化工設(shè)備吊耳標(biāo)準(zhǔn)的分析和解讀

王猛，王志堅，石乾宇

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

目前，國內(nèi)外仍有一些學(xué)者在研究吊耳的受力規(guī)律，由于吊耳的受力復(fù)雜，還存在很多爭議，因此國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的吊耳的計算方法和選用準(zhǔn)則，給設(shè)計人員帶來很大困擾。文獻(xiàn) [1]中指出了吊耳設(shè)計選用存在的諸多問題，如：安全系數(shù)、許用應(yīng)力的取值差異較大，且經(jīng)驗性很大。為了解決上述問題，國內(nèi)一些行業(yè)制定了相應(yīng)的吊耳標(biāo)準(zhǔn)，一些企業(yè)制定了內(nèi)部的吊耳企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是國家層面上尚無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)出臺。文獻(xiàn) [1]也對水利水電行業(yè)、港口交通行業(yè)、化工行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)這些行業(yè)的吊耳標(biāo)準(zhǔn)均采用了簡單實(shí)用的許用應(yīng)力法，而不是極限載荷法，均采用了材料力學(xué)中的拉伸、剪切、擠壓強(qiáng)度計算，易于理解使用，但是這些經(jīng)驗公式的安全系數(shù)和許用應(yīng)力取值具有鮮明的行業(yè)特色。

HG/T 21574—2018《化工設(shè)備吊耳設(shè)計選用規(guī)范》[2]（以下簡稱《規(guī)范》）的實(shí)施日期為2018 年9 月，是當(dāng)前化工行業(yè)通用的吊耳標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)合多年來的使用經(jīng)驗將化工設(shè)備的吊耳進(jìn)行了分類并給出了吊耳使用公稱吊重范圍、綜合影響系數(shù)、吊耳的布置要求、技術(shù)條件、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、殼體材料的最小厚度要求以及受力計算等內(nèi)容。

HG/T 21574 從1995 年3 月實(shí)施以來，已經(jīng)修訂升版3 次（分別是1994 版、2008 版以及現(xiàn)行的2018 版）?！兑?guī)范》中所使用的經(jīng)驗公式易于理解便于使用，盡管存在誤差但可以接受，相比水利水電行業(yè)、港口交通行業(yè)的吊耳標(biāo)準(zhǔn)，《規(guī)范》中吊耳孔壁計算公式?jīng)]有采用拉曼公式，實(shí)際使用時對孔軸間隙值也沒有限制；且《規(guī)范》中吊耳分類規(guī)整，易于根據(jù)型號規(guī)格直接選用。但是隨著標(biāo)準(zhǔn)升版，《規(guī)范》中一些內(nèi)容也進(jìn)行了相應(yīng)的變動，如：增加吊耳的公稱吊重適用范圍、調(diào)整綜合影響系數(shù)、擴(kuò)大殼體最小厚度的材料適用范圍、補(bǔ)充吊耳本體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計算等。

本文結(jié)合《規(guī)范》對標(biāo)準(zhǔn)吊耳、非標(biāo)吊耳的選型進(jìn)行介紹分析，同時對《規(guī)范》中升版后的重要差異進(jìn)行列舉說明，并總結(jié)《規(guī)范》使用過程中的一些注意事項。旨在加深技術(shù)同行對《規(guī)范》進(jìn)行深入理解，在吊耳的選型設(shè)計過程中更加科學(xué)合理。

1 吊耳的選型設(shè)計

1.1 標(biāo)準(zhǔn)吊耳的選型設(shè)計

本文所說的標(biāo)準(zhǔn)吊耳為既滿足《規(guī)范》要求，又可以直接選型的吊耳?！兑?guī)范》中給定的吊耳類型有5 種，分別是頂部板式吊耳（TPA 型、TPB 型）、臥式設(shè)備板式吊耳（HP 型）、側(cè)壁板式吊耳（SP 型）、軸式吊耳（AXA 型、AXB 型、AXC 型）、尾部吊耳（APA型、APB 型）。此外，在附錄E 中給定了另一種吊耳類型：零部件用吊耳（LP 型），此類型吊耳在以往版本標(biāo)準(zhǔn)中并沒有體現(xiàn)。

每種類型的吊耳都會進(jìn)一步細(xì)分成多個吊耳系列，且每個吊耳系列都有其適用范圍（公稱吊重/t、公稱直徑/mm），表1 列舉的是頂部板式吊耳（TP 型）的適用范圍情況，其他型吊耳則類似。除此之外，《規(guī)范》中對應(yīng)的每種類型的吊耳都有詳細(xì)的布置要求以及殼體材料所對應(yīng)的最小厚度要求。

表1 頂部板式吊耳的適用范圍Table 1 Application scope of top plate lifting lug

因此，標(biāo)準(zhǔn)吊耳選型的基本流程為：首先，確定吊耳的類型。根據(jù)設(shè)備本身的特點(diǎn)、布置方式以及吊耳的布置條件確定吊耳的型式，比如：臥式設(shè)備可選HP 型吊耳，立式設(shè)備可選TP、SP、AX 型吊耳，塔式設(shè)備根據(jù)情況設(shè)置AP 型吊耳，LP 型吊耳僅用于車間內(nèi)零部件的吊裝、姿態(tài)調(diào)整。其次，需明確吊耳系列，根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料、吊裝質(zhì)量等條件并結(jié)合《規(guī)范》附錄B 殼體最小厚度的要求，查找對應(yīng)的吊耳的適用范圍進(jìn)而得到各個類型中具體的吊耳系列。

需要說明的是，使用《規(guī)范》進(jìn)行吊耳的選型設(shè)計是要基于一定的限制條件的。除了上述提到的吊耳的布置要求、吊耳的適用范圍以及對連接殼體的最小厚度要求，《規(guī)范》中還給出其他的限制條件：①吊裝綜合影響系數(shù)K 值的限定。吊裝綜合影響系數(shù)K = Kd×Ku= 1.2×1.125 = 1.35 （其中Kd為動載荷系數(shù)，取1.2，Ku為不平衡系數(shù)，取1.125），因此吊裝單位需要制定合理的吊裝方案來保證設(shè)備吊裝過程中的動載荷系數(shù)和不平衡系數(shù)不大于《規(guī)范》的限定值。② 板式吊耳（包括TP、SP、AP 型吊耳）的受力應(yīng)保證在吊耳板平面內(nèi)，當(dāng)板式吊耳在吊裝過程中有板外力或/和力矩時，還應(yīng)當(dāng)校核吊耳板、吊耳板與設(shè)備焊接接頭處的應(yīng)力。

1.2 非標(biāo)吊耳的選型設(shè)計

實(shí)際上，《規(guī)范》中列舉的吊耳僅僅是化工設(shè)備上常見的吊耳型式，且正如上文所述《規(guī)范》的直接使用也是有條件的。除此之外工程上還有很多其他非標(biāo)的吊耳，筆者認(rèn)為滿足以下條件的非標(biāo)吊耳仍然可以酌情參考《規(guī)范》進(jìn)行吊耳設(shè)計選型：

（1）非標(biāo)吊耳的結(jié)構(gòu)類型與《規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)吊耳類型相似。

（2）非標(biāo)吊耳的結(jié)構(gòu)類型與《規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)吊耳類型一致，但是結(jié)構(gòu)尺寸與標(biāo)準(zhǔn)中給定尺寸不一致。

（3）非標(biāo)吊耳的結(jié)構(gòu)類型與《規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)吊耳類型一致，但是殼體材料的最小厚度不滿足要求。

（4）非標(biāo)吊耳的結(jié)構(gòu)類型與《規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)吊耳類型一致，但是吊耳的適用范圍超出《規(guī)范》要求。

此時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)校核吊耳本體、吊耳與墊板、設(shè)備封頭或筒節(jié)、墊板與筒節(jié)危險截面的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。必要時，設(shè)計人員還應(yīng)校核吊裝時設(shè)備各個危險截面的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

2 HG/T 21574—2018升版前后的重要差異

近年來我國化工裝備制造業(yè)迅速發(fā)展，設(shè)備設(shè)計水平和制造能力以及材料的各項性能也明顯提高，對吊耳的應(yīng)用經(jīng)驗也越來越豐富，因此化工行業(yè)吊耳標(biāo)準(zhǔn)多次升版。HG/T 21574—2018《規(guī)范》的條文章節(jié)更加合理，擴(kuò)大了吊耳的適用范圍和殼體最小厚度的材料適用范圍，更加便于技術(shù)人員使用。引用的材料標(biāo)準(zhǔn)均已升版。同時，附錄A 中詳細(xì)地給定了各類型吊耳的設(shè)計校核方法，吊耳的強(qiáng)度校核更加完整全面（以頂部板式吊耳為例，強(qiáng)度校核包含了：吊孔擠壓應(yīng)力校核、吊耳頭部強(qiáng)度校核、吊耳板與墊板或封頭連接處校核、吊耳板與封頭連接角焊縫強(qiáng)度校核）。相比HG/T 21574—2008[3]，HG/T 21574—2018《規(guī)范》條文內(nèi)容進(jìn)行了多處變動，本文僅列舉筆者認(rèn)為重要的部分進(jìn)行比較說明，見表2。

3 《規(guī)范》使用過程中的一些思考

當(dāng)查閱《規(guī)范》時，會發(fā)現(xiàn)其中給定的一些校核公式、系數(shù)的取值等并沒有相應(yīng)說明，整個標(biāo)準(zhǔn)也沒有釋義作為補(bǔ)充，這就給設(shè)計人員帶來不便。筆者結(jié)合工程使用經(jīng)驗，列舉如下幾點(diǎn)，并查閱了一些文獻(xiàn)，進(jìn)行了整理分析，希望能夠?qū)夹g(shù)人員理解使用《規(guī)范》有所幫助。

表2 HG/T 21574—2018 升版后的重要差異對比Table 2 Comparison of important differences after HG/T 21574—2018 upgrade

3.1 吊耳孔承壓應(yīng)力

正如文獻(xiàn) [4]所述，在起吊過程中，吊耳孔與銷軸發(fā)生接觸，吊耳承壓面上受力，十分復(fù)雜，呈高度非線性；且由于銷軸直徑小于吊耳孔徑，兩者曲率不同，會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在吊耳孔壁外緣會出現(xiàn)塑性變形。因此，在實(shí)際的工程中，吊耳強(qiáng)度校核不僅包含吊耳本身危險截面強(qiáng)度校核、吊耳結(jié)構(gòu)根部連接焊縫強(qiáng)度校核，還應(yīng)校核吊耳孔與銷軸間的擠壓應(yīng)力強(qiáng)度。HG/T 21574—2018《規(guī)范》補(bǔ)充了吊孔擠壓應(yīng)力強(qiáng)度校核，使得吊耳設(shè)計更加合理、更加實(shí)際。

《規(guī)范》引用的吊孔擠壓應(yīng)力公式如下：

無系攬環(huán)板時：

有系攬環(huán)板時：

式中 D ──板式吊耳孔直徑，mm；

dr──銷軸直徑，mm；

FL——吊索計算載荷，N；

S——板式吊耳厚度，mm；

σhz──吊孔處的最大擠壓應(yīng)力，MPa；

[σhz]──吊耳材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa。

其源頭來自Hertz 推導(dǎo)的軸與孔的接觸應(yīng)力表達(dá)式，并代入材料的泊松比=0.3 后直接得出[5]。吊耳孔與銷軸或卸扣的接觸可近似看成“軸線平行的圓柱與圓柱槽面”的兩個不同直徑物體相互擠壓接觸。從公式中不難看出，S、S2值越大吊耳安全性越好，系攬環(huán)板實(shí)際上起到局部加強(qiáng)作用；D、dr值越大，吊耳擠壓應(yīng)力越小，且兩者值越接近吊耳擠壓應(yīng)力越小。因此，技術(shù)人員在設(shè)計板式吊耳時，保證銷軸或卸扣順利拆卸情況下，應(yīng)盡量使吊耳孔徑與銷軸或卸扣直徑比接近1。

3.2 綜合影響系數(shù)

本文前面章節(jié)已經(jīng)指出，《規(guī)范》的適用限制條件之一就是綜合影響系數(shù)，而綜合影響系數(shù)K 又等于動載荷系數(shù)Kd（取1.2）乘以不平衡系數(shù)Ku（取1.125）。綜合影響系數(shù)影響吊耳吊重，而且綜合影響系數(shù)越小，吊耳板吊重越小，吊耳板受力越好。文獻(xiàn) [6]通過案例分析，認(rèn)為在保證吊耳自身安全前提下，綜合影響系數(shù)可以優(yōu)化，筆者也認(rèn)可這種觀點(diǎn)。

所謂動載荷系數(shù)為考慮吊裝過程中，動載荷相對于靜載荷的比值。動載荷系數(shù)與垂直起吊時吊機(jī)吊物的起升速度有關(guān)，吊機(jī)的提升速度越大動載荷越大，動載荷系數(shù)也相應(yīng)增大。文獻(xiàn)[7]中指出：吊機(jī)起升速度在5 m/s 以下時，動載荷系數(shù)宜取1.05 ～ 1.15，吊機(jī)起升速度在超過5 m/s ～ 10 m/s 時，宜取1.2 ～ 1.3。不僅如此，文獻(xiàn)[7]中也指出動載荷系數(shù)與吊物吊裝工藝的提升狀態(tài)（吊物的仰角）有關(guān)，與吊機(jī)工作所處的地況有關(guān)，并給定了相應(yīng)條件下的動載荷值。因此，通過控制以上影響因素能夠?qū)崿F(xiàn)動載荷系數(shù)的優(yōu)化控制。

所謂不平衡系數(shù)為考慮吊裝過程中，多個吊耳間載荷分配不均勻程度。文獻(xiàn) [7]中提及需要考慮不平衡系數(shù)的影響：在吊物重心位置偏離計算重心位置的情況下（不平衡系數(shù)推薦為1.05 ～ 1.25）、吊物多吊點(diǎn)和多臺吊車協(xié)作作業(yè)中出現(xiàn)不同步的情況下（對吊點(diǎn)數(shù)大于等于4 的吊物的起重作業(yè)不平衡系數(shù)宜取1.33 ～ 1.35）。因此，要根據(jù)特定的吊裝工藝來選取相應(yīng)的不平衡系數(shù)。《規(guī)范》中不平衡系數(shù)的取值是考慮了多個吊耳間載荷分配，但是相比配置雙板式非標(biāo)吊耳的情況或者零部件工藝吊裝用單個吊耳的情況，不平衡系數(shù)的取值也值得探討。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，雙吊車吊裝以及有多個吊點(diǎn)（吊點(diǎn)大于等于4）的重型設(shè)備吊裝，且在吊裝中吊物產(chǎn)生的傾角或吊點(diǎn)布置位置偏離吊物重心位置的情況下，綜合影響系數(shù)等于動載荷系數(shù)與不平衡系數(shù)的乘積。對于單吊車吊裝以及一般設(shè)備吊裝時，載荷系數(shù)宜選取動載荷系數(shù)和不平衡載荷系數(shù)中的較大者。綜上可知，《規(guī)范》中綜合影響系數(shù)的選取是有優(yōu)化空間的。

抗逆力理論為研究孤兒教育與就業(yè)提供的理論支撐是，孤兒救助的社會政策作為外部支持因素，同孤兒個體內(nèi)在優(yōu)勢幫助他們提升其抗逆力；內(nèi)在優(yōu)勢則包括自立人格、家庭責(zé)任和感恩情感、興趣和特長，以及積極思維⑥。這一視角無疑為孤兒教育和就業(yè)社會政策的制定提供了新的介入點(diǎn)。

3.3 焊縫強(qiáng)度校核

吊耳根部受力十分復(fù)雜，實(shí)際上由拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及剪應(yīng)力組合而成。以頂部板式吊耳為例，《規(guī)范》中給定的吊耳根部（包括吊耳板與墊板或封頭連接處、吊耳板或墊板與封頭連接焊縫）強(qiáng)度校核的原則符合強(qiáng)度理論和組合變形要求，評定時分別校核拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及組合應(yīng)力不大于相應(yīng)的許用應(yīng)力，下面為設(shè)備豎直狀態(tài)時，吊耳墊板與封頭連接角焊縫組合應(yīng)力的強(qiáng)度校核公式：

2018《規(guī)范》[2]焊縫組合應(yīng)力：

2008《技術(shù)要求》[3]焊縫組合應(yīng)力：

式中 σpce──焊縫的組合應(yīng)力，MPa；

σpe──焊縫的拉應(yīng)力，MPa；

σpbe──焊縫的彎曲應(yīng)力，MPa；

τpe──焊縫的剪應(yīng)力，MPa；

[σ]──焊縫材料的許用拉應(yīng)力，MPa。

對比以上兩個公式可以發(fā)現(xiàn)，公式（4）是滿足組合變形要求并應(yīng)用第三強(qiáng)度理論得來；而公式（3）系數(shù)相比公式（4）有些許變動，但由于《規(guī)范》沒有給出推導(dǎo)過程，也沒有公式來源，因此，筆者也難以臆斷公式（3）變動的初衷。

經(jīng)過筆者查閱文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)，吊耳根部焊縫強(qiáng)度校核計算有以下幾種方法，供技術(shù)人員參考。第一種校核方法，即滿足組合應(yīng)力的第三強(qiáng)度或第四強(qiáng)度理論，第三強(qiáng)度理論即公式（4），第四強(qiáng)度理論為公式（5）；第二種校核方法，按照文獻(xiàn)[8]為公式（6）；第三種方法可以參照標(biāo)準(zhǔn)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[9]中直角角焊縫強(qiáng)度計算，見公式（7），實(shí)際上公式（7）也是滿足第四強(qiáng)度理論公式基礎(chǔ)上演變來的。

其中：許用剪應(yīng)力[τ] = 0.7 [σ]

GB 50017—2017[9]焊縫組合應(yīng)力：

式中 σf──垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力，MPa；

τf──沿焊縫長度方向剪應(yīng)力，MPa；

βf── 正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計值增大系數(shù)，對直接承受動力載荷的結(jié)構(gòu)，取1.0，對于承受靜力載荷和間接承受動力載荷的結(jié)構(gòu)，取1.22；

3.4 吊耳設(shè)計制造要求

近年來，設(shè)備吊耳的設(shè)計制造問題也越發(fā)突出，主要問題就是設(shè)計制造者沒有完全執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，或者設(shè)計者對吊耳的方位、受力等考慮不周，而制造上又沒有完全重視所致?！兑?guī)范》對吊耳的制造有相應(yīng)的要求，包括：材料可焊性、裝配偏差、表面質(zhì)量、無損檢測等，文獻(xiàn)[10，11]也對化工設(shè)備吊耳出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析探討。

筆者認(rèn)為有幾點(diǎn)需要注意：① 吊耳吊孔的粗糙要求，考慮到計算公式為面接觸假設(shè)，加之吊孔受力復(fù)雜；② 吊耳孔外緣或吊耳加強(qiáng)板外緣倒角，主要是考慮防止應(yīng)力集中以及損壞吊繩；③ 吊耳或吊耳墊板邊緣焊縫應(yīng)避開殼體或鄰近的附件焊縫。

4 結(jié)束語

綜上所述，化工行業(yè)吊耳設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)HG/T 21574—2018《化工設(shè)備吊耳設(shè)計選用規(guī)范》有其嚴(yán)格的適用范圍，對于非標(biāo)吊耳的選型，滿足一定的條件下才可酌情參考《規(guī)范》進(jìn)行吊耳設(shè)計，并且需要校核吊耳危險截面的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，甚至必要時需要校核設(shè)備吊裝時的受力情況。相比以往版本，最新版標(biāo)準(zhǔn)《規(guī)范》內(nèi)容上有一些重大變動，技術(shù)人員在設(shè)計新設(shè)備或者對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造設(shè)計時須嚴(yán)格按照最新版標(biāo)準(zhǔn)《規(guī)范》附錄A 要求對設(shè)備吊耳進(jìn)行校核。當(dāng)參考《規(guī)范》進(jìn)行非標(biāo)吊耳設(shè)計時，可以優(yōu)化綜合影響系數(shù)，對于吊耳根部復(fù)雜受力情況也可選擇不同強(qiáng)度校核方法。希望技術(shù)人員對吊耳標(biāo)準(zhǔn)有深入的了解，對吊耳的設(shè)計制造問題有足夠的重視。