板式吊耳设计及应用

板孔式吊耳设计及应用
李景乐
（中国石油天然气第一建设公司， 河南·洛阳 471023）
摘 要：本文结合应用实例，对吊装常用板孔式吊耳的设计与校核进行了归纳和总结，弥
补了相关规范涵盖范围的不足，为类似板孔式吊耳的设计及应用提供了良好的借鉴。

关键词：板孔式 吊耳 设计 应用 前 言
在吊装工程中经常使用板孔式吊耳，而相应的规范或参考资料没有大于20t 的板孔式吊耳的相关设计参数。

通常板孔式吊耳的失效形式以吊耳板与设备本体的焊接强度不够及板孔撕裂为多，易造成不安全因素。

所以吊耳板孔的强度和焊缝强度是板孔式吊耳设计的最重要环节。

本文仅介绍单板孔吊耳的设计计算，双板孔吊耳的设计计算参照执行。

1 吊耳板孔的强度计算 1.1 拉曼公式
图1 板孔式吊耳 图2孔壁承压应力分布 图3板孔失效形式
图1为板孔式吊耳的基本形式，即单板孔吊耳。

图2为板孔式吊耳在受外力作用下孔壁承压应力分布情况。

图3为板孔式吊耳板孔强度不够吊耳板被撕裂的主要失效形式示意图。

也就是说板孔失效是吊轴与板孔接触所形成的接触压应力过大，不是造成接触处压溃，而是吊耳在外力的作用下对吊耳板进行的剪切作用引起的。

所以吊装工程中常用拉曼公式来对吊耳板孔进行抗剪强度校验。

拉曼公式板孔校核表达式为：
[]22
v 22
k P R r f d R r
σδ+=⋅≤- （1）
式中：
k —动载系数，k=1.1；
σ—板孔壁承压应力，MPa ；
P —吊耳板所受外力，N ； δ—板孔壁厚度，mm ； d —板孔孔径，mm ；
R —吊耳板外缘有效半径，mm ； r —板孔半径，mm ；
[]v f —吊耳板材料抗剪强度设计值，N/mm 2；
1.2 吊耳参数确定
从（1）式可以看出，当P 、d 卸扣、δ一定时，取
2
222
R r R r
+-适宜的值可最节省材料，
显然
222
2
1R r R r
+>-，令
222
2
1.1R r R r
+=-，则
4.583R r
=。

从理论而言， 4.583R r =较为科学，
但使用单板孔吊耳，还应考虑卸扣和绳扣连接时必须预留的间隙，显然R 值不宜太大。

笔者认为，R=(3～4)r 较适宜。

通常设计时，应首先按负荷选定使用的卸扣或受力轴的尺寸，则孔径d=d 卸扣+（10～20）mm 。

因此，吊耳设计时应在R 与δ上进一步做文章。

首先，确定板厚δ，使根部焊缝的强度与设备本体局部稳定性满足要求。

必要时，可延
长焊缝长度或增加筋板加以解决。

图4 吊耳板孔的加强
其次，按R=(3～4)r 选定R 值。

再次，采取加补强板的措施增加板孔局部的强度。

通常在吊耳孔处焊接单或双面补强板。

参见图4。

δδ
通过以上措施可以比较合理的利用材料。

校核时需按照公式（1）中012δδδδ=++，
R R =补强来替换，即补强圈的半径。

2 吊耳板强度计算 2.1 吊耳板材料选择
吊耳板选择材料时，宜选择与母材的材质相同或相近为好。

施工现场一般选择Q235、Q345等普通材质的材料，且可焊性较好。

按《钢结构设计规范》对应的钢材板厚取[]v f 值，只要（1）式成立，吊耳板的强度可满足要求。

2.2 吊耳板焊接与焊缝强度校核
吊耳板焊接应有焊接工艺评定。

焊缝应为连续焊，不应有夹渣、气孔、裂纹等缺陷。

主受力焊缝应按JB4730-2005进行渗透检测，Ⅰ级合格。

焊缝强度按《钢结构设计规范》GB50017-2003选定焊缝的w
f f 值,并进行校核。

焊缝强度计算时，应具体分析。

a. 当吊耳受拉伸作用，焊缝不开坡口或小坡口时，属于角焊缝焊接，焊缝强度按《钢结构设计规范》中式7.1.3-1校核，即：
w
f
f f
e w
N f h l σ
β=
≤⋅ （2）
式中：
f
σ
—垂直于焊缝方向的应力，MPa ；
N —焊缝受力， N=kP=1.4P, 其中k=1.4为可变载荷分项系数，N;
e h —角焊缝的计算厚度，0.7e
f h h =，f h 为焊角尺寸，mm ； w l —角焊缝的计算长度，取角焊缝实际长度减去2f h ，mm ；
f
β
—角焊缝的强度设计增大系数，取 1.0f β=； w
f
f —角焊缝的强度设计值，N/mm 2
；
b ．当吊耳受拉伸作用，吊耳板采用双面505±
坡口满焊时，可按对接焊缝校核，即：
k 0.7(2)w
f f
P f L σδδ
=
≤-⋅ （3）
式中：
k —动载系数，k=1.1； L —焊缝长度，mm ；
δ—吊耳板焊接处母材板厚，mm ； 其他符号意义同上。

c ．当焊缝在三向应力状态下受力时，按材料力学第四强度理论校核，即：
w
f f
f σ=≤ （4）
式中：
σN —焊缝所受轴向应力，MPa ； M σ—焊缝所受弯曲应力，MPa ； τ —焊缝所受剪切应力，MPa ；
应当指出，虽然焊缝的强度计算满足要求，但由于吊耳板与设备焊接处产生的焊接应力及连接面较小产生的应力集中，使用吊耳时也不可能在设计的理想状态下受力等原因，可能造成设备局部变形或将母材撕裂等不良后果。

因此，应有以下有效安全措施：一是对焊缝进行焊后热处理，以消除焊接应力，特别是当吊耳板的厚度达到规范要求焊后热处理的厚度时，必须进行进行焊后热处理；二是在吊耳板与设备之间焊接连接筋板，增大了焊缝受力面积，同时也加强了局部稳定性。

焊缝强度计算时，应在不考虑连接筋板的作用下强度和局部稳定性同时满足要求。

3 板式吊耳设计校核示例
某设备吊装抬尾需设计一载荷P=50t 的板式吊耳，材质Q235A 。

选择55t 卸扣，卸扣轴直径70mm ，取板孔r=45mm ，R=200mm ，175m m =补R ，030mm δ=，1216m m δδ==，焊缝长度L=400mm 。

Q235A 强度设计值120M Pa v f =， 160M Pa w
f f =（GB50017-2003）。

参照图4。

拉曼公式校核吊耳板孔强度
[]222
2
1.1509800
17545110.36290
17545
v M Pa f σ⨯⨯+=
⨯
=<⨯-
板孔强度满足要求。

抬尾吊耳在受力最大时为拉伸状态，按吊耳受拉伸校核焊缝强度。

由式（2）按角焊缝校核
1.4509800
88.30.715(400215)2
w f
f M Pa f σ
⨯⨯⎡⎤=
=<⎣⎦⨯⨯-⨯⨯ 由式（3）按对接焊缝校核
1.1509800
75.50.730(400230)
w
f
f M Pa f σ
⨯⨯⎡⎤=
=<⎣⎦⨯⨯-⨯，结果与（2）相差不大。

焊缝强度满足要求。

4 结语
我公司在惠州炼油项目1200万吨/年炼油工程大件设备吊装B 标段施工中，通过对单板孔吊耳设计计算的规范化，用EXCEL 建立了本文所述的力学模型，快速输出数据，用CAD 软件将其按1：1比例绘出满足吊装负载能力的吊耳施工图，在较短时间内顺利完成56台设备的吊耳设计工作并提交到设备制造厂，达到了事半功倍的效果。

参考文献
1.《钢结构设计规范》，GB 50017—2003，北京：中国计划出版社，2003
2.《大型塔类设备吊装安全规程》，SY 6279—1997，北京：中国石油出版社，1998
3.《材料力学》 北京：清华大学出版社，2007。