塔用轴式吊耳的最佳位置及塔器整体吊装过程中的应力计算

第43卷第6期 2006年12月 化 工 设 备 与 管 道 PROCESS EQUIPMENT&PIPING Vol. 43 No. 6 Dec. 2006 塔用轴式吊耳的最佳位置及塔器整体 吊装过程中的应力计算 李 冰 (中国石化集团宁波工程有限公司，宁波 315801) 摘 要:以一端外伸的简支梁为力学模型，分段建立轴向弯距及最大轴向弯距表达式，以两段内的最大轴向拉应力相等为条件， 导出方程并求解，得到最佳的轴式吊耳位置;同时对塔器在吊装过程中的不同受力状态进行分析，并对塔体各危险截面进行校核 计算。 关键词:轴式吊耳;最佳位置;校核计算 中图分类号:TQ053. 5 文献标识码:A 文章编号:1009-3281(2006)06-0027-04 Optimal Location of Axial Lifting Lugs on Tower and Calculation of Stress in Lifting Process Li Bing (Ningbo Engineering Co，Ltd, SINOPEC Ningbo, 315801) Abstract With the simple supported beam with one extending end as the mechanics model, the equations for sectional axial moment and maximum axial moment were built. Based on the equilibrium of maximum axial tension stresses between two sections, the optimal location of axial lifting lug was deduced. At the same time, the different loaded conditions of the tower in lifting process were analyzed, and the each risk transverse section was checked. Keywords axial lifting lug, optimal location, calculation and check 在塔器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 时，除了要考虑塔体的强度、刚度、 结构等因素，以保证设备投用后的安全可靠外，还应 熟悉塔器在整个吊装过程中的受力状态，并对可能 出现的危险应力进行校核计算，从而确保设备安全 稳妥地安装就位。 在整个吊装过程中，塔体的受力状况是不同 的。在由最初水平放置状态吊至刚刚脱离地面的 启吊过程中，设备的总重量由吊耳与地面共同承 担，其受力情况相当于吊点外侧外伸的简支梁。 随着塔体由完全的水平状态变为垂直状态，设备 筒体所承受的轴向弯距由大变小直至为零;在设 备呈近乎铅垂状态吊离地面至安装就位的空中搬 运过程中，设备的重量则完全由吊耳来承担。在 此过程中，除吊耳处的局部应力之外，塔体其余部 分几乎不存在其它应力。 由此可见，悬挂于上部吊耳、支撑于塔底地面所 呈的水平状态，与悬吊于空中的铅垂状态，是塔器在 吊装过程中两种重要的受力状态。后一种情况，可 通过SW6软件零部件计算部分中借用WRC107 (ASME CODE)报告进行局部应力计算的方法来处 理，这里不再赘述。而对于将前一种受力状态简化 为简支梁这一力学模型进行受力分析，则是本文要 讨论的内容。 1 塔体水平状态下各支点的反力 塔器的受力分析简图及其剪力、弯距图见 图 I。 收稿日期:2006-03-13 作者简介:李冰(1964-)，男，高级工程师，从事设备设计工作。 化 工 设 备 与 管 道 2006年第6期 该段内的最大弯距 在a,b两支撑点间的内侧段上，其弯距表达 式为 M,二F2:一冬qy 乙 将式(2)代人，得 M,=蚤(‘’一m2m-ly ) (5) 鲁二命12一卜qy，并令鲁=0 则，=l2 - m221 (6) 得到内侧段上的最大轴向 似nMax 弯 距 图 将式(6)代入式(5)， 弯距为 M、。=典(l，一m2m、， 81,’ (7) 图1 受力分析图及剪力、弯距图 取均布载荷。=早 乙 a点处的起吊力: 各外载荷对b点求弯距，有 F, l -合。(m+‘)’=0 ⋯F,=条(m+‘)’ b点处的地面反力: 各外载荷对a点求弯距，有 合。l1 q2’一12 qm’一F2l=0 ·，.F2=务(12一m2m) 最大弯距发生在距塔底l2 - m2处的截面上。~’、甘~~一 ’一~一.,‘~ 21 ~ .. ~一 口 塔体抗弯截面模量 由 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 力学知，圆形筒体横截面的抗弯模量为 W =卫d 4 (8) 但塔壁通常是不等厚的，现以其理论计算值做 (1) 为塔壁外轮廓线，并设该线的斜率为k，同时塔体下 部与上部的壁厚差为乙，则 (2) 乙k二导 L 这样，任意位置处的塔体壁厚为 s=so+kx 于是，塔体任意位置处的抗弯截面摸量为 2 塔体水平状态下的轴向弯距 2.， 吊点外侧段的轴向弯距及该段内的最大弯距 在塔顶至吊点a之间段(即简支梁外伸段)，其 弯距表达式为 Mm= 1 2 qx (3) W二4 di2(So+kx) (9) 因而，外伸段最大弯距私Ma:所在截面的抗弯模 量为 W,-4d'2(“。+kx ) (10) 内侧段最大弯距从Ma、所在截面的抗弯模量为 此段内的最大弯距为 12一m MmMax 1 =万qm (4) 最大弯距发生在距塔顶m处的轴耳截面上。 2.2 吊点至塔底地面支撑点之间段的轴向弯距及 W2==4 d;2[(“。+“(m+‘- 整理后， 二二子[25,1+k(m·，)’〕 (11) 第43卷 李 冰.塔用轴式吊耳的最佳位置及塔器整体吊装过程中的应力计算 ? ? ? 4 建立轴耳的最佳位置方程 4.1 外伸段最大轴向弯距截面上的最大拉 应力 }MImMax I Q,=一而` 将式(4),(9)代人，得 ，，=不2gm2, 2 , } vra;又ao+rcm 4.2 内侧段最大轴向弯距截面上的最大拉 应力 I MIMax I u2= 刃 将式(7)、(10)代入并整理，得 『2二 (12一m2m)z ard, 21 (2氏l+AL) (13) 4.3 建立轴耳最佳位置方程 令，，二。2，并将式(11),(12)代人，经整理最 终得 4(粤〕 一、L' _互1(nll So“、L’ ‘一2〔‘·，箭I〔m}L’·6会〕〔m}L’·〔‘ 一1=0 、。、 m 。 △ 。.。、 议人“了，七=so '则们 4A一2(4 +3e)A' +6eA2+(4一}) A一1 =0 (14) 分别取E =0,1 ,2,3，代人上述方程，将得出的 四个子方程及其解汇成表1，以便实际应用时速查。 表1 轴耳最佳位置速查表 不等厚系数 最佳位置系数 乙 右=下一 00 最佳位置子方程 4A4一8A' +4y一1 =0 474一14y3 +6 y2 +3y一1 =0 4y4一20y'+12 y2 +2y一1 =0 4,y4一26 y3+18y2 +y一1二0 .29 .27 5 塔体水平状态危险截面的确定及其轴向 应力的计算 5.1 塔体水平状态危险截面的确定 首先，吊耳所在截面以及内侧段最大弯距M1Max 所在截面，无疑均为危险的截面。而对于不等壁厚 的塔体，在最大弯距所在截面的左侧，不同壁厚的两 筒节分段截面上，因上段筒壁厚度的减少使其抗弯 模量变小，当该截面与最大弯距所在截面的距离近 到一定程度时，其最大拉应力必将增加，甚至可能超 过相邻的危险截面上的拉应力。因此，与吊耳处截 面以及内侧段最大弯距私Max所在截面比邻的这两 个截面，也是危险截面。 5.2 危险截面上的最大轴向应力的计算 通过式(4).(7).(3)及(5)分别求出各个危险 截面处的弯距值，再采用式(8)求出各危险截面对 应的抗弯模量，进而计算各截面上的最大拉应力及 最大压应力，并将其分别控制在0 [0-」以及仁，〕。。 以内。 6 塔体水平状态轴耳处局部应力的计算 将采用式(1)求出的轴耳处的起吊力F,的二 分之一，再乘以安全系数2，作为周向(切向)载荷输 人SW6零部件部分，进行局部应力的校核计算。 符号说明 4— 塔器均布载荷，N/mm; Q— 塔器吊装时的重量(包括本体、不可拆内件、偏心载 荷以及人孔等附件的重量),N; L— 塔器总长，mm; m— 轴耳至塔顶的最佳距离，mm; l— 塔器总长与轴耳至塔顶的最佳距离之差，mm; F, , F2— 分别为在轴耳处的起吊力及在塔底处的地面反 力，N; Mm— 吊点外侧段内任意位置处的轴向弯距，N·mm ; M,— 吊点与塔底地面支撑点之间段内任意位置处的轴向 弯距，N·mm; M.Man— 吊点外侧段内的最大轴向弯距，即轴耳处的轴向 弯距，N·mm; 城M..— 吊点与塔底地面支撑点之间段内的最大轴向弯 距，N·mm; x— 吊点外侧段内任意截面距塔顶的距离，mm; Y一 吊点与塔底地面支撑点之间段内任意截面距塔底的 距离，mm; W-一一塔体任意位置处的截面抗弯模量，mm3MM ; W,— 塔体在轴耳处的截面抗弯模量，mm3mm ; 矶— 塔体在吊点与塔底地面支撑点之间段内最大轴向弯 距处的截面抗弯模量，mm3mm ; d;— 塔体内直径，mm; (下转第34页) " 34· 化 工 设 备 与 管 道 2006年第6期 ? ? ? 直敷设完毕，达到强度后将三节焊成整体，整体 吊装。 (4)钢烟囱做好后运输时，在口二端用十字形 角钢加固。 2.3 基础 钢烟囱应设置在土质均匀密实的地基上，基础 上预留地脚锚栓孔洞，待钢烟囱吊装就位后用细石 硷将孔洞灌满。 3 钢烟囱的计算 已知条件:钢烟囱高度为25 m;钢烟囱上口直 径为1. 316 m，下口直径为3. 020 m;钢烟囱壁厚上 部为8 mm，下部为10 mm;钢材为3号钢，焊条为E- 43，风荷载=1. 1 kN/m2;钢烟囱自重78 kN，耐热混 凝土重为98 kN，总重为176 kNo 叭=Rq. B, U. U. 1·1矶 叭 =1.4x1.3x0.7x1.71 x1.1 x1.1=2.64 kN/m2 Wk— 风荷载; Rq— 分项系数; B}— 高度风振系数; Us— 高度变化系数; Uz— 体形系数; Wo— 基本风压。 P,=2.64 x1.316 x17二59. 1 kN P2=2.64 x(1.316+3. 02) /2 x 8 = 45. 8 kN 验算A-A M,=59.1 x8.5=502.35 kN·m W,=0.0096 m3 F,=0. 033 m2 N=176 kN O',二N/凡士M,/巩 =176/0.033士502.35/0.0096=58005 kN/m2 =58 N/mm2<215 N/mm2 验算B-B 风 二59. 1 x 16. 5+45.8 x3.48=1134. 5 kN 二0.073 =0.095 =176/0 2 m .095 11134.5/0.073=17394 kN/m =17.4 N/mm2<215 N/mm2 4 开口处补强 在钢烟囱连接烟道或开人孔处，凡开孔大于 巧0 mm以上时，应给于补强，一般用 150 mm x 8 mm钢板，在开孔处进行补强。 5 腐蚀裕度 钢烟囱如用耐热混凝土衬里时，可不留腐蚀裕 度，其它钢烟囱一般应留至少为1. 6 mm腐蚀裕度， 钢烟囱最小壁厚不小于5 mm o 6 工艺专业向土建专业提供设计钢烟囱的 条件 (1)钢烟囱的座标、平、立面图、表注高度、 直径。 (2)钢烟囱排放废气的名称、成份、温度、有无 腐蚀性。 (3)烟道、人孔的位置、尺寸和标高。 (上接第29页) So— 塔器筒体顶部壁厚，mm; S— 塔器筒体任意位置处的壁厚，mm; A— 塔器筒体底部壁厚与顶部壁厚之差，mm; k— 塔器筒体理论计算厚度线的斜率，无量刚; Q,— 轴耳截面上的最大轴向拉、压应力，MPa; 。2— 吊点与塔底地面支撑点之间段内最大轴向弯距截面 上的最大轴向拉、压应力，MPa ; A— 轴耳的最佳位置系数，为m与L之比，无量刚; 6— 塔体壁厚的不等厚系数，为△与之80比，无量刚。 参 月片岁忆献 1 JB/T4710-2005钢制塔式容器〔s] 2 李冰.立式圆筒储罐最经济内径的计算方法「J].化工设备与管 道，2000,37(3)