大型萃取精餾塔吊裝強度研究

劉利強 呂 濤 肖云峰 張志蓮

(1.北京化工大學機電工程學院；2.北京石油化工學院機械學院)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展與科技的進步，石油化工作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，其設(shè)備正朝著大型化、高效化、特種化、國際化的方向發(fā)展，設(shè)備大型化的同時也帶來了一系列的安裝問題，其中吊裝是一個很重要的問題，吊裝水平直接影響著工程進度[1～3]。從設(shè)備整體吊裝和分段吊裝的安全、工期、費用、質(zhì)量以及作業(yè)風險等方面進行對比，考慮安全、經(jīng)濟等方面的因素，采用設(shè)備整體吊裝工藝要優(yōu)于分段吊裝空中組對工藝。整體吊裝與分段吊裝使用吊車的類型相同，只是配重、索具大一些。采用分段吊裝的施工工期長，大型吊車使用時間長，安裝費用高?，F(xiàn)階段我國石油化工設(shè)備在高50m左右就采用分段吊裝工藝，較少采用整體吊裝，而歐美一些國家基本都采用整體吊裝。

北京燕山石化公司20萬t/a混合C4制MTBE項目中，有一座78m高的萃取精餾塔，施工方提出整體吊裝方案，筆者將利用有限元方法對萃取精餾塔整體吊裝進行強度校核，驗證整體吊裝方案的可行性，并根據(jù)計算結(jié)果，提出優(yōu)化方案。

1 整體吊裝工藝簡介及載荷分析

1.1 整體吊裝工藝簡介

萃取精餾塔筒體公稱直徑4 600/2 600mm，筒體厚度20mm，筒體材料為Q345R，塔高為78 165mm，重190t，吊耳管軸材料為Q235，管軸壁厚20mm。由于設(shè)備超重、超長和超高，給制造安裝增加了難度。為順利完成塔設(shè)備的安裝，制造方提出通過在距離塔體頂端2 000mm處設(shè)置軸式吊耳，在塔體底端設(shè)置尾部吊耳完成吊裝。根據(jù)設(shè)備計算重量和現(xiàn)場環(huán)境情況，選用SCC6300型履帶式起重機-HDB工況吊裝形式。萃取精餾塔采用主、輔兩臺吊車整體吊裝[4]，主吊車采用SCC6300型履帶吊車，輔助吊車選用SCC2500C型履帶吊車，吊鉤下部裝有起重桅桿[5]，吊耳承受向上的拉力。使用250t履帶吊車前期配合現(xiàn)場組焊，設(shè)備吊裝時做輔吊溜尾，具體使用形式如圖1所示。

圖1 雙吊車吊裝示意圖

1.2 載荷分析

針對整體吊裝，制造方提出的吊耳安裝位置，需要進行水平、豎直狀態(tài)下的強度校核[6]，具體是：水平狀態(tài)時，在距離塔體頂端2 000mm處設(shè)置軸式吊耳，在塔體底端設(shè)置尾部吊耳是否合理；頂部吊耳處的補強圈和焊縫強度能否達到要求；如果吊耳安裝的位置不合理，提出合理方案，并進行相應(yīng)的強度分析。

2 有限元模型

2.1 模型建立及有限元網(wǎng)格的劃分

考慮到塔高和塔徑，忽略筒體上的接管和開孔，同時也忽略塔器內(nèi)件，以y軸為對稱軸，但需要考慮塔體上附件的質(zhì)量。塔體部分全部采用六面體單元，在吊耳與塔體連接部位，由于焊縫區(qū)的應(yīng)力集中需將該區(qū)域網(wǎng)格細化，并且保證筒體與頂部吊耳節(jié)點的相對應(yīng)。全部模型共建立281 694個單元，305 520個節(jié)點(圖2)。

圖2 有限元網(wǎng)格

2.2 施加載荷及邊界條件

分別計算在塔體處于水平和豎直兩種情況下的應(yīng)力分布，水平狀態(tài)下將兩端的吊耳底部施加x、z方向的約束，約束面積大約與鋼絲繩和管軸接觸區(qū)域相當；筒體中心底端靠近地面一側(cè)將y軸固定，施加重力作用；豎直狀態(tài)下將上部吊耳底端兩側(cè)施加y、z兩個方向的約束，約束面積同樣是與鋼絲繩和管軸接觸區(qū)域相當，筒體頂端封頭中心處施加x、z方向約束，施加重力。此處需要注意的是由于補強圈、吊耳和筒體三者是通過焊縫相連的，補強圈與筒體之間并不是真實的相連區(qū)域，因此需要將補強圈與筒體之間的網(wǎng)格節(jié)點分離,并將補強圈與筒體之間定義為接觸。

2.3 計算結(jié)果及分析

水平狀態(tài)時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底部吊耳處(圖3)，此時的最大應(yīng)力已經(jīng)超過1 000MPa，遠大于材料的許用應(yīng)力185MPa，底部吊耳不能夠滿足強度要求，需要對底部吊耳優(yōu)化；頂部軸式吊耳與筒體相連的焊縫處應(yīng)力小于160MPa，軸式吊耳在水平起吊時能夠滿足強度要求。

圖3 原始方案水平狀態(tài)應(yīng)力分布

3 方案優(yōu)化及分析

通過上述計算結(jié)果顯示，將底部吊耳優(yōu)化為軸式吊耳，對優(yōu)化后的結(jié)果進行應(yīng)力和變形分析，有限元網(wǎng)格依然全部采用六面體網(wǎng)格，載荷、施加邊界與上述一致。

計算結(jié)果顯示，在水平狀態(tài)時塔身中部最大撓度不超過50mm，塔體安全；塔身中部最大的應(yīng)力不超過50MPa，塔體也同樣安全；最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳根部，吊耳根部的應(yīng)力不會超過180MPa，水平起吊時，吊耳根部安全。水平狀態(tài)下無吊耳和有吊耳時塔體應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

a.無吊耳

b.有吊耳

頂部吊耳受力最大，根部應(yīng)力不超過160MPa小于Q345R的許用應(yīng)力185MPa，在整個起吊過程中安全；最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳與鋼絲繩接觸的區(qū)域，此時的最大應(yīng)力超過200MPa大于Q235R的許用應(yīng)力160MPa，需要加大管軸的壁厚；同時在豎直狀態(tài)時，塔體裙座會有4mm的下垂。豎直狀態(tài)下頂部吊耳時應(yīng)力與變形云圖如圖5所示。

圖5 豎直狀態(tài)下頂部吊耳時應(yīng)力與變形云圖

4 結(jié)論

4.1根據(jù)施工方提出的方案，在距離塔體頂部2 000mm設(shè)置軸式吊耳，能夠滿足強度要求；底部安裝尾式吊耳，不能夠滿足強度要求。

4.2將尾部吊耳結(jié)構(gòu)更改為軸式吊耳，計算結(jié)果顯示，水平起吊時塔體安全，垂直狀態(tài)時塔體同樣安全。

4.3由于建模時忽略了吊耳的內(nèi)筋板，導(dǎo)致軸式吊耳管軸處應(yīng)力過大，可以考慮加大吊耳管軸壁厚。

[1] 關(guān)則新.國內(nèi)外大型石油化工設(shè)備吊裝技術(shù)及裝備的比較和分析[J].石油工程建設(shè)，2012，36(4)：51～55.

[2] 王欣，高順德.大型吊裝技術(shù)與吊裝用起重設(shè)備發(fā)展趨勢[J].石油化工建設(shè)，2005，27(1)：58～62.

[3] 黃成云，朱冠旻，殷傳儀.特高壓黃河大跨越鐵塔塔頭吊裝[J].電力建設(shè)，2008，29(5)：20～23.

[4] 孫愛萍，嚴永江，耿驚濤，等.大型設(shè)備吊裝方案優(yōu)化[J].石油化工設(shè)備，2010，29(3)：155～157.

[5] 華玉潔.起重機械與吊裝[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[6] 金濤，趙中軍，童水光.焦炭塔吊裝有限元校核計算[J].石油化工設(shè)備，2000，29(5)：21～22.