩式吊耳、 轴式吊耳 （包括管轴式和实心轴式） 、 提升 盖式吊耳、 吊环等。 吊耳的结构形式一般根据设备的特点和所选 吊装工艺来确定。 由于管轴式吊耳具有便于制造安装、 承载负荷大、 拴挂机索 具方便 （特别是设备就位后高空吊机摘钩容易） 等特点， 大型立 式设备的主吊耳多采用该种形式的吊耳，如百万吨级的煤炭间 接液化项目油品合成装置中的 2000t 重的费托反应器即是采用 管轴式吊耳作为主吊耳；当采用提升盖吊耳与设备顶部接管法 兰连接吊装，设备顶部接管在吊装时会发生塑性变形或内衬易 破坏的一些设备（如 26 万 t/ a 丙烯晴装置的丙烯晴反应器等） 也采用管轴式吊耳作为主吊耳。 2 国内、 外管轴式吊耳比较 注： 1 吊耳管； 2 挡板； 3 加强圈； 4 加强筋； 5 、 9 边横筋； 6 立筋； 7 、 1 1 中横筋； 8 边中横筋； 1 0 边立筋； 1 2 中立筋 图 1 国内常用管轴式吊耳形式 国内炼化装置设备吊装传统的管轴式吊耳结构设计一般参 考 大型设备吊装工程施工工艺标准 sh/ t 3515- 2003 和 化 工设备吊耳及工程技术要求 hg/ t21574- 2008 中的有关吊耳 结构形式如图 1 所示。 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， 通过加大管径和管轴壁厚或管轴外设置立筋板 来满足吊耳强度条件； 管轴一般直接安装在设备本体加强圈上， 由于筒体吊耳处的焊缝集中应力小、 且容易焊接， 显然优于国内 炼化装置大型设备管轴式吊耳的设计 岳敏 中石化第五建设有限公司广东广州510145 摘要通过实例叙述了如何设计出既符合工程需要， 又合理、 可靠、 经济的吊耳， 以确保吊装作业安全、 有效的进行。 关键词管轴式吊耳比较分析设计原则 中图分类号 te682文献标识码 b文章编号 1672- 9323 （2014 ） 03- 0054- 05 吊装专栏 he a v e y l i f t i n g 54 石油化工建设 2014. 03 吊耳系列采用小口径薄壁管轴而在内腔加复杂筋板的方式。早 在上世纪 90 年代国内几套大化肥装置施工时， 许多国外进口立 式设备管轴式吊耳作为附件随设备一起拖运到施工现场进行焊 接安装。吊重百吨级的管轴式吊耳仅为直径大于 500mm、 壁厚 约 20mm 的普通碳钢管， 与设备本体加强圈直接焊接， 且出于对 电焊工身体健康的考虑，要求吊耳管与加强圈对接管子内角焊 缝不允许施焊如图 2 所示。 注： 1 内挡板； 2 管轴； 3 外档板 4 加强环； 5 加强板； 6 肋板 图 2 国外常用管轴式吊耳形式 经比较两种吊耳形式， 从管轴长度看， 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； 而国内吊耳系列由 于过去吊装绳扣材料性能和制作工艺与发达国家之间存在的巨 大差距， 只能采用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， 前者显然更合理, 因为管轴受力后， 弯 曲应力约占吊耳强度的 2/ 3。近年来随着国内制造装备业的快 速发展， 吊装技术有了长足的进步， 国内已完全能够生产单根承 载力大于 500t、 绳径大于 200mm 的标准绳扣， 目前国内吊耳的 设计有更多的选择条件， 可通过参照两种吊耳的结构模式， 设计 出适合吊装作业环境的最优化吊耳。如图 3 所示为已使用的 1000t 级管轴式吊耳 （既是大管径、 较短轴， 又对管轴内外加筋， 以保证吊耳强度 ） 。 3 管轴式吊耳的设计原则 在对一个项目的大型设备吊装进行前期策划时，一般情况 下吊装单位根据吊装作业环境， 设计出不同形式的设备吊耳， 并 经设计单位审核后交给制造厂连同设备本体一起进行制作安装 检验。 由于采用的设计标准不一样、 及各家机索具配备不一致等 多种条件限制， 设计出的吊耳不尽相同。经分析研究比较， 管轴 式吊耳的设计建议依照以下几个方面的原则： 3. 1 吊耳强度经校核必须在其材料许用强度的范围之内 即吊耳在完全承载的情况下， 绝不会发生塑性变形。 在吊耳 强度计算时， 吊耳的受力不均衡系数 1. 5 （一般采用） 、 材料的许 用应力安全倍数 1. 6 应严格计取。 在有些管轴式吊耳计算时， 不均衡系数采用 2。由于现在设 备重量计算的准确性， 设计重量和实际重量偏差较小， 且一般设 备比较规则， 所以不均衡系数取 1. 5 足够。 3. 2 吊耳强度最好达到吊耳材质许用应力的 80%85% 吊耳强度的计算应该是对吊耳组合件的整体强度校核， 且 强度值最好达到吊耳材质许用应力的 80%85%。由于考虑吊 装属于高危作业， 设计出的吊耳往往偏于保守， 实际吊装能力远 大于设定的级别， 这样极易造成材料浪费， 且不美观。在施工现 场经常出现小设备大吊耳的现象。 特别是一些设备的吊装， 吊机 的负载率已接近满负荷，任何重量的增加都可能影响到最后的 吊装实施。 3. 3 吊耳管及加强筋板材质宜选用强度较高的低合金钢 对于较大吨位的设备吊装，吊耳管及加强筋板材质宜选用 强度较高的低合金钢， 如 q345。 这样既提高了吊耳强度， 又可保 证吊耳的可焊接性。若是不锈钢、 低温钢、 合金钢设备或其它有 特殊条件限制的设备， 碳钢吊耳不得与上述设备本体直接焊接。 3. 4 吊耳设计应经济合理、 安全可靠、 美观大方 根据设备状况和现场作业环境，设计出经济合理、安全可 靠、 美观大方的管轴式吊耳， 把吊耳看做就像设备的管口和人孔 一样去设计， 布置合理， 外观与设备整体协调一致， 且考虑设备 运输时不超高、 不超宽。 较大承载的吊耳管宜选用中厚管，管径要合适。若管径太 小， 拴挂的吊装绳扣折弯角度太大， 绳扣承载力的折减就大(如 管轴直径 600， 吊装钢丝绳径 120， 绳扣折减强度 23%， 一般 根据现场经验， 2 股绳按 1. 5 倍考虑） ，且绳扣受力后容易形成 死弯； 若管径太大， 对于小直径的设备不好布置， 且设备的外观 感觉不协调。对于较薄壁设备宜选用较大管径的吊耳。 管轴的长度依据所选用何种规格的吊装钢丝绳（目前国内 较常使用无接头绳圈、 插编绳扣和压制绳扣,） 、 直径和股数及拴 挂方式， 以绳扣刚好均匀排开为最佳, 钢丝绳强度越高， 绳径就 越小， 管轴就越短。 管轴内若需要加强筋板时， 筋板不宜太密， 若太密， 筋板与 设备本体、 管轴间的焊接不能保证其质量， 且局部焊接应力易集 中。筋板间的距离建议保证在 200mm 及以上, 建议对于单只吊 耳承载 300t 及以上， 采用管轴内井字筋板的结构形式。 3. 5 管轴式吊耳加强圈的确定 图 3 吊耳实物照片 吊装专栏 he a v e y l i f t i n g 55 石油化工建设 2014. 03 管轴式吊耳加强圈应按照美国焊接学会第 107 和第 297 公 报计算方法或更加准确的数值分析有限元法计算后来确定。加 强圈是对吊耳处筒壁的局部补强。 按照通常做法， 加强圈的厚度 是设备本体壁厚的 2/ 3 或一样， 材质与设备母材相同； 但是对于 较厚的设备， 如壁厚大于 80， 加强圈的厚度不低于设备壁厚的 一半， 当然还是要经过计算后确定。 加强圈有圆形和方形两种常见的形式。圆形加强圈由于在 受力后， 各个方向力的分布均匀一致， 一般更多选用， 其外径通 常按照管轴直径的 1. 52 倍， 对于较薄壁设备和吊耳管径相对 筒体直径较小的设备， 应选用 2 倍或更大。 对于合金钢等一些特殊材质的设备，碳钢管轴不能与设备 本体直接焊接， 只能与设备本体的加强圈焊接时， 加强圈的材质 最好与设备母材一致或相近， 吊耳结构形式如图 4 所示。 对于筒 壁较薄， 吊点处筒体局部强度较低的设备也可采用此吊耳形式。 注： 1 设备壳体； 2 补强板 （圈 ） ； 3 管轴； 4 外挡圈； 5 内筋板； 6 内挡圈； 7 外筋板； 8 内加强环板； 9 套筒 图 4 合金钢设备的吊耳形式 3. 6 管轴式吊耳的制作和安装必须严格按程序进行 管轴式吊耳的制作和安装必须严格按程序进行，先管轴内 筋板组合件与设备筒体焊接， 后管轴与内筋板、 筒体焊接， 第三 步加强圈与管轴、 筒体焊接， 最后焊接管轴外立筋板、 绳扣外挡 圈。每一件部件的加工、 焊接必须认真仔细， 焊缝高度和工差配 合严格按照图纸和规范要求，一定要避免吊耳施焊完毕后存在 焊接应力， 吊耳的质量必须百分之百满足图纸和规范要求。 3. 7 减小吊装绳扣与吊耳管轴间摩擦的方法 对于承载力极大的管轴式吊耳，通过在吊耳管轴外涂抹润 滑油或在吊耳管轴外加一个内衬四氟乙烯滑动块的套筒，可减 小吊装绳扣与吊耳管轴间的摩擦， 可极大地改善吊装作业条件。 4 实例 已知一圆柱形塔设备，其内径为 6000mm，总长度为 75000mm,筒体壁厚 48mm,本体及附件质量为 600t，材质 q345。主吊耳设置为靠塔体上端沿圆周对称均布的两管轴式吊 耳。设备采用单主吊机提升递送法吊装， 吊装机索具布置如图 5 所示。 主吊耳受力最大为在设备直立时， 吊耳的强度分析以设备 直立时为主。 图 5 一般索具拴挂形式 4. 1 吊耳的设计 采用目前国内较常用的管轴式吊耳纲丝绳拴挂形式如图 6 所示： 图 6 常用钢丝绳拴挂形式 由拴挂形式可看出每个吊耳选用单根绳扣四股合用。根据 国内吊装钢丝绳制作标准中绳扣的额定载荷，压制钢丝绳扣 （861+fc- 1670 ） 绳径宜选用 116120。116 单根额定 载荷 101. 5t， 折减系数 0. 75， 绳扣与吊耳轴向出绳偏角不大于 吊装专栏 he a v e y l i f t i n g 56 石油化工建设 2014. 03 （下转 61 页 ） 5, 则： 绳扣工作载荷为 101. 5t40. 75cos5=303t300t, 吊耳管轴容绳净距为 1202+60=300mm, （绳扣之间和与挡板间的间隙余量一般在 50100mm 范 围， 根据绳径大小， 在此范围选取， 在这按 60mm 考虑 ） 经比较分析各种设计条件后， 设计出的 300t 吊耳如图 7 所 示。 注： 1 设备壳体； 2 补强板 （圈 ） ； 3 管轴； 4 外挡圈； 5 内筋板； 6 内挡圈； 7 外筋板； 图 7 300t 吊耳设计图 4. 2 设计校核 （1 ） 每个吊耳的设计载荷 qd的计算， 如式 （1 ） 。 qd=kd mt!g（式 1 ） 式中： qd每个吊耳的设计载荷(n)； kd设计系数， 取 kd1. 5； mt设备吊装时总重量 （kg） ； g重力加速度， g=9. 8m/ s2。 经计算， qd为 4. 41106n。 （2 ） 内筋板高度 h 的计算， 如式 （2 ） 。 h=（d3- 2s3） 2- t2 姨 !（式 2 ） 经计算， h 为 514. 5mm。 （3 ） 吊耳横截面积 a 的计算， 如式 （3 ） 。 a=s3（d3- s3） - 4s2+4s!h（式 3 ） 经计算， a 为 7. 146104mm2。 （4 ） 吊耳惯性矩 j 的计算， 如式 （4 ） j= 64（d 43- d4i） +1 6 sh3+ 1 6 hs3+ 1 2 t2hs- t2s2- 1 3 s4 !（式 4 ） 式中： di吊耳管轴的内径(mm) 经计算， j 为 2. 2582109mm4。 （5 ） 吊耳横截面的抗弯截面模量 w 的计算， 如式 （5 ） w=2j/ d2!（式 5 ） 经计算， w 为 7. 527106mm3。 （6 ） 吊耳的径向弯矩 m 的计算， 如式 （6 ） m=fvl! 0 （式 6 ） 式中： fv作用在管轴上的外力沿垂直于管轴方向的分力(n), 4. 41106n； l0受力中心点至补强板表面的距离, 210mm。 经计算， m 为 9. 261108n mm。 (7) 吊耳的最大弯曲应力的计算， 如式 （7 ） m=m/!w（式 7 ） 经计算， m为 123. 0mpa (8) 吊耳的拉 （压 ） 应力的计算， 如式 （8 ） fh= fh a !（式 8 ） 式中： fh=fvtg(5)=3. 858105n 经计算， fh为 5. 4mpa (9) 吊耳的组合应力 应满足以下强度条件: =m+ fh !（式 9 ） 式中： 吊耳材料的许用应力,q345 材料许用应力为 215. 6 mpa。 经计算， 满足条件。 （10 ） 吊耳的剪切应力 应满足以下强度条件： = fh a ! （式 10 ） 式中： 为 q345 材料许用剪切应力， 172. 1mpa 经计算， 满足条件。 （11 ） 根据第三强度理论吊耳根部应力计算： 强=42+2 姨 =461. 72+128. 42 姨 =178. 1mpa 强 = 178. 1 215. 6 =82. 6% （12 ） 主吊耳加强板外圈焊接处壳体上局部应力的计算 在设备抬头时，假设作用在主吊耳上的提升载荷是设备质 量的 2/ 3, 则吊耳根部的弯矩为： m=200t210mm1. 1=452760n. m(式中 1. 1 为不均衡系 数 ） ； 采用 wrc 第 107 公报计算方法, 壳体局部最大应力发生 在主吊耳上部周向， 应力值为 178mpa, 小于 表 1 300t 吊耳设计参数 项目s0s1s2d2dld3s3d2 设计参数(mm)48322050090036060024760 项目d1d0d4s4absts5 设计参数(mm)12004876010601301420020 吊装专栏 he a v e y l i f t i n g 57 石油化工建设 2014. 03 母材许用应力=190mpa； 在设备直立时，作用在主吊耳的提升载荷是设备的全部质 量， 则吊耳根部的弯矩为： m=300t210mm1. 1=679140n. m； 壳体局部最大应力发生在主吊耳上部经向，应力值为 133mpa。 通过以上分析计算，吊耳及筒体局部强度能够满足设备吊 装要求。 若采用数值分析有限元法计算吊耳和筒体局部强度， 结 果应更准确可靠。 索具的选择和拴挂方式是影响吊耳设计的一个非常重要的 因素， 其它几种吊耳索具的拴挂形式， 如图 8 所示。 5 结论 吊耳设计是设备吊装工作的一个重要组成部分，也是体现 吊装管理科学化、 先进化的一个主要内容， 只有通过不断地对吊 装工程的各个方面进行分析比较、 探讨研究、 改进完善， 才能设 计出既符合工程需要、 又合理、 可靠、 经济的吊耳， 才能确保吊装 作业安全、 有效的进行。 参考文献 1 大型设备吊装工程施工工艺标准 sh/ t 3515- 2003 2 化工设备吊耳及工程技术要求 hg/ t21574- 2008 3 美国焊接研究学会 （wrc） bijlaard 等 197、 207 公报 4 大型设备吊装工程实用手册 中国建筑业出版社、 2012 （收稿日期： 2014- 03- 03 ） 图 8 其它吊耳索具拴挂形式 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !