板式吊耳的设计及应力分析.pdf

61第1 1 期板式吊耳的设计及应力分析居慧康（东方电气集团东方锅炉股份有限公司四川自贡6 430 0 1）摘要大型设备起吊翻身作业的可靠与安全是生产作业中的重要环节，在吊装设计中吊耳的设计是最基础也是最重要的一环，一旦出现吊耳失效，将可能导致重大财产损失及人员伤害，本文通过通用经验应力公式及CAE应力分析，给出通用吊耳初设尺寸计算公式，并对其进行应力计算及CAE分析结果进行对比。关键词】吊耳、应力分析、设计近年来国内化工锅炉装备趋向大型化，在设备制造运输及吊装过程中，都存在大量的翻身及吊装作业，在此过程中伴随着大量的设备吊装设计，其中吊耳是使用量很大的一种工艺装备，吊耳在整个吊装过程中，受不同工艺工位要求，受力情况也十分复杂。1吊耳结构及受力模型在制造厂常用吊耳以孔板吊耳形式最为常见，孔板式吊耳是通过轴孔与索具及钢丝绳连接，与吊耳连接通常都使用索具卸扣进行连接，在吊耳设计时我们先要确定起吊方案，通过CAE可以准确求解设备重心位置，通过静平衡分析，确定每只吊耳的受力情况，根据不同情况进行吊耳的受力分析，以进行后期的吊具选型及吊耳的强度及尺寸设计，通过图1、图2 应力云图可以看出，吊耳应力主要集中在轴销孔处，随着受力方向的不同应力分布也发生着变化，在实际吊装作业时受力也不会是一成不变的，设计人员需根据实际情况进行应力分析。图1 垂直起吊受力云图图2 斜向起吊受力云图2吊耳通用强度设计公式吊耳的看似结构简单但是其受力及工况十分复杂，起吊的角度及销轴直径与孔径之间的变化都会对应力产生巨大的影响，而且内部又是多种应力应力相互叠加，特别是销轴孔部位，现阶段工程应用中我们所采用的强度校核公式多为经验简化公式。RAAdD工6图3吊耳设计计算尺寸图作者简介：居慧康（1 9 7 0-），男，大学，工程师，主要从事锅炉压力容器产品制造技术研究。-622023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备2.1A截面吊耳抗拉正应力A-A=KF/S拉力F；K为综合系数1.6 5；面积S 为(2 R-D)x8;强度校验满足A-A；o=os/n;n为安全系数1.6；s为屈服强度(按设计手册中材料及厚度选取);2.2B截面为危险截面，按失效形式强度校核有多种计算公式。2.2.1按剪切T B1=KF/SF为载荷(按图3所示);S为B的截面积(R-D/2)x8;强度校验满足TB0.62.2.2按图3中曲线的撕裂剪切，剪切面积就是前面剪切面积的2 倍；T B2=KF/SF为载荷(按图3所示);S考虑B处发生破坏由线接触变为面接触发生如图七、图八中曲线的撕裂剪切面积为(2 R-D)x8;强度校验满足TB0.6s2.3按挤压危险截面又有局部挤压应力计算，也就是轴销对吊耳孔的挤入应力；2.3.1 0 挤1 =KF/S强度校验满足o挤 osS为轴的纵向截面在孔上的投影S=dX8；2.3.2挤压应力计算也有用接触应力计算公式进行校核的，接触应力必须控制孔D与轴d差，差值增加会使接触应力显著增加，实际生产环境吊耳孔不可能与卸扣轴相配，应为卸扣根据材料的不同，相同起吊吨位的卸扣销轴直径会发生变化，很难将孔D与轴d差控制在一个很小的范围内。0 挤2=0.59 1 /(FE(D-d)/8 dD)E为弹性模量强度校验满足挤 2 os在吊耳剪切应力校核时常用拉曼公式进行抗剪校核，但此公式是一个比较有争议的公式，我们按图4所示，在保证C尺寸和厚度不变，同时放大孔D和R的尺寸如下列；D图4第一组 R=10 D=5 C=5第二组 R=20 D=15 C=5拉曼公式=F/D8（2 R）2+D)/（2 R）2-D 我们来比较1/D(（2 R）2+D )/（2 R）2-D）)第一组1/5(1 0 2+5)/(1 0-5)=0.33第二组1/15(202+15)/(202-153)=0.23由此看出第二组的应力数据明显要比第一组低，同样的受力，孔D放大应力明显应该变大，而在这里却变小了，明显与实际不符，所以在使用拉曼公式时必须考虑R和D的关系，严格控制R和D比列关系。如果索具不是卸扣，而是吊钩（D尺寸设计较大时）不能用拉曼公式进行校核。3吊耳的计算及CAE分析对比在进行吊装设计时，吊耳必须在设置在工件重心的竖直平面上，主吊耳设置点需高于重心，钢丝绳起吊夹角建议0 6 0。吊耳材料一般采用Q235，重载时可考虑Q345，对于有些产品材料附件焊接有同材质要求的可按产品材料要求或增加同材质垫板。吊耳尺寸设计即需要满足应力强度设计要求还需要满足卸扣索具连接要求；可以按（表一）推荐进行初步尺寸设计后进行强度校验及CAE仿真验算，如选用合金钢高强卸扣时销轴尺寸偏小，会使吊耳顶部应力增大，设计时需控制D尺寸为销轴尺寸1.1 1.2 倍，可以适当增加厚度减少上部接触挤入应力。-63-居慧康板式吊耳的设计及应力分析第1 1 期表1材料按Q235推荐吊耳初设尺寸材料按Q345推荐吊耳初设尺寸D=1.1dR=D/2+1.05d8=0.8dD=1.1dR=D/2+d8=0.9dd=16VT（按JB8112M4）T 为竖直起吊重量（吨）d=12.5VT（按JB8112S6）T 为竖直起吊重量（吨）下面我们通过一些实例（吊耳材料Q235按d=16T M 4卸扣）对经验公式按（表一）取值计算结果与CAE采用屈服等效应力分析结果进行对比见表二以供实际设计时参考。许用应力按安全系数n=1.6；Q 2 35许用应力为1 46 Mp；综合系数ni=1.35。计算与应力分析结果表2应力计算（综合系数1.6 5）单位：MPANSYS等效应力OA-ATB1TB20挤1拉曼公式。垂直起吊1 0 T38.57738.580.893.19见应力分析图竖直起吊2 0 T37.37537.38091见应力分析图竖直起吊30 T37.274.837.278.290见应力分析图817ANSYS20.354ANSYSANSYSUPR15.0UntMPR15.0R15.0TT2023-6-8:1847787082023-5-8-18.51国5220234111520552.60Ma413401621440437161308281.07328.0电0200:050252.0519054176.0031001010083.35835473386.70166.70950.08550.05150:06-33344623.402334181400816.752147720169110.10234MeL12664垂直起吊1 0 T应力图垂直起吊2 0 T应力图垂直起吊30 T应力图ANSYSANSYS2784R15.0ANSYSR15.0TsEquledent40607R15.02023-5-817202023-817212023-5-011:2306684624.37M01807280.5943253.97 Max425.493621805475190323109216.90079100100700.49800298083210060:05780.03240:08660.06520114O.142982012820.1290.1598445起吊1 0 T应力图45起吊2 0 T应力图45起吊30 T应力图实例（吊耳材料Q345按d=12.5TS6卸扣）对经验公式按表一取值；计算结果及CAE采用屈服等效应力分析结果见表3及后图。许用应力按安全系数n=1.6；Q 345许用应力为2 1 5Mp；综合系数nl=1.35。强度校验需满足o合 1.1 ft0+M+3按GB500172017焊缝连接计算0合OS强度校验需满足一0+M)+T574-20018组合应力0 合按HG/T2TXI-7821/6弯曲应力o-M/WFH/S正应力0=FV/S剪应力642023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备表3应力计算（综合系数1.6 5）单位：MPANSYS等效应力0A-ATB1TB20挤拉曼公式。垂直起吊1 0 T5611256113131见应力分析图竖直起吊2 0 T5711457114133见应力分析图竖直起吊30 T56.711356.7113.4132见应力分析图579ANSYSR15.0202161249947645254810000.076O.155402332031.3877410T起吊应力图上表中应力计算时吊耳设计参数按表一，综合系数按HG/T21574-2008综合系数推荐为1.6 5，按HG/T21574-2018综合系数修订为1.35，本文选用1.6 5倍的综合系数；是考虑综合系数1.6 5的情况下（CAE计算未加入动载荷系数）拉曼公式与CAE应力分析结果较为接近，便于相互比对；在CAE应力分析中对竖直起吊及45起吊进行了应力分析，我们可以看到45起吊应力与竖直起吊应力之比为1.1 7 1.1 8，且会有弯剪应力；可以在设计时作为参考。由上所示随着起吊重量的增加，吊耳板厚8也随之增厚，但是吊耳下半部分的应力并不大，为了提高材料利用率，及适应工厂常规板材厚FRFh工D6LANSYSR15.02023-61814-3310812005.524053313262976710080.144070120.264.3346020T起吊应力图ANSYSHR15.02023-5-1909:15720.7572274485130.322574210000110401792021号0.29918M30T起吊应力图度，可以在起吊重量比较大的时候，采用加强圆环板的吊耳形式，这种形式相当于我们减薄了吊耳下部的板厚，在强度校核时即便是全焊透焊缝也必须增加耳板及焊缝的弯剪组合应力校核。Fv=FCOSaFH=FSINa面积考虑全焊透焊缝，如若不是全焊透焊缝请使用有效焊缝面积计算；S=L8或S=2R8（简化耳版结构计算应力结果更大）(TDIZCOSa（O L O VW=(8(2R)/6(简化耳版结构计算应力结果更大)从上面公式我们可以发现，H值的大小直接影响弯曲应力，在满足使用的要求下，尽量减小H值是有利于应力设计的。(下转6 8 页）(上接6 4页）-68-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备测等。该平台在配电间内还独立设置了一个轨道式智能巡检机器人，可以实时监控现场烟雾、温湿度等环境状况，按照预先设定的时间、内容和标准进行自主巡检，对配电盘内的电气设备逐一进行红外热成像检测、局部放电检测以及图像识别等全方位检测，并对巡检数据形成检测分析报告，帮助人员进行鉴别诊断，进一步提升了无人平台智能化能力。3结语随着海上油田开发的持续深入和提质增效标准的不断提高，无人井口平台将在海上油田得到越来越广泛的应用。本文以某海上无人井口平台为例，在开展方案设计上，尽可能的实现简易化和集成化，提升智能采油技术，简化工艺流程，减少设备设施，使得总体布置更优，作业操作精简高效。在设备选型及可靠性上要求更高，加强自动化、数字化水平建设，充分利用智能化技术手段，实现远程监测和操控功能，减少操作人员的人为干预及作业量，保证平台安全稳定生产，特别是对于开发边际油田有着明显的经济效益。随着科学技术的进一步发展，海上无人驻守井口平台无人化、智能化水平将不断提高，助力构建油气行业发展的新业态、形成新动能。本文也为后期类似海上油田的开发建设提供了一些新的思路。f,按GB50017-2017表4.4.5焊缝强度指标4结束语我们现在所使用的吊耳公式包括正应力、挤压应力、拉曼公式、弯剪组合公式，多为经验简化公式；并不能完全替代应力分析，本文是想通过经验公式给出吊耳的初设值，给出设计初始数据，并进行吊耳常用公式计算，其值与CAE应力分析软件得出的应力值进行比对，通过公式计算结果与CAE结果对比以得到应力情况；应力分析与经验公式计算结果相互印证；吊耳设计关乎设备及人身安全，设计人员必须小心谨慎，吊耳设计除了尺寸强度设计，原材料及焊缝探伤也是不可或缺的，设计人员在设计时需要综合考虑。参考文献1胡冬，郝蕴，王春升，等.南海无人井口平台工艺方案研究 .石油和化工设备，2 0 2 1，2 4(1)：35-37.2李华朋.海上传统无人平台安全生产实践与标准化、智能化迭代的浅见 J.中国石油和化工标准与质量，2 0 2 1，41(19):1-2.3陈迪，朱春丽，钟雨桐。海上数字化无人井口平台设计研究与思考一以渤海某高凝油田无人井口平台设计为例 石油化工应用，2 0 2 0，39(0 7)：9 7-1 0 1.4谭红莹，刘健，司红涛，等.海上无人井口平台设计方案研究 .盐科学与化工，2 0 2 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