某重型反應器管軸式吊耳設計

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(中國船舶重工集團公司 第七一一研究所， 上海 201108)

某臺立式重型反應器吊耳的設計，依據(jù)HG/T 21574—2008《化工設備吊耳及工程技術(shù)要求》[1]的建議選用了管軸式結(jié)構(gòu)。

初步的計算表明，標準系列管軸式吊耳均不能滿足此反應器的吊裝需求。為此，通過查閱相關(guān)文獻并結(jié)合相關(guān)工程軟件的計算方法對該反應器管軸式吊耳進行了設計。

1 反應器設備結(jié)構(gòu)及設計參數(shù)

某重型反應器結(jié)構(gòu)示意見圖1。該反應器為立式殼管式結(jié)構(gòu)，分為上下兩段，兩段中間采用法蘭連接。設備質(zhì)量400 t，外徑3 640 mm，總高度24.9 m，材質(zhì)為304L不銹鋼。反應器總質(zhì)量m0=400 000 kg，反應器內(nèi)徑D=3 600 mm，殼體壁厚δ=20 mm，反應器外徑DO=3 640 mm，反應器總高度H=24 900 mm，質(zhì)心高度Hg=14 150 mm。

圖1 某重型反應器結(jié)構(gòu)示圖

2 吊耳位置確定及載荷計算[1-3]

2.1 吊耳位置確定

吊耳位置的設定主要從兩個方面考慮：①當設備處于水平時，由設備自重產(chǎn)生的彎矩在殼體上引起的彎曲應力。②吊裝過程中設備吊裝的穩(wěn)定。當設備質(zhì)量沿軸線均勻分布時，由于管軸式吊耳內(nèi)側(cè)和吊點處的彎曲應力相當，考慮第①點要求吊耳位置高度與設備總高之比為0.71?？紤]第②點則要求吊點位置設置在質(zhì)心1.5 m以上。結(jié)合以上兩點要求，經(jīng)過計算確定的軸式吊耳位置在17.68 m的高度。

2.2 吊耳載荷計算

根據(jù)反應器結(jié)構(gòu)和確定的吊耳高度分析吊耳受力情況，吊點的設計位置及吊耳受力情況見圖2。

根據(jù)圖2中的受力平衡及力矩平衡，有：

F1+F2=G

F1(L1cosθ+L2cosθ+Rsinθ)=G(L2cosθ+Rsinθ)

根據(jù)以上兩式可得：

圖2 反應器吊裝時吊點位置及吊耳受力示意圖

式中，F(xiàn)1為管軸式吊耳受力，F(xiàn)2為溜尾吊耳受力，G為設備總重量，N；L1為管軸式吊耳與質(zhì)心之間的距離，L2為溜尾吊耳與質(zhì)心之間的距離，R為溜尾吊耳與設備軸線之間的距離，m；θ為設備軸線與水平面之間的角度，(°)。

設備總重量G=m0g=400 000×9.81=3 924 000(N)，管軸式吊耳與質(zhì)心之間的距離L1=17.68-14.15=3.53(m)，溜尾吊耳與質(zhì)心之間的距離L2=Hg=14.15 m。

由于吊裝時設備從水平到豎直，因此計算載荷時應考慮從水平到豎直，本文考慮吊裝角度從水平開始，選擇5個角度來計算吊耳載荷，即θ為0°、30°、45°、60°和90°。根據(jù)上述公式計算所得管軸式吊耳載荷F1見表1。

表1 不同吊裝角度管軸式吊耳計算載荷

3 反應器管軸式吊耳結(jié)構(gòu)設計

3.1 設計方法

管軸式吊耳設計是將吊耳簡化為一端固定一端受力的懸臂梁進行計算，因此先根據(jù)文獻[1]中管軸式吊耳尺寸來設置吊耳結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后再應用材料力學相關(guān)計算公式對結(jié)構(gòu)進行校核計算。

3.2 結(jié)構(gòu)設計

查閱文獻[1]可知，本反應器的殼體壁厚為20 mm，遠不能滿足文中載荷相近的軸式吊耳對殼體壁厚的最小要求。為避免吊耳在殼體上產(chǎn)生的局部應力引起殼體產(chǎn)生大凹陷，對反應器殼體進行局部加厚。先將殼體局部加厚到60 mm，再對局部應力進行校核。參考文獻[4]設計加厚段與殼體主體的連接，焊接詳圖見圖3。加厚段的高度暫設為3 m，需在設置好墊板寬度之后再根據(jù)相關(guān)公式對局部加厚的高度進行校核[1]。

圖3 反應器殼體加厚段與殼體焊接

根據(jù)文獻[1]，設備公稱直徑為3 600 mm時，其吊耳管軸外徑一般確定為700 mm，厚度先假定后校核。先設置吊耳外徑為60 mm。吊耳長度根據(jù)懸臂梁受力分析要求越短越好，但不宜短于1容繩的長度。容繩長度一般為吊索寬度加上裕量[5-6]。本例中選用直徑90 mm鋼絲繩繞2圈4股，吊索寬度180 mm，留間隙60 mm，則容繩長度為240 mm。參照文獻[1]，同時考慮反應器上方突出部分對吊繩的干擾，吊耳長度設置為450 mm。這個長度大于標準中的數(shù)值，設計時在吊耳靠近殼體部位增加筋板，加強段外側(cè)與吊耳外蓋板間留240 mm作為容繩長度。耳軸內(nèi)部采用筋板進行加強，筋板厚度60 mm，間距180 mm。

設計大直徑設備管軸式吊耳時，一般考慮加墊板以減小吊耳在殼體上引起的局部應力。按照吊耳外徑的1.5～2倍設置墊板寬度，按照殼體壁厚的0.6～1倍[6]設置墊板厚度，也可采用公式計算墊板的寬度及厚度[7]。本文根據(jù)文獻[7]中的公式，計算的墊板寬度和厚度分別為1 220 mm和98 mm。實際的墊板寬度為1 300 mm，符合墊板寬度為吊耳外徑1.5～2倍的要求?？紤]到墊板厚度的設置主要受局部應力影響，暫取與筒體壁厚同為60 mm，最終取值還有待根據(jù)后續(xù)局部應力校核具體情況進行必要調(diào)整。設計完成的吊耳結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 吊耳結(jié)構(gòu)圖

圖4中吊耳的殼體加厚段壁厚δTS=60 mm，墊板厚度δPK=60 mm，墊板直徑dPOD=1 300 mm，吊耳長度LTL=450 mm，吊耳外徑dTOD=700 mm，吊耳內(nèi)徑dTID=580 mm，吊耳壁厚δTK=60 mm，外蓋板直徑dROD=900 mm，外蓋板厚度δRK=40 mm，吊索占據(jù)寬度LTT=180 mm。

3.3 強度計算

吊耳受力情況見圖5。

圖5 吊耳受力示意圖

由于采用2個吊耳180°對稱布置，因此每個吊耳實際受力為表1中吊耳載荷數(shù)值的一半，且在吊裝過程中每個吊耳受力有效部分總是豎直向上。在受力計算時，將吊耳有效受力F分解為設備軸向的分力Fa(軸向力)和垂直軸線方向的分力Ft(切向力)。實際吊裝過程中吊索方向與豎直方向有夾角，根據(jù)文獻[1]規(guī)定，該夾角應不大于15°，本文計算時取夾角為15°。因此吊耳還受到一個法向分力Fn(吊索的力)。吊耳受力及幾個分力按照下面公式計算。

F=F1/2

Fa=Fsinθ

Ft=Fcosθ

Fn=Ftan15°

吊耳強度計算一般按照文獻[1]中的方法計算，也可參照文獻[3]進行更為詳細的計算[8]。本文參照文獻[1]，吊耳強度計算主要包括根部的彎曲應力與拉應力組合應力、根部的切應力和耳軸所受的擠壓應力。吊耳強度計算如下。

式中，F(xiàn)P為吊耳的計算受力，綜合影響系數(shù)取1.65時FP=1.65(Fa2+Ft2)0.5，N；W為吊耳抗彎截面模量，不考慮內(nèi)部筋板加強時W=π(dTOD4-dTID4)/(32dTOD)，mm3；A為吊耳截面積，不考慮內(nèi)部筋板加強時A=π(dTOD2-dTID2)/4，mm2；σ為吊耳根部彎曲加拉伸組合應力，τ為吊耳根部切應力，σbs為耳軸擠壓應力，MPa；Abs為耳軸擠壓面積，Abs=dTODLTT，mm2。應用上述公式及相關(guān)參數(shù)，分別對吊裝過程中θ為0°、30°、45°、60°、90°位置進行吊耳強度計算，計算結(jié)果見表2。

表2 不同吊裝角度下吊耳強度計算結(jié)果

吊耳根部應力為彎曲應力和切應力組合，本文采用文獻[9]中的兩種方法即最大切應力和第三強度理論分別校核。

最大切應力方法校核公式為：

式中，[τ]L為材料的許用剪切應力，[σ]為材料的許用拉應力，MPa。

耳軸擠壓應力按照小于許用擠壓應力來校核，一般材料的許用擠壓應力較大，保守可取材料許用應力，從表2的計算結(jié)果可以看出擠壓應力很小，各種工況均可通過校核。

墊板與殼體之間的焊縫為焊腳高度K=60 mm的連續(xù)角焊縫結(jié)構(gòu)，其應力計算與耳軸類似，角焊縫的抗彎截面模量W′和截面積A′根據(jù)文獻[1]中的方法按照下面公式計算。由表2可知，90°位置時組合應力及切應力最大，因此只需校核90°位置墊板角焊縫即可。

A′=0.707πdPODK

式中，W′為墊板角焊縫抗彎截面模量， mm3；A′為墊板角焊縫截面積， mm2；K為墊板角焊縫焊腳高度，mm；σ′為墊板角焊縫彎曲加拉伸組合應力，τ′為墊板角焊縫切應力，MPa；φa為角焊縫焊接接頭系數(shù)，取0.7。

從墊板角焊縫的強度計算可以看出，角焊縫的強度裕量比較大，這是因為墊板直徑較大(通常取管軸直徑的1.5～2倍，這也是通常不校核墊板角焊縫強度的原因)。從吊耳軸本身強度及墊板焊縫強度的校核可以看出，本文中吊耳結(jié)構(gòu)設計滿足各種位置的吊裝要求。

吊耳尺寸設置完成之后校核筒體加厚段高度，加厚段高度滿足要求時，才能在局部應力計算時將加厚段厚度作為整個筒體厚度進行計算。根據(jù)文獻[1]中的要求有如下公式：

其中

Rm=D/2+TS/2

式中，HTS為筒體加厚段高度，Rm為加厚段平均半徑,mm。帶入相關(guān)反應器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和吊耳數(shù)據(jù)計算，得HTS=3 000 mm>1 300+2×2.5×[(1 800+30) ×60]0.5=2 956.8(mm)。

4 吊耳局部應力計算

設計吊耳時，還應考慮吊耳對設備本體的影響，即要進行吊耳局部應力的計算。該類型的局部應力一般采用WRC107公報[10]計算。本文中的局部應力采用工程軟件SW6進行計算。計算數(shù)據(jù)輸入及計算結(jié)果見表3。

表3 吊耳局部應力計算結(jié)果

根據(jù)文獻[11]，吊耳根部及墊板邊緣局部應力應滿足Sm≤1.5[σ]且Smax≤3[σ]。

5 吊耳制造與檢驗要求

吊耳的管軸壁與殼體及墊板厚度相同，因此采用鋼板卷制成圓筒。根據(jù)文獻[1]的要求，圓筒的對接焊縫應當進行100%射線檢測[12]，并且按照相應的檢測合格標準進行評判。管軸內(nèi)部的筋板、管軸外部的加強筋板及外蓋板與管軸筒體等均采用角焊縫連續(xù)焊接。

吊耳管軸與筒體的焊接采用開坡口的角焊縫焊接，此處為吊耳的主要承載部分，且強度計算時所用公式均基于該處強度與圓筒本體強度相同。墊板與殼體的焊接采用連續(xù)角焊縫結(jié)構(gòu)，其強度計算也是基于連續(xù)角焊。

吊耳的檢測一般采用磁粉檢測[13]檢驗角焊縫，但此處采用304L不銹鋼，需要采用滲透檢測[14]來檢驗角焊縫。另外，對管軸與殼體的坡口角焊縫采用超聲檢測進行檢驗[15]，并符合相關(guān)檢測合格標準。

6 結(jié)語

對1臺重型反應器的非標管軸式吊耳進行了設計。計算結(jié)果表明吊耳結(jié)構(gòu)設計合理，滿足結(jié)構(gòu)強度要求。在吊耳設計過程中，應根據(jù)設備處于不同吊裝位置進行應力校核，計算整個過程中的強度，以保證設備安全性。