空分装置冷箱内容器吊装技术

空分装置冷箱内容器吊装技术

张天武

中冶天工集团有限公司   天津市300301

摘要：本文结合法液空一套40000Nm³/h空分装置，论述了空分装置冷箱内容器吊装技术，说明冷箱内容器吊装的施工重点、难点及吊装工艺流程与施工方法。

吊车选型 双机抬吊 稳定性

空分装置容器多数都是超高、超重设备，分布在预冷系统、纯化系统、分馏系统，吊装时需要大型吊车。其中，分馏系统容器重量比较大，安装位置高，且集中在冷箱内，如中压塔、低压塔、粗氩塔，这些容器一般都是分段制造，需要在现场进行组装对接,吊装空间狭窄，作业难度较大。目前，由于空分制氧装置内容器长度较长，吊装过程中为了保护容器不受损坏，吊装均采用“双机抬吊”的方式。现以法液空一套40000Nm³/h空分装置分馏系统容器为例，阐释容器吊装施工技术。

设备参数表：

容器吊装工艺

1、为保证容器安装精度，冷箱容器安装时，冷箱结构面板需提前安装完成。根据吊装平面布置图，在冷箱一侧（容器吊装侧）面板预留豁口，为设备吊装提供通道。结合冷箱结构的设计参数，设定预留口的高度为36m（主冷箱三层高度）。然后再根据容器的吊装参数确定吊车的选型和吊机的位置，依据吊车的吊装性能表，初步选定主吊车为QUY450t,作业半径22m，主杆长度84m，额定吊装载荷155t；辅助吊车选用QUY150t,工作半径10m，主杆长度22m，额定吊装载荷为69.2t。

2、基础换填

大型机械吊装容器时，对吊装作业区域的地基基础有较高要求，如果地基基础不能满足大型机械的站位要求时必须进行基础的换填。换填标准符合规范《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）要求。换填时，一般采用碎石换填作业区域内的土壤，换填深度根据当地地基的承载能力和大型机械自重、容器重量等各种因素统筹考虑。将软弱土层挖至需要深度，先做砂垫层，振捣振实；再将碎石分层铺设、压实，可采用18t振动式压路机平碾分层碾压，往返碾压4遍以上；每次碾压均与前次碾压轮迹宽度重合一半；最后用毛石人工密排，最上层用碎石找平，碾压密实。换填完成的地基邀请第三方做吊装前的静载试验，静载试验结束并合格满足承载力要求方可进行吊装作业。

3、冷箱容器吊装

容器自地面平抬至吊装半径内，主吊450吨履带吊和辅吊150吨履带吊配合将设备缓慢直立垂直于地面。在此过程中，为了防止容器卡杆，主吊车幅角需根据现场情况逐渐变小，同时缓慢远离吊装侧；辅助吊车则需向吊装侧缓慢移动，逐渐落钩。最后主吊缓慢起钩使得设备地面离开地面200mm左右距离，稳定一段时间后旋转主臂，将设备旋转至冷箱面板预留侧并缓慢起钩，直至将设备提升至豁口以上高度，后续进行主臂的变幅使得设备从豁口处平推进冷箱，冷箱豁口位置四侧分别设置专人进行看护，以免设备磕碰冷箱及内脚手架，设备下落就位过程中，冷箱内看护人员及吊装指挥人员严密关注，容器与冷箱內架的距离。

4、冷箱内容器吊装能力及卡杆校核

依据设备安装技术参数及现场特性，拟采用主吊车单机正吊，遛尾吊车抬尾配合直至容器直立就位。冷箱内的设备中，中压塔（下塔）K01+E02净重91.5吨，为最重设备，现以此容器吊装为例进行吊装能力的核算。

4.1吊车的吊装能力计算：

（1）主吊车的吊装能力计算：

扁担及索具重量2t，钩头及跑绳重4t，设备重91.5t，450吨履带吊吊装半径22米，主臂长度84米，额定起重量155吨，则吊装总荷重/起吊能力为 (2+4+91.5)×1. 1×1.1=117.9吨＜124（155*80%）吨，选用QUY450型450吨履带吊作为主吊车，满足吊装工况要求。

（2）辅吊车的吊装计算：

辅吊车索具重量1t，钩头及跑绳重1.5t，根据设备装卸和运输示意图纸首尾吊耳据设备中心距离，据力矩平衡原理，分析辅吊车在设备平抬时，所承载的重量Fmax= (38.24+1.5+1)×1.1×1.1=49.3t， 辅吊车选用QUY150型150t履带吊，臂杆长22m，作业半径10m，起吊能力69.2t，则吊装总荷重49.3吨＜起吊能力55.36（69.2*80%）吨，满足吊装工况要求。

4.2中压塔K01+E02吊装卡杆核验计算

（1）双车抬吊时,遛尾吊车在容器倾角75°左右时就可以卸载

由于本容器在吊装时平衡梁下选用的钢丝绳为12m，其长度12m>8.13m，所以不会出现在抬吊容器K01+E02时，辅吊的平衡梁与容器相碰的现象。

(2) K01+E02即将进入冷箱前的主吊卡杆验算

QUY450型450吨履带吊工况类型：

主臂 SH 工况;   

主臂长度 (L):84m;

吊车作业半径（R):22m;

回转中心高度(H0)：2.59m;

回转中心距(R0):2m;

主臂尺寸(S): 1.516 m;

吊臂距容器外壁距离(即容器设备半径，设备直径为Φ3.85m) A: 1.925m;

吊车站位地面至主冷箱三层顶距离(H1):36m;

容器从预留豁口通过时距地面高度(H):66m（容器高度与主冷箱第三层高度之和）；

冷箱柱脚板底平面至吊车站位地面距离：0.3m;

冷箱基础中心至主冷箱墙皮距离：3.225m

在CAD中按比例绘制吊装示意图，当塔器旋转臂杆至冷箱附近，由于低压塔起吊至此位置时，臂杆与设备最小距离为0.6m，满足吊装安全要求。

由此可推理，当K01+E02进入冷箱后更加不会卡杆。综合以上计算，吊装时设备及三层冷箱板预留豁口均与主吊臂杆不卡阻，此工况满足安全距离要求。

4.3 钢丝绳及卡环的选择

（1）主吊重物用钢丝绳的选择

主吊重物用钢丝绳选用以最重件中压塔K01+E02为例进行选用，由于中压塔重量为91.5t，考虑扁担梁及绳索重量后为97.5t，考虑不均衡载荷及动载荷系数为117.9t，计划选用钢丝绳Φ60-6×37（a），吊具每侧采用1弯2股，则单股钢丝绳实际承重为117.9t/2/2/cos(α/2)=30.083t，查粗直径钢丝绳GB/T 20067-2017可知Φ60-6×37+1的破断拉力为1980KN=198t，取安全系数K=6，计算安全吊装重量为198÷6=33t>单股钢丝绳实际承重30.083t，满足吊装要求。

主吊重物钢丝绳用的卡环为2个50t的卡环，重物为91.5吨，大于重物重量，满足要求。

(2)辅吊吊具用钢丝绳及卡环的选择

遛尾重量最大值为49.3t。查粗直径钢丝绳GB/T 20067-2017，辅吊吊具选用2只Φ52-6×37+1的钢丝绳，公称抗拉强度为1670MPa的纤维芯压制钢丝绳扣，其破断拉力为149t，长度L1=12m共2根，单根一弯两股，共四股受力，安全系数K=P破/F=4×149×cos(α/2)/49.3=11.4，[K]=6安全，满足遛尾吊装用吊具要求。辅吊吊具钢丝绳用的卡环为2个35t的卡环，其受力为70吨，大于49.3吨，满足要求。

由此可推断，辅吊重物钢丝绳也选用2只φ52-6×37（a）的钢丝绳，每只长度为12m，单根一弯两股，共四股受力，满足遛尾吊装用重物吊装要求。用钢丝绳的卡环为2个35t的卡环，满足吊装要求。

4.4 平衡梁设计选择

（1）主吊扁担梁外形见下图，扁担设计最大吊装能力120吨。

扁担梁设计内力计算：吊具梁Φ219×10钢管的基本尺寸及吊重按下述最大参数演算

基本尺寸如下图所示，吊距间距最大为6m，起吊角度为60°，吊重为120t。根据受力分析。

图中力F为钢索1作用在吊具上力的合力，该力的作用点为与水平方向成15°，通过吊具边钢管中心与钢管的交点。T为穿过吊耳的拉索的拉力，力的作用点为吊耳环的顶部。

通过计算得到：Q=776.16kN，F=401.77 kN，T=60.04kN。

分布线荷载为：q=0.863kN.m，自重引起的跨中弯矩为，自重在构件一与构件二连接处引起的弯矩为。

钢管构件设计计算：

钢管的截面几何特性见下表：

有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS进行分析。用beam4单元模拟变截面梁，用接触单元combin7（又名销栓单元）模拟梁的连接。

按荷载设计值，连接处为销栓单元计算所得最大应力为126.7MPa，小于钢材强度设计值310MPa。

强度、稳定性计算

对最不利截面φ219×10进行强度计算。

（a）强度计算

受压区最大压应力：

强度满足要求。

（b）弯矩作用平面内整体稳定性计算

取计算长度系数μ=1，则，通过查表得。有端弯矩和横向荷载同时作用，使构件产生同向曲率，等效弯矩系数βmx­=1.0。塑性发展系数，计算如下。

平面内稳定性满足要求。

（c）弯矩作用平面外整体稳定性计算

弯矩作用平面外稳定性计算的公式为：

                        （4）

其中μ=1，=0.651，，，。

满足要求。

（2）扁担设计最大吊装能力160吨。

扁担梁设计内力计算：吊具梁Φ377×10钢管的基本尺寸及吊重按下述最大参数演算

根据受力分析

钢丝绳1主要承担吊具和起吊重物的重量，其中吊具的重量为0.9吨。钢丝绳1作用在吊耳上的拉力为T，该力的作用点为与水平方向成60°。

钢丝绳2主要承担起吊重物的重力，通过钢丝绳2的作用可保证待起吊的重物只受竖直方向的力，受力为F。

通过计算得到： F=1034.88 kN，T=788.41kN。

分布线荷载为：q=2.05kN.m，自重引起的跨中弯矩为

钢管构件设计计算：

钢管的截面几何特性见下表：

对最不利截面φ377×10进行强度计算。

（a）强度计算

受压区最大压应力：

强度满足要求。

(b)弯矩作用平面内整体稳定性计算

取计算长度系数μ=1，则，通过查表得。有端弯矩和横向荷载同时作用，使构件产生同向曲率，等效弯矩系数βmx­=1.0。塑性发展系数，计算如下。

平面内稳定性满足要求。

(c)弯矩作用平面外整体稳定性计算

弯矩作用平面外稳定性计算的公式为：                        

其中μ=1，=0.651，，，。

满足要求。

5、吊装安全措施

5.1吊装前施工技术人员应对参加吊装作业的所有人员进行详细技术交底；

5.2吊车站位的地基必须平整夯实、按要求进行换填合格；

5.3所选吊车的性能满足吊装技术条件要求；

5.4吊装所用的机具、索具，必须检查合格后方可使用；

5.5吊装前应进行试吊，观测吊装净距及吊车站位处地基变化情况，发现问题应先将设备放回，故障排除后重新试吊，确认一切正常，方可正式吊装；

5.6吊装过程中，应保持吊装动作平稳，多台吊车抬吊设备时，各吊车间的动作必须协调一致，指挥信号要准确；

容器吊装是空分装置安装的重点和难点，尤其是冷箱内的容器，是整个吊装工程的核心。所以在吊装作业前，要结合容器自身特点，合理选用吊装技术，可以安全、快速、高效的完成安装，为工程的顺利完成提供有利的帮助。

参考文献：

1、《石油化工大型设备吊装工程施工技术规程》    SH/T3515-2017

2、《建筑地基处理技术规范》                    JGJ79-2012

3、《粗直径钢丝绳》                            GB/T20067-2017

4、《石油化工大型设备吊装工程规范》            GB50798-2012