大型气化炉双机抬吊法吊装的风险控制

刘中培

中国化学工程第十一建设有限公司 河南开封 475002

随着我国经济的快速发展， 化工工程建设项目中设备大型化发展趋势越来越突出； 装置的大型设备工厂化制作和模块化安装是近几年设备安装的主流方向，设备吨位越来越大，吊装要求越来越高。

青海盐湖金属镁一体化项目100万t/a甲醇装置的气化炉是水煤浆加压气化过程的核心设备， 具有设备重量大（322.68t），就位高度高（35.5m），就位后高度达到53m，吊装作业半径大等特点， 气化炉吊装是近几年化工装置整体吊装设备的最为典型的代表之一。 与此同时，设备吊装的风险相当大。 为了解决气化炉整体顺利吊装，我们针对吊装的安全性，做了吊装风险评估，并采取了相关的吊装安全技术措施。

1 气化炉吊装工艺概述

整体大型立式设备一次吊装方法多种多样， 按照吊装机具的不同可以分为“ 吊车法”、“ 门式起重机法”、“ 桅杆法”；按照吊装原理可以分为“ 抬吊法”、“ 滑移法”、“ 扳转法”。 以上每种吊装方法因吊点的设置，吊装机具配置、绳索布置形式等因素又分为若干类型。随着我国大型吊装机具的现代化和大型化，同时对设备的吊装安全要求越来越高，扳转法等传统方法逐渐被淘汰。结合近几年来行业内的典型吊装案例， 目前经常使用的吊装方法如图1所示。

由于气化炉就位在气化框架35.5m的基础上，考虑到吊装场地的局限性和安装工期要求等因素， 决定采取双吊车抬吊的吊装工艺进行吊装作业。该抬吊法技术比较成熟，也是最为快捷和技术难度最低的吊装工艺， 同时也是吊装安全风险较小的方法之一。

图1 常用立式大型设备吊装方法汇总

2 大型设备吊装风险控制措施

2.1 大型设备吊装方案专家论证

青海盐湖金属镁一体化项目100万t/a甲醇装置一标段工程，三台大型设备气化炉吊装，是本项目重中之重。 为了保障设备吊装安全，明确吊装任务，控制吊装风险，确保吊装过程顺利进行，实现安全吊装，我项目部针对大型设备吊装方案进行科学、合理、可行性专家组论证会。 专家组针对大型设备吊装方案进行科学、合理、精细化论证，最终提出吊装方案内的不足之处，及吊装过程中（包括大型机具的组车细节）应注意的相关细节。经过大型设备吊装方案的专家论证，使气化炉大型设备吊装方案更具有科学性、合理性、可行性。

图2 专家论证会

2.2 大型设备重心计算及吊车受力模型分析

2.2.1 气化炉重量及重心计算

气化炉重量及重心的计算直接关系到吊装方案数据来源的可靠性，重心计算数据的准确性也是确保安全吊装的可靠性，因此大型设备气化炉重量及重心计算尤为重要。

气化炉整体重量G=∑M1+M2+…+Mn，即整体重量等于各部件重量之和。 基于力矩平衡原理，GL=∑m1l1+m2l2+…mnln，即： 气化炉整体重量与重心到设备底部距离等于各部件重量与各部件重心到设备底部距离积的和。

气化炉本体由壳体、各种人孔、法兰口、仪表接管、支座等相关部件构成，而气化炉的绝大多数重量集中于壳体部分。 因此，壳体重量和重心的计算直接关系到结果的准确性和可靠性。

为确保计算的准确性， 可以通过CAD三维制图建立1∶1气化炉壳体模型。首先建立气化炉的轴向剖面图，并形成整体面域图形； 之后利用三维建模工具通过轴旋转工具形成气化炉壳体实体模型；最后，利用工具菜单→查询→面域/质量特性的体积及重心坐标。 从而求得设备重量和重心位置。

图3 设备模型图

其他小型部件的重量及重心可以结合设备制造图和简单的几何知识一一进行估算。

形成数据库后， 利用EXCEL公式编辑工具， 结合公式：GL=∑m1l1+m2l2+…mnln， 最终批量计算得到气化炉较精确的重心位置。

2.2.2 吊车受力模型及计算

双机抬吊法吊装总体分五个阶段，包括：水平抬起阶段、设备竖向起吊立直阶段、直立阶段、直立起吊阶段、设备就位回钩阶段。其中前三个阶段是吊车受力发生明显变化的重要阶段。具体实例如图4所示。

气化炉吊装受力模型的建立是基于理论力学力平衡和力矩平衡原理，即：

图4 吊装实例

如图5所示，建立气化炉的受力分析图，当α=0°时，即第一阶段，当0°＜α＜90°时，即当第二阶段，当α=90°时，即第三阶段。

为了得出吊装过程中任意阶段的主吊点及溜尾吊点的受力以及吊点、溜尾吊点径向和轴向的分力，可以对受力图进一步细化，并结合相关几何和力学原理，通过EXCEL工具批量计算得到相应数据表（见表1）和曲线图（图6、图7）。 通过图表可以清楚地了解各个受力在任意阶段的准确值， 以及各个受力的发展趋势，为方案的制定和优化提供数据支持。

图5 气化炉吊装受力分析图

图6 气化炉主吊点受力分析曲线图

图7 气化炉溜尾吊点受力分析曲线图

2.3 大型设备吊装吊车选型

主吊吊车的选型，主要考虑以下几个因素：

（1） 设备重量及索具等附属重量；

表1 气化炉受力分析数据表

（2） 吊车规格及工作性能表；

（3） 设备就位高度；

（4） 装置内吊装环境及设备就位的空间位置关系；

（5） 设备就位周边框架、设备等具体外形尺寸；

（6） 设备吊装前排放位置规划；

（7） 主、辅吊车资源。

根据气化炉设备重量及大型设备吊装吊车选型条件，并考虑经济可行的吊车选择原则， 决定主吊车选择QUY800BR型800t履带吊；溜尾辅助吊车选择CKE2500－Ⅱ型250t履带吊。

工况选择：QUY800BR型800t履带吊选择主臂48m， 副臂30m，工作半径20m，超起半径20m，超起配重300t；CKE2500－Ⅱ型250t履带吊选择主臂21.3m，工作半径7m。

2.4 大型设备吊装地基处理及检验

根据设备重量、800t吊车自重、超起配重、沟通、索具、平衡梁、路基板等综合计算出吊装气化炉地基所承受重量，即：

G2=g1+g2+g3+g4+g5+g6+g7+g8+8*g9+g10+g11=147 3.88t

负荷状态时走道板对地压力：

P2=1.2×G2/(8×3×6)＝12.3t/m2。

对气化炉吊装地基进行地基处理， 并对处理后的地基进行地耐力检测。 最终经过地基处理后，检测地耐力达到36t/m2＞12.3t/m2，符合要求，满足气化炉安全吊装。 地基处理见图8。

图8 地基处理

2.5 大型设备吊装平衡梁选择

普通平衡梁可以分为两种，即：吊耳式平衡梁和支撑式平衡梁。 吊耳式平衡梁制作简单，但是平衡梁本体所受弯矩较大，不适合100t以上设备吊装使用； 支撑式平衡梁所受弯矩较小，但制作工艺较为复杂，适合重量较大的设备吊装。气化炉吊装选择支撑式平衡梁。 平衡梁选择图例见图9。

2.6 大型设备吊装索具选择

图9 平衡梁选择图例

800 t 主 吊 车 吊 装 主 绳 扣 选 用 2 根Φ86mm*52m，8*61+FC-1670压制绳索， 每根用2弯4股，共用8股，每股破断拉力为3350kN。 绳扣弯曲折减系数0.75，则绳扣的安全系数为：

安全系数K=3350*8*0.75/(2*F1*10)=6.20＞5安全(系挂用绳扣安全系数5倍)

250 t 溜 尾 吊 车 吊 装 主 绳 扣 选 用 2 根Φ52mm*20m，6*37+FC-1670压制绳索， 每根用2弯4股，共用8股，每股破断拉力为1330KN。 绳扣弯曲折减系数0.75，则绳扣的安全系数为：

安全系数K=1330*8*0.75/(134.1*10)=5.95＞5安全(系挂用绳扣安全系数5倍)

2.7 大型设备吊装人员、机、索具资质证明文件审查

按照青海盐湖金属镁一体化项目指挥部、 青海盐湖金属镁一体化项目100万t/a甲醇装置项目部、 广东国信工程监理有限公司、中国天辰工程有限公司要求，上报气化炉吊装所需的人员、主辅吊车、索具等相关合格证件、资质证件审批，审批完成后方可吊装使用。

2.8 大型设备吊装主吊耳选择

一般设备本体上需要焊接吊耳作为吊装机构的连接件。 吊耳需要承受设备的重量，要保证足够的强度和可靠度。 同时，由于应力扩散的因素，也要考虑吊耳周边设备壳体强度。另外吊耳的设置还要综合考虑设备外形特点、管口方位等因素。吊耳形式最为普遍的两种，即：板式吊耳，管式吊耳。气化炉主吊耳选择为管式吊耳。 吊耳图例见图10、图11。

2.9 大型设备吊装溜尾吊具设计、制作、及检验

溜尾吊点最为常见的是在设备尾部， 直接焊接并布置的板式吊耳，通过卸扣钢丝绳与吊车相连接。由于气化炉形体及设备工作条件原因，本装置气化炉并未设置溜尾吊耳。为保证气化炉吊装溜尾系统的安全、稳定，我们特设计一套溜尾法兰托架吊索具机构。

图10 吊耳模型图

图11 吊耳图例

该溜尾机构由吊耳耳板部分、箱体部分、底部法兰托架（凸台部分）、支撑两翼部分、螺栓连接部分构成。底板法兰托架和螺栓部分将承担的设备重量通过箱体部分传递给与箱体焊接一体的吊耳板上，而箱体将各个部件组合成一个稳定的整体。支撑两翼部分作为极端情况下（此情况一般不会发生），某些部件受损失效的备用受力机构。

图12 溜尾法兰吊具

此溜尾法兰托架吊具， 在所有受力点焊接完毕后做无损检测，经过无损检测合格，并成功安全投入使用。 溜尾法兰吊具图见图12。

3 小结

青海盐湖金属镁一体化项目100万t/a甲醇装置气化炉的成功吊装，已经成为大型设备吊装一项经典实例，其中，大型设备吊装风险控制措施的应用是气化炉吊装的成功所在。 我们对对气化炉吊装所采取的措施进行了一一归纳、总结，以期对今后大型设备吊装具有指导性的作用。

1 《 大型设备吊装工程施工工艺标准》 SH/T3515-2003

2 《 化工设备吊耳及工程技术要求》 HG/T21574-2008

3 《 重型设备吊装手册》 樊兆馥 著 冶金工艺出版社