汽提塔在吊装过程中的应力分析

高 龙 张秋翔 李双喜 蔡纪宁

(北京化工大学机电工程学院)

石油石化装备大型化能有效提高生产效率，但加大了施工过程中的风险，由于设备高径比很大，若采取分段吊装不但增加了工作量，而且分段吊装时组对焊接质量、施工人员安全均存在较大隐患，因此对于此类设备尽量采取整体吊装，即在地面将各种附件焊接完成后进行吊装，在整体吊装前需要校核强度[1～4]。由于汽提塔设备超高、超长、超重，为避免高空作业过多，施工量过大，在现场条件允许、保证正常吊装的情况下将塔体上的扶梯、平台、栏杆、附塔管线以及照明等进行提前预制安装，笔者采用有限元的方法，将塔附件质量均匀分配在塔体上，进行强度校核，提出该塔的吊装方案。

1 起吊工艺及汽提塔基本参数

汽提塔顶部带有一个人孔，考虑在该人孔的对称位置安装一轴式吊耳，通过轴式吊耳与人孔的配合进行整体吊装，为了方便，在底部直接采用钢丝绳进行捆绑式吊装[5]。施工过程中尽量使补强圈与筒体的接触面积加大，在开孔及轴式吊耳补强圈处开设塞焊孔，将塞焊孔内部堆满焊料[6]。整体吊装是通过前后两个吊车配合使用完成的。要求在主吊站位及辅吊行走路面作地基处理，以满足各吊车的地基承载力。

汽提塔基本参数：公称直径4 600mm/2 800mm，筒体厚度16mm，裙座壁厚20mm，筒体材料为Q345R,塔高68 814mm，重265t，吊耳管轴材料为Q235,管轴壁厚20mm。汽提塔及吊耳塞焊孔尺寸如图1所示。

图1 汽提塔及吊耳塞焊孔尺寸图

2 有限元模型建立及网格的划分

采用专业网格划分软件Hypermesh对汽提塔进行有限元网格划分，需要注意的是补强圈与筒体连接处、塔体变径处、塞焊孔处和塔体钢丝绳吊装位置网格应尽量细化，并且全部采用C3D8I单元类型，共234 885个单元，391 993个节点，节点全部一一对应，为了保证计算的准确性，在关键位置网格划分时单元尺寸与实际尺寸误差尽量小。

2.1水平状态下的应力计算结果

2.1.1塔体中部挠度

水平状态下塔体中部挠度如图2所示，可以看出塔体中部的挠度最大(小于61mm)。

图2 水平起吊塔体挠度分布云图

2.1.2塔身

水平状态下变径处应力云图如图3所示，整个变径处最大应力值为192MPa，大于材料许用应力值180MPa，因此需要对变径处进行加强，如设置加强筋和在变径处设置加强圈。

图3 水平起吊塔身应力分布云图

2.1.3其他部位

通过图4a看出，顶部轴式吊耳最大应力均出现在吊耳与钢丝绳接触的地方，超过了材料许用应力，而与顶部吊耳相连的封头应力小于材料许用应力，这说明水平起吊时需要对吊耳管轴加强，可考虑加大壁厚，多加支撑等方式，但整个塔体能够满足强度要求。图4b表明底端在水平起吊时是安全的，最大应力出现钢丝绳与底端相连接区域，且应力值小于材料的许用应力，说明底端安全。图4c表明在计算质量为265t时，在水平起吊时最大应力出现在顶部吊耳补强圈焊缝与筒体相连接区域，最大应力小于材料的许用应力，满足强度要求，但计算模型是在全焊透的情况下计算得到的，因此建议进行全焊透，并保证焊接质量。

图4 其他部位应力云图

2.2垂直状态下的应力计算结果

2.2.1塔体顶部吊耳及相邻部位

由图5a得到的计算结果表明，垂直起吊时，最大应力出现在顶部吊耳与钢丝绳连接的位置，顶部吊耳根部应力小于材料许用应力，在整个起吊过程中吊耳根部满足强度要求。图5b表明垂直起吊时顶部吊耳、补强圈与筒体之间焊缝最大应力小于材料许用应力，满足吊装要求。图5c表明顶部吊耳与钢丝绳接触的位置最大应力超过了材料许用应力，必须对吊耳筒体进行加强。

图5 吊耳及相邻部位应力云图

2.2.2塔身、楔钉和塔体下垂量

由图6可以看出，垂直起吊时塔身最大应力小于材料许用应力，垂直起吊塔体安全。图7表明，垂直起吊时楔钉最大应力出现在楔钉与筒体相连区域，最大应力小于材料的许用应力，满足强度要求，计算时并未考虑焊接质量带来的影响，因此仍需要在施工过程中保证楔钉的焊接质量。塔体起吊时下垂量分布云图如图8所示，在垂直起吊时整个塔身有小于10mm的下垂量，表明此时塔体安全。

图6 封头及部分筒体应力分布云图

图7 楔钉应力分布云图

图8 塔体下垂量分布云图

3 结论

3.1该施工方案中变径处应力过大，需对变径处进行加强，可以考虑设置加强筋、加设补强圈等方法。

3.2计算过程中将焊缝简化为全焊透，这会造成计算结果比实际吊装过程产生应力略小，因此建议采取全焊透。

3.3钢丝绳与吊耳管轴接触位置应力大于材料许用应力，需对顶部吊耳与底部吊耳进行加固处理，如加大吊耳管轴的壁厚以及设置加强筋等。

3.4在计算过程中未考虑吊耳内部加强筋和筒体加强圈的作用。

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