应用起重机滑移法吊装大型设备的工艺分析

・设备安装技术・
应用起重机滑移法吊装大型设备的工艺分析
周庆臣
(中国石化集团第三建设公司,镇海315207)
摘　要:根据近年来应用大型起重机采用滑移法进行石油化工装置大型塔类、反应器类设
备吊装的工程实践,
对提升滑移阶段各种提升状态进行了力学分析,并在此基础上,从吊装工艺的优劣性方面对设备尾部支承点偏心和提升偏角的影响进行了论述。

文章侧重论述了设备的脱排问题,认为只要控制好提升力并在尾部有一定约束的情况下,均可实现平稳顺利脱排,为此提供了理论依据和工艺操作意见。

关键词:吊装状态;工艺过程;尾部滑移系统;脱排
中图分类号:T U758.15:TE962 文献标识码:B 文章编号:1002-3607(2001)S O -0003-03
自1996年以来,本公司在大型石油化工设备的吊装作业中,已全部采用大型起重机吊装,除特大型
设备尚需准备用桅杆吊装之外,已基本上淘汰了桅杆。

期间应用500t 起重机单机整体吊装100t 以上的塔类、反应器类设备共16台,其中200t 以上的5台,400t 的1台,而且均采用滑移法吊装。

应用桅杆进行大型设备滑移法吊装在技术上已经比较娴熟,而对于起重机吊装技术还处于逐步熟悉的过程,如对于桅杆吊装技术中的某些环节可进行简略处理,而对于起重机吊装技术中的同类环节却有必要进行细致的分析研究以求清晰。

本文通过应用起重机进行大型设备滑移法吊装的工艺分析,澄清在这方面存在的某些模糊认识,以利于正确合理地设计与指导吊装工艺过程。

1　提升滑移阶段各种提升吊装状态的
力学分析
将设备从处于卧态(一般设定为水平状态)始
吊,至达到自由回转临界状态(尾部对称两支承点连线过设备轴心时不存在该状态)之前这个阶段作为提升滑移阶段。

在该阶段中,根据起重机吊钩滑轮组的张角分类为垂直提升、正向偏角提升和反向偏角提升三种吊装状态,见图1。

各种提升吊装状态力学分析如下:
(a )垂直提升状态　b 正向偏角提升状态　c 反向偏角提升状态
图1　提升滑移阶段各种提升吊装状态计算简图
(1)按正向偏角提升吊装状态推导P 和N 的
表达式:
L 3=L 2cos
θ-a sin θL 4=L 1cos
θ-a sin θh =L 1sin θ+a cos
θ由6M 0=0,有:
P L 4cos γ-Ph sin γ-G L 3=0　P =
G L 3
L 4cos γ-h sin γ
将L 3、L 4、h 的表达式代入上式,并经整理,得:
P =
G (L 2cos
θ-a sin θ)L 1cos (θ+γ
)-a sin (θ+γ)(1)由6F y =0,有:
　P cos γ-G +N =0
　N =G -P cos γ(2)或者:
2安 装 2001年5月
N=G1-
(L2cosθ-a sinθ)cosγL1cos(θ+γ)-a sin(θ+γ)
(2)当出现反向偏角提升吊装状态时,式(1)、
(2)中的γ取负值。

(3)当处于垂直提升吊装状态时,γ=0°,则
　P=G(L2cosθ-a sinθ)
L1cosθ-a sinθ
(3)
　N=G-P(4)或者:
　N=G1-L2cosθ-a sinθL1cosθ-asinθ
(4)当处于垂直提升吊装状态且θ=0时,即设备由水平状态始吊时,则
　P=G L2 L1
　N=G-P
或者:N=G1-L2 L1
2　提升滑移阶段a值对工艺过程的影响
采用滑移法吊装,设备尾部的支承结构形式在各施工单位间相比较存在差异,但不管采用哪种支承形式,均可归类为单点支承和对称两点支承,而单支承点或对称两支承点的连线到设备轴线间的距离即为a值。

从力学分析可看出,a值对提升力和尾部竖直支反力有一定影响,进而对吊装工艺过程有一定的影响,无论是桅杆吊装还是起重机吊装,这种影响均存在。

由于桅杆吊装系统复杂,操作要素较多,这种影响往往被有意或无意地忽略,而起重机吊装提升系统变得很简单,尾部运行就格外引起关注。

据式(3)当a=0时,从始吊至将设备吊至垂直之前的整个过程中,垂直提升时的P值始终保持不变,正偏角提升时(假定偏角不变)P值递增。

相应地,尾部竖直支反力或保持不变,或递减,这样便不会额外增加尾部负担,是比较理想的一种情况,但在工程实际中,这种情况不多。

绝大多数的情况是a≠0。

从前面的力学分析式(1)不难看出,这类情况下,随着提升滑移过程的进行,即随着θ值的增大,垂直提升力或非垂直(但偏角不大时)提升力则递减。

当设备达到自由回转临界状态时,在该点P值突变为0。

从前面的力学分析还可看出,相对于L1、L2而言,a值越大,提升力在每单位θ角内的递减幅度则越大。

提升力递减的负面影响,或者说a值的负面影响是:使尾部支反力增大,即使尾部运行机构载荷增大,特别是提升滑移阶段的后期,增加幅度较大。

对此,从事大型设备吊装的人员应有清晰的认识。

尾部运行机构载荷增大,必然要加大尾部设施的规格,这不仅使费用增加,而且容易发生故障,直接影响吊装过程的顺利进行。

在提升滑移过程中,让可以负荷设备全部质量的起重机负荷量越来越小,而让比较简陋的尾部设施负荷越来越重,显然是欠合理的。

因此,在可能的情况下,应尽力减小a 值,特别是应避免尾部单点支承。

3　提升滑移阶段γ值对工艺过程的影响
应用起重机采用滑移法进行吊装,归纳起来有两大关键系统,一是提升系统,一是尾部滑移系统。

如前面所说,在提升滑移阶段起重机有较大的负荷裕量,只要满足空间条件和相关的安全技术规定即可,采用何种吊装状态对提升系统本身关系并不大,但对于尾部滑移系统却有一定的影响,甚至有时会产生严重的影响。

把关注点放在尾部对各种吊装状态进行工艺上的优劣性分析,有利于正确指导吊装指挥和操作,使吊装过程顺利。

按传统认识,在提升滑移阶段以保持垂直提升吊装状态为最佳,并以此作为吊装指挥的基本原则之一,但按本文图1三种状态,结合公式(3)、(4)举例进行力学分析对比(编者注:本文略,读者可自行计算),结果是:正偏角提升尾部支反力最小,垂直提升尾部支反力较大,而反向偏角提升尾部支反力最大。

很显然,垂直提升吊装状态不是最佳吊装状态,而保持适度的(国内有关规定为最大不超过3°)正向偏角即适度的正向γ值具有明显的优越性。

反向偏角提升状态是应该被禁止的,绝对是有害无益。

另外,当a≠0时,在达到自由回转临界角之前,欲遏制提升力的迅速递减,增大提升力只能靠适度的正向偏角。

现代化的大型起重机有准确的载荷显示,利用这一优势,并利用允许的偏角值,可有效地控制整个
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增　刊 周庆臣:应用起重机滑移法吊装大型设备的工艺分析
提升滑移阶段提升载荷水平,以减轻尾部负担,使吊装过程顺利。

4　脱排问题
吊装进程达到自由回转临界角时,即进入脱排阶段,滑移法吊装工艺的脱排问题是起重工程界的一个热门话题。

人们依据这假设,即按提升滑移阶段的力学分析,设备达到自由回转临界角时,图1中L3=0,则提升力P必为0。

由此推理,在提升力为0的情况下,超过了临界角,自然会发生自由回转。

为此,在工程实际中,采取各式各样的措施予以防范控制,如在尾部支垫,在上部设拉绳,在溜尾和前牵设施辅助下提前脱排等。

工程实践表明不是这么回事,其理论依据是:当设备处于自由回转临界状态时,对吊装工艺而言,可认为提升滑移阶段的力学分析模式不再适用,应按如下模式进行力学分析。

以吊点为回转中心,此时,对于该回转中心的重力矩,尾部竖向支反力矩和向前滑移的阻力矩形成瞬间平衡,见图2。

L3=(L1-L2)cosθ
h=L2ctgθcosθ+L1sinθ
由6M0=0,有:
　G L3-NL3-f h=0
可以认为,此时该系统是一个一次超静定系统,给定一个N值,即令N=KG,而f=P sinγ,则上式变为:
(1-K)G L3-Ph sinγ=0
则　P=(1-K)G L3
h sinγ
将L3、h表达式代入上式,有:
P=
(1-K)(L1-L2)G cosθ
(L2ctgθcosθ+L1sinθ)sinγ
(5)
将(5)式稍作变化,为:
P sinγ=(1-K)(L1-L2)G cosθL2ctgθcosθ+L1sinθ
由N=KG,有:
　P cosγ=(1-K)G
以上两式联立,可求解γ值,进而可求解P值。

自由回转临界状态下,
根据L1、L2及a值,γ有一个对应值,与K值无关。

按式(5)计算P值,只要K<1,则P值就不可能为0,也就不可能发生自由回转。

式(5)是通过自
由回转临界角时正确操作工艺过程的理论依据。

超过临界角后的吊装状态见图3,仍以吊点为回转中心进行力学分析。

图2　设备处于自由回转临界角　图3　超过自由回转临界角后状态的计算简图 吊装状态计算简图
L3=L1cosθ-a sinθ
L4=(L1-L2)cosθ
h=L1sinθ+a cosθ
由6M0=0,有:
G L4-NL3-f h=0
令N=KG,而f=P sinγ,则上式变为:
G L4-KG L3-Ph sinγ=0
则　P=
G(L4-K L3)
h sinγ
将L3、L4、h的表达式代入上式,有:
P=
G(L1-L2-K L1)cosθ+Ka sinθ
(L1sinθ+a cosθ)sinγ
(6)
式(6)中γ的求解方法同式(5)中γ求解方法。

当过吊点垂线通过尾部支承点时,
P=
G(L1-L2)cosθ
(L1sinθ+a cosθ)sinγ
在式(5)和式(6)的推导和应用过程中,均需设定N值,这在本质上是设定P值。

这与工程实践是完全吻合的,表明在脱排阶段,提升力水平是可控的,而且可以控制在较高的水平上,并使之逐渐接近设备重力。

当然,自由回转临界状态及其后,也可以尾部支承点为回转中心进行力学分析。

从以上的工艺分析可以看出,脱排不存在问题,整个过程应是很平稳的,而且不会使尾部支承点承受过大的力,不必采取额外的辅助措施。

收稿日期:2000-05-11
4安 装 2001年5月。