塔类设备双机滑移法的吊装计算及有限元分析_沈玉辉

塔类设备双机滑移法的吊装计算及有限元分析

【摘要】本文以2010年长岭1号气田地面工程二期工程脱碳区CO2吸收塔的吊装为例，介绍如何通过计算进行吊耳、吊具和吊车的选择，如何利用CATIA及ABAQUS软件计算并校核塔器、吊索和吊耳的应力水平，进而对应力水平较高部位提出切实有效的改进措施。

【关键词】塔类；滑移法；吊装计算；有限元

前言

双机滑移法广泛应用于油气田塔类设备的吊装，即主吊车吊住塔重心以上的主吊耳，吊点起升时，塔尾部随着向吊点方向移动（用辅助吊车将尾部抬离地面，向吊点方向抬送），当吊点起升至一定高度时，塔由卧态转变为立态。

经过我们对塔器吊装的准确计算，可以合理的选择吊车、吊具。通过软件对吊装过程中的危险姿态进行有限元计算分析，可验证塔体、吊装工具在各个姿态下的应力是否满足材料的强度要求，以及有针对性的对局部危险部位提出改进措施。

1.被吊装设备概述

CO 2吸收塔的外壁材质为Q345R，壁厚60毫米，外径2.926米，内径2.806米，高度35.5米，重量223吨（含填料43吨）。裙座高度2.7米，重6吨。预制梯子平台重6.75吨，预制工艺管线重5吨。

2.吊装计算

2.1确定塔的重心

塔体受力情况如图1所示。

由对重心G点力矩平衡公式G 1?L 1=G 2?L得L=0.55m。即塔体的重心位置在距离裙座底板18.55米处。

2.2确定主吊点、辅助吊点

初步设置主吊点在距离塔顶封头顶部1.5m的位置上，辅助吊点设置在距离底座4.5m位置上。塔体受力简图如图2所示，支点即为吊点。

(1)知q 1=6÷2.7=22222N/m，q 2=185.75÷32.8=56631.1N/m，根据

主吊点R 2力距平衡公式0.5×1.52

×q 2+R 1×29.5=2.7×q 1×32.65+0.5×31.32×q 2及R 1+R 2=191.75t得R 1=100.46t；R 2=91.29t。

(2)均布载荷q=1917500kN ÷35.5=54014.1N/m。

(3)塔体重心截面上最大弯矩M m a x =R 1×14.05-0.5×q ×18.552=4821436.6N ?m。

(4)筒体截面抵抗矩W =3.14÷32×(29264-28064)÷2926=379013589.1mm 3。

(5)塔体外壁材质为Q 345R ，查得塔体外壁许用应力为[σ]=157Mpa。

(6)根据强度公式σ=Mmax÷W=4821436.6÷379013589.1=12.72MPa <[σ]，即在水平起吊过程弯矩是安全的。

2.3 选用主吊耳、副吊耳

根据HG/T21574-2008并结合塔的直径、单个吊耳吊重，选用

沈玉辉

大庆油田工程建设有限公司安装公司

AXC-700-32（垫板厚度）型轴式吊耳，吊耳材质：板材为Q345R，管材

为16Mn，垫板为Q345R。

2.4确定平衡梁

为保证吊装安全，吊装时采用平衡梁以消除吊装时的不平衡性。采用长3.5米Φ377×10钢管（材质为Q235B）制作。平衡梁受力如图3所示。

(1)由T 1+T 2=1917.5k N 及

T 1=T 2得T 1=T 2=958.75kN，

并算得F 1=F 2=1107.1KN。平衡梁受的内力N为F 1×Cos60°=553.55kN。

(2)平衡梁截面积A=3.14×（3772-3572）÷4=11523.8mm 2

。

(3)查得Q235钢的强度设计值为215N/mm 2。

(4)由强度公式σ=N÷A÷ф=553.55÷11523.8÷0.985=48.77N/mm 2

<215N/mm 2，因此选用此平衡梁是安全的。

2.5选择吊具

以钢横梁上侧钢丝绳为研究对象，钢丝绳所受拉力为F=1107.1k N，每侧采用四根钢丝绳，则单根钢丝绳受的拉力为F’=276.775kN。根据钢丝绳稳定条件（Fg×k 1÷k 2）＞F’得Fg＞k 2×F’÷k 1（k 1荷载不均匀系数取0.82，k 2安全系数取6），即Fg＞6×276.775÷0.82=2026kN。经查，型号6×37S+IWR公称抗拉强度

1870N/mm 2

、d＝56mm钢芯钢丝绳，其钢丝破断拉力总和为2090kN＞2026kN，满足吊装要求。因此型号6×37S+IWR公称抗拉强度1870N/

mm 2、d＝56mm钢芯钢丝绳进行吊装是安全的。

2.6选择主吊车、辅助吊车(1)确定起重高度工件高37.85m，基础高0.5m，平衡梁距离工件安全距离5m，吊钩距离平衡梁2.7m，则起重高度为46.05m。

(2)吊车的选择吊装时，吸收塔除去填料自重为180t，梯子重6.75t，工艺管线重5t,平衡梁及索具重2t，则有效载荷为193.75t。550t履带吊在工作半径为12m、杆长49m时，起重能力为203t>193.75t，因此是合理的。250t汽车吊在6m工作半径、出杆20.7m时，载荷为108t>100.46t，因此也是合理的。

3.有限元应力分析

3.1塔体建模及有限元网格化分

塔几何模型及有限元网格的划分如图4、图5所示。

3.2塔和吊索的结构应力分析

(1)主吊耳处应力分布如图6所示。图示塔主吊耳的管轴处存在应力集中，应力达到1184MPa,对此处提出改进措施，现场用与管轴同材质、壁厚18mm的弧板对管轴进行了加强焊接。

图1 受力情况 图2受力简图

图3 平衡梁受力图图4 吸收塔几何模型图 图5 吸收塔有限元网格的划分

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DOI:10.13751/https://www.wendangku.net/doc/bc768069.html,ki.kjyqy.2015.02.189

(2)辅助吊耳及主吊耳的吊绳应力分布如图7、图8所示。辅助吊索应力属于较低应力水平，主吊索应力水平处于中等应力水平，吊索选择安全。

(3)平衡梁及平衡梁辅助吊耳处吊索应力分布如图9、图10所示。平衡梁的应力处于较低应力水平，但两个辅助吊耳处于较高应力状态，现场对平衡梁的辅助吊耳进行了更换，加大了辅助吊耳的规格。平衡梁辅助吊耳处吊索的应力状况属于中等应力水平，局部有应力集中，达到28.8MPa，现场此处连接采用吊环连接方式。

4.吊装实施

2010年10月13日在吉林油田松原长岭1号气田地面二期工程脱碳区，经过四个小时的吊装作业，193.75t重的吸收塔吊装圆满成功。

5.结论

(1)通过准确的吊装计算，可以合理、经济的选择吊耳、吊具及吊车。

(2)利用三维设计软件CATIA及有限元分析软件ABAQUS进行吊装全过程中塔和吊索的结构应力分析，可进一步验证吊耳、吊具通过计算选择的正确性，并可对局部应力较高处提出改进措施。

参考文献

[1]江正荣编著.建筑施工计算手册.第二版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]钢结构设计规范(GB50017-2003).中国计划出版社.

图6 主吊耳处的局部应力分布

图7 辅助吊耳的吊绳应力分布 图8 主吊耳的吊绳应力分布

图9 平衡梁应力分布 图10 平衡梁辅助吊耳处吊索应力分布

的控制目标，从而能够更容易也更为准确地确定这些单元的费用和进度，明确定义及质量要求。

在发动机生产装配线的设计项目中，WBS用于规范设计管理和各工位的设计作业，明确设计工作输出结果，以便于设计项目各项工作的安排、责任落实、计划编制、进度控制和检测。下面就以典型的发动机生产线为例，对整线的工位进行工作结构分解。

发动机总装线一般由缸体装配线，缸盖装配线，活塞装配线和外装线组成，外装线由手动和半自动工位组成，其他3条子线均由滚道、托盘、半自动工位、自动工位组成。对以上四条子装配线进行工作结构分解，直至分解成典型的子机构。具体可参见图1。

4.2以主要子装配体为单元建立标准化模块数据库数据库的底层单元为典型的子装配体，作为功能模块用于搜索，同时子装配体保持和原工位的逻辑关系，工位也可以作为搜索关键词。例如，输入“机座”时会列出机座的类型，选择其中一个类型，会出现以前项目所做过的工位列表和缩略图，点中缩略图，会出现相关工位的信息（工位建于什么时间，用于哪家客户，什么生产线，正式生产后的意见反馈，参考价格等），打开时有打开整个工位和打开该子装配两个选项。如果觉得可以参考，直接另存就可以借为己用，且不影响数据库信息。同时，标准化模块库有可扩充性，当新的项目完成，比较好的工位就可以按类别放入相应的数据库，供新项目使用。

4.3将参考价格输入标准化模块数据库由于非标设备的特殊型，通常以整个项目为基础，将需要加工的零件外包出去，根据零件的类别（粗加工价，精加工价，焊接件等）分发给多家供应商。因此对子装配体没有价格的统计。但是因为每个零件都有价格，只需要在采购系统和设计系统之间建立连接，在查找相似装配体时就可以看到相应的价格。

5.小结

通过对发动机生产装配线的分析，初步建立一个标准化数据库，该数据库不像ERP （Enterprise Resource Planning）那么复杂，功能却有相似性，基于原服务器进行资料的整理和归类，建立链接，既节省成本，又为工程师提供方便，实施简易，在非标行业内有一定的推行价值。

参考文献

[1]韩永胜.关于项目管理中工程进度的控制[J ].研究与探索，2007,2(2):28-30.

[2]符志民.航天项目风险管理[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3] Tom Bucherta,*, Alexander Kaluza, Friedrich A. Halstenberg,Kai Lindowa, Haygazun Haykab, Rainer Starka,b . Science Direct [J], Enabling Product Development Engineers to Select and Combine Methods,2014, 15:413–418

[4]何毅,林罡,张小龙.浅谈通过标准化设计提高油田工程建设的本质安全[J].中国石油和化工标准与质量,2013,24:226-235.

[5]徐江林.项目管理知识体系指南PMBOK指南第5版[M].北京:电子工业出版社,2013.作者简介

王海涛（1981-），女，硕士研究生，2003年毕业于东北林业大学机械设计制造及其自动化专业，现硕士就读于上海理工大学工程管理学院，主要从事机械设计及研究工作。

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