晋北铝业蒸发系统大型设备吊装方案研究.doc

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山东电建建设集团有限公司 周 哲 刘永

摘要：山西鲁能晋北铝业有限公司二期100万吨氧化铝扩建工程蒸发系统是我公司首次承担的有色金属行业安装项目，蒸发系统大小设备88台，其中60吨以上的设备多达24台，100吨以上的设备8台。设备到场后卸车、运输及吊装使用大型机械较频繁。本工程吊装方案的亮点在于：现场施工地狭小，设备众多，通过合理组织设备到货顺序、时间和划分设备存放区域，做到定置放置，减少设备二次运输；同时为防止吊装过程中设备顶部法兰对钢丝绳的磨损，现场制作内支撑式吊梁，提高了吊装的可靠性和安全性。
关键词：蒸发器 定置 吊梁
一、前言
鲁能晋北铝业蒸发系统由4台蒸发站组成，每个系列蒸发站的设备包括：自蒸发器、Ⅰ效-Ⅵ效管式降膜蒸发器、强制循环蒸发器及冷凝罐，大小设备数量88台，其中5、6效管式降膜蒸发器加热室最重，重约154.2吨，如何在有限的施工区域内安排设备存放，影响施工进度和机械的使用效率，并增加二次搬运费用；设备到货状态为卧式，设备吊装时要先翻身直立，再吊到钢支架上；如图一所示，蒸发器顶部法兰比壳体宽，吊装过程中容易磨损钢丝绳，壳体管座在设备翻身直立过程中影响钢丝绳的翻动，从而降低吊装可靠性和安全性。
二、设备参数
蒸发系统主要设备参数如下表所示
序号
设备名称
外型尺寸（m）
直径×长度
设备重量（t）
数量（台）
1
Ⅰ效管式蒸发器分离室
￠4.2×9.69
19.9
4
2
Ⅰ效管式蒸发器加热室
￠2.6×10.46
75.3
4
3
Ⅱ效管式蒸发器分离室
￠4.2×9.71
22.8
4
4
Ⅱ效管式蒸发器加热室
￠2.3×10.32
63.9
4
5
Ⅲ效管式蒸发器分离室
￠4.2×9.71
22.5
4
6
Ⅲ效管式蒸发器加热室
￠2.3×10.32
63.1
4
7
Ⅳ效管式蒸发器分离室
￠4.2×11.2
分两段到货，每段19t
8
8
Ⅳ效管式蒸发器加热室
￠2.3×9.61
63.5
4
9
Ⅴ效管式蒸发器分离室
￠6×11.86
分两段到货，每段27t
8
10
Ⅴ效管式蒸发器加热室
￠3.5×10.2
154.2
4
11
Ⅵ效管式蒸发器分离室
￠6×13.56
分两段到货，每段38.7t
8
12
Ⅵ效管式蒸发器加热室
￠3.5×9.37
153.8
4
13
第一自蒸发器
￠3.3×12.85
20.8
4
14
第二自蒸发器
￠3.3×12.85
21
4
15
第三自蒸发器
￠3.3×12.85
23.3
4
16
强制循环蒸发器加热室
￠1.6×10
27.6
4
17
强制循环蒸发器分离室
￠4.2×7
29.5
4
三、现场设备定置摆放方案
蒸发系统大小设备共88台，数量多，体积大，而且设备厂家在现场组装5效和6效蒸发器加热室，更增加了占地面积。施工场地狭小，合理的划分现场设备摆放区域，能有效地减少设备二次倒运的费用。自蒸发器安装在4.25m AB列钢结构平台上，1至6效蒸发器安装在8.75m CD列钢结构平台上，强制循环蒸发器安装在17.5m CD列钢结构平台上。根据设备的安装位置确定设备的吊装顺序，即自蒸发器 蒸发器裙座 蒸发器分离室 1至4效蒸发器加热室 5.6效蒸发器加热室 强效蒸发器。在开工之前积极同厂家联系沟通确定了每个系列设备进厂顺序，即自蒸发器 蒸发器裙座 5、6效蒸发器加热室 1至6效蒸发器分离室 1至4效蒸发器加热室和强效蒸发器。厂家现场组装5效和6效蒸发器加热室周期长，为不影响吊装，需尽早进厂。现场设备摆放区域由设备进厂顺序、吊装顺序和平面布置决定，同时为降低二次搬运费用，减少大型平板车的使用，重量轻的蒸发器分离室摆放在组合场，其余设备进厂后直接运至吊装现场。吊装现场设备的摆放情况如图二所示。
四、总体吊装方案
管式降膜蒸发器的裙座、分离室和加热室分开吊装，先将蒸发器的裙座就位焊接牢固，再依次吊装分离室和加热室。为方便吊装，8.75m以上的CD列钢结构应缓装。4个系列蒸发站的1、5、6效蒸发器加热室具备条件后集中吊装。CC1800、CC600履带吊布置在蒸发站北侧，吊车布置如图三所示。蒸发器加热室到货状态为卧式，吊装时要先翻身直立，翻身采用抬吊法。1至4效蒸发器加热室和强制循环蒸发器加热室用CC600履带吊和50t汽车吊抬吊翻身，直立后用CC600履带吊吊装就位，1、5、6效蒸发器加热室用CC1800、CC600履带吊抬吊翻身，直立后用CC1800履带吊吊装就位；蒸发器分离室直接用CC600履带吊吊装就位；自蒸发器用50t汽车吊直接吊装就位。吊装吊耳选用设备本身自带的管式吊耳，管式吊耳的制作安装执行《化工设备吊耳及工程技术要求》（HG\T21574-2008）的有关要求。
五、具体吊装方案
加热室顶部法兰的端部棱角在吊装过程中容易磨损钢丝绳，壳体取样管座在设备翻身直立过程中也影响钢丝绳的翻动，为确保吊装安全，现场制作支撑吊梁，满足吊装需要，支撑吊梁的型式如图四所示，吊梁用φ325×8mm的无缝钢管制作，在其两侧焊接挡板，φ52mm的钢丝绳从中穿过，在梁上方焊接两个板式吊耳，吊装时φ17.5的钢丝绳通过该吊耳与梁连接，吊耳选用10mm厚的Q235钢板制作，其尺寸为200×200，挡板选用6mm厚的Q235钢板制作，其尺寸为100×200，吊耳与挡板通过焊接方式与梁连接，焊条选用T507焊条，角焊缝K=8mm,吊梁通过φ17.5的钢丝绳悬挂固定。吊梁的长度根据加热室壳体管座间距、吊耳间距和φ52钢丝绳的直径而定，如图一所示，管座间距3900，吊耳间距4200，设吊梁长度L =3900，两侧φ52钢丝绳内侧间距L1=3900＋4×52=4108，L＜L1，说明吊梁长度是合适的，其强度计算见吊梁的有关计算。

所有蒸发器设备中5效蒸发器加热室最重，以其为例进行吊装方案说明：5效管式降膜蒸发器加热室的吊装采用CC1800履带吊作为主吊、CC600履带吊抬尾的滑移法。主吊钢丝绳与设备吊耳连接，付吊钢丝绳连接在加热室下部0.5m处。加热室重量为154.2t ，初始抬吊时CC1800主吊受力和CC600付吊受力一致，各负荷为77.1t，随着加热器的缓慢竖立，CC600履带吊受力会越来越小，CC1800受力会越来越大，最终CC1800受力为154.2吨。然后将CC600履带吊松钩，CC1800将加热器起吊离开地面约0.5m，静止5至6分钟，检查吊车制动及各部分受力情况，确保无误后将加热器进行起吊和下降2次，再次检查制动及其它各部位无误后，方可正式起吊。CC1800履带吊选用54m主臂工况，作业半径r=10m,额定起重量167t,负荷率η=154.2/（167-6.5）×100%=96.6% ；吊装选用φ52mm×18m环型钢丝绳扣2对，八股受力，钢丝绳通过与吊耳连接吊装。φ52mm钢丝绳的破断拉力总合为1705.0KN,此时钢丝绳的安全系数为：K=170.5×8×0.82/154.15=7.2倍,满足安全要求。CC600履带吊选用36m主臂工况，作业半径r=7m,额定起重量87t,负荷率η=77.1/（87-2）×100%=90.7%，吊装选用φ36×20m钢丝绳2对，八股受力，钢丝绳通过4个20t卡环与加热室下部壳体牢固捆扎在一起。φ36钢丝绳的破断拉力总合为600.0KN, 此时钢丝绳的安全系数为：K=60×8×0.82/77.1=5.12倍,满足安全要求。
六、蒸发器正式吊装
1.待试起吊情况一切正常，各责任人员在吊装命令书中签字，现场总指挥下达吊装命令后方可正式吊装。
2.在起吊过程中，应使设备平稳缓缓上升，不得出现跳动摇摆及钢丝绳扭转现象，为防止设备在吊装过程中，左右摇摆，应在设备两侧预先拴好控制绳。
3.Ⅴ效和Ⅵ效管式加热室吊装时应保持CC1800和CC600两台车速度协调一致。
4.吊装中应时刻注意观察吊杆、吊钩和钢丝绳等工作情况，严防松动，同时严密观测吊装安全距离及履带吊处地基变化情况。
七、施工中应注意的几个问题
1.吊装场地必须满足吊车施工要求，在吊装场地自然地坪上回填晒干土，每300mm机械夯实一次，夯实之前需进行洒水，铺设至零米标高后平整浇水湿透，用大型压路机压实，压实系数0.95，回填施工完毕后委托土建实验室进行地耐力试验，试验结果为216KPa,查CC1800履带吊说明书要求其最大接地比压为136 KPa，由此可知吊装场地地基强度符合要求。
2. 蒸发站8.75m钢结构安装完并经验收合格后，方可进行蒸发器设备吊装。8.75m CD列以上的钢结构在加热室吊装完后方可安装。
3、施工前应按照《大型设备吊装工程施工工艺标准》（SHT3515-2003）的要求建立大件吊装安全质保体系，在吊装准备和施工过程中安全质量保证体系应正常运转，严格按照安全质量保证体系进行三级检查，确保无误后方可吊装。
4、在分离室吊装找正焊接完后才能吊装蒸发器加热室。
八、吊梁有关计算
1.吊梁的强度和稳定性计算：
吊梁的材质为20钢，其许用应力为[σ]=226/1.6=141.2MPa。
如附图所示，吊梁的受力分析：钢丝绳的斜拉力（P1），垂直向下的力（P2），二者的合力为平衡梁受的压力（P3）
已知P2=154.2÷2=77.1t 平衡梁长度为3.9m，根据平行四边形原理，作P1 和P2的合力P3 , 作图法求得：P3=22.4t，分解P3，水平方向的力（P4），垂直方向向下的力（P5），作图法求得：P4=22.1t，P5=3.4t。
φ325×8mm钢管中性轴的惯性矩
惯性矩：I=π（3254-3094）/64=100×106 mm4
截面模量：W= I/（325/2）=615385mm3
钢管的截面积为A=π（3252-3092）/4=7963mm2
惯性半径i=(I/A)0.5=(100×106/7963)0.5=112mm
长细比λx=μL/i=1×3900/112=34.8mm
L：力矩最大作用长度，L=3900mm
μ：长细比系数, μ=1
k1为动载系数，取1.1
计算载荷P40=P4×k1=22.1×1.1=24.3t
受压杆件的折减系数φ=0.954(查钢结构设计手册)
压应力：σn = P40/φA＝243000/0.954×7963=31.98MPa
弯矩M= P40×163＝243000×163＝39609000Nmm
弯应力：σw＝ M/W=39609000/615385=64.3MPａ
吊梁最大应力σmax =σw+σn=31.98+64.3=96.2MPａ＜[σ]= 140.625MPa
φ325×8mm钢管吊梁强度和稳定性满足要求。
2.φ17.5钢丝绳的强度校核
吊梁的自重M=0.24t， P4与钢丝绳中心线的夹角β，tanβ=1.95/6.5=0.3 β=16.5º
φ17.5钢丝绳拉力P6= P5÷cos16.5º+M=3.55+0.12=3.67t
φ17.5mm钢丝绳的破断拉力总合为124KN,此时钢丝绳的安全系数为: K=12.4×2×0.82/3.67=5.54倍,满足安全要求。
3.4吊梁吊耳和焊缝强度校核
吊耳受力分析简如图六所示，A-A截面为最危险截面， 吊耳用Q235钢板，其许用应力为：[σ]=225/1.6=140.625MPa，[τ]=0.6[σ] =84.375MPa，N=1.6(材料的安全系数)
设A-A截面积S,拉力P7在吊耳板上产生的剪力τ= P7/S, P7=P5=3.4t,为满足吊耳强度要求，则τ〈 [τ]=84.375MPa,计算求得S 〉0.4ｍｍ2，吊耳壁厚δ〉0.4/0.2=2mm，吊耳实际厚度为10mm，可见吊耳厚度符合要求。

焊缝结构示意图

通过受力分析，从A点到直线BC的垂线沿焊缝长度方向上组成的截面受力时是最易破坏的截面，下面来计算该焊缝能承受的最大拉力：
单个焊缝面积（S）计算：
S=|AC|×（21/2）－1×L
|AC|：AC边的长度，12mm
L：焊缝长度，取有效长度200mm
S=|AC|×（21/2）－1×L＝8×（21/2）－1×200＝1131mm2
焊缝所能承受的最大拉力：
F＝4λS×[τ]
F：焊缝所能承受的拉力，N
λ：焊缝系数，取0.7
F＝4λS×[τ]＝4×0.7×1131×10－6×84.375×106＝267198N＝26.7t﹥P5=3.4t
焊缝强度符合要求。
附图吊梁受力分析

参考资料：
1、《建筑施工手册》第四版
2、《钢结构设计手册》第二版
3、《大型设备吊装工程施工工艺标准》SHT3515-2003
4、《化工设备吊耳及工程技术要求》HG\T21574-2008
5、设备厂家有关图纸

作者简介：
刘永，1991年毕业于武汉水利电力学院，高级工程师，参加工作后一直从事电力基建工作。
周哲，1993年毕业于华东理工大学，高级工程师，参加工作后一直从事电力基建工作。

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