论文部分内容阅读
【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
CO2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G1·L1=G2·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q1=6÷2.7=22222N/m，q2=185.75÷32.8=56631.1N/m，根据主吊点R2力距平衡公式0.5×1.52×q2+R1×29.5=2.7×q1×32.65+0.5×31.32×q2及R1+R2=191.75t得R1=100.46t；R2=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Mmax=R1×14.05-0.5×q×18.552=4821436.6N·m。
（4）筒体截面抵抗矩W=3.14÷32×（29264-28064）÷2926=379013589.1mm3。
（5）塔体外壁材质为Q345R，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T1+T2=1917.5kN及T1=T2得T1=T2=958.75kN，并算得F1=F2=1107.1KN。平衡梁受的内力N为F1×Cos60°=553.55kN。
（2）平衡梁截面积A=3.14×（3772-3572）÷4=11523.8mm2。
（3）查得Q235钢的强度设计值为215N/mm2。
（4）由强度公式σ=N÷A÷ф=553.55÷11523.8÷0.985=48.77N/mm2<215N/mm2，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=1107.1kN，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×k1÷k2）>F’得Fg>k2×F’÷k1（k1荷载不均匀系数取0.82，k2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/mm2、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/mm2、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。
（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.
【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
CO2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G1·L1=G2·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q1=6÷2.7=22222N/m，q2=185.75÷32.8=56631.1N/m，根据主吊点R2力距平衡公式0.5×1.52×q2+R1×29.5=2.7×q1×32.65+0.5×31.32×q2及R1+R2=191.75t得R1=100.46t；R2=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Mmax=R1×14.05-0.5×q×18.552=4821436.6N·m。
（4）筒体截面抵抗矩W=3.14÷32×（29264-28064）÷2926=379013589.1mm3。
（5）塔体外壁材质为Q345R，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T1+T2=1917.5kN及T1=T2得T1=T2=958.75kN，并算得F1=F2=1107.1KN。平衡梁受的内力N为F1×Cos60°=553.55kN。
（2）平衡梁截面积A=3.14×（3772-3572）÷4=11523.8mm2。
（3）查得Q235钢的强度设计值为215N/mm2。
（4）由强度公式σ=N÷A÷ф=553.55÷11523.8÷0.985=48.77N/mm2<215N/mm2，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=1107.1kN，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×k1÷k2）>F’得Fg>k2×F’÷k1（k1荷载不均匀系数取0.82，k2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/mm2、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/mm2、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。
（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.