重型反應器的管軸式吊耳設計思路探析

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　　摘 要：吊耳是重型反應器中非常重要的一部分，本文針對重型反應器的尺寸和質量以及工程技術的要求標準，對吊耳的非標結構進行對應的設計，并通過強度計算的結果檢驗吊耳結構的設計是否合理。
　　關鍵詞：重型反應器；管軸式吊耳；載荷強度；結構設計
　　設計重型反應器的吊耳需要考慮到反應器的局部應力，這篇文章中使用的分析對象是一臺立式殼管式結構的反應器，一共分為上下兩段，兩段之間使用法蘭連接，反應器使用304L不銹鋼打造，設備質量為400噸，外徑達到3640毫米，內徑為3600毫米，高度為24.9米，殼體壁厚20毫米，該吊耳的質量中心計算高度為14.15米，筆者將根據這臺重型反應器的相關數據展開對應的計算。
　　1 確定吊耳的設計位置
　　我們在考慮吊耳在反應器中的位置時，需要將兩個因素納入到考慮范圍中，其一是彎曲應力，當設備正處在水平狀態時，這個時候因為設備的自重會出現彎矩，并在反應器的殼體上引發對應的應力，應力是物體遭遇受力、溫度場等外部原因發生變形時，其內部相互作用而產生的內力，這個內力是我們判斷吊耳位置的標準之一，另一個是在設備吊裝時，對吊裝穩定性的確保。管軸式吊耳的特點在于，當設備的質量按照軸線進行均勻化的分布時，它的內側和吊點處的內力是一樣的，那么結合第一點，即彎曲應力的考慮，我們在設計吊耳位置的高度時需要讓其和設備的總高形成0.71的比例，而為了保證吊裝的穩定，吊點位置又必須高出反應器的質心1.5米的高度，那么我們將上述二者進行結合并展開計算即可測得吊耳的設備位置應為17.68米[1]。
　　2 結構設計
　　在前文給出的數據中我們可知，該反應器的殼體壁厚是20毫米，而問題就在于這個厚度不足以負擔吊耳的載荷需求。如果強行不顧及厚度直接安裝吊耳，那么吊耳所帶來的局部應力會讓反應器的殼體出現大凹陷，為了避免這種情況發生，我們需要先進行局部加厚，使其可以承擔吊耳的載荷需求，厚度大概加到60毫米以上，加厚段的高度則為3米左右最佳。另外，這臺重型反應器的內徑為3600毫米，那么吊耳的管軸外徑就需要達到700毫米的口徑，而吊耳長度出于懸臂梁受力的考慮不宜太長，設計要盡量縮短，不過不要短于容繩直徑。本次案例中的容繩直徑為150毫米，吊耳的長度應當大于這個數值，再加上在反應器的上方存在一些位置突出的組件，這些組件會對容繩造成干擾，那么這臺反應器的吊耳長度最好規定為450毫米。在吊耳和殼體部位接近的位置，我們要適當的增加筋板，耳軸的內部也要使用筋板來加強，一般選用60毫米厚度的筋板作為耳軸內部加強筋板最為合適，彼此之間的距離為180毫米。設計吊耳時加墊板能夠減緩吊耳在殼體上的局部應力，因此我們可以根據吊耳的外徑，以外徑數值的1.5倍到2倍來確定墊板的寬度，或者依照殼體壁厚的1倍數值加厚墊板[2]。
　　3 強度計算
　　計算吊耳的受力情況是保障設計合理性以及科學性的關鍵，由于反應器的兩個吊耳是采用平角對稱的方式布置，所以實際上每個吊耳的受力是吊耳載荷的一半。我們先計算吊耳的載荷，在該反應器中的吊耳角度有五個，分別為0°、30°、45°、60°和90°，我們以管軸式吊耳的受力為F1，L1表示其與質心間的距離，溜尾吊耳的受力為F2，L2為其與質心間的距離，R表示溜尾吊耳和設備軸線間的距離，θ表示水平面角度，根據受力平衡和力矩平衡兩個平衡的計算公式：
　　在該反應器設備上，吊耳在吊裝過程中的受力部分始終保持豎直向上，那么我們在計算吊耳的受力將有效受力分解成兩個部分，其中一部分是設備軸向的軸向力，我們用Fa表示。另一個部分是垂直軸線方向的切向力，我們用Ft表示。另外該反應器的吊耳夾角應小于等于15°，那么計算中我們還需要加入一個吊索的法向分力，用Fn表示。最終得出公式如下：
　　4 結語
　　根據上述的計算結果，我們可以準確了解到一臺重型反應器的非標管軸式吊耳的設計需求。根據計算，我們知道了吊耳的結構設計方式以及滿足結構強度的角度，并保證了設備的安全性。
　　參考文獻：
　　[1]王曉敏 大型換熱器吊耳設置[J]石油化工設備技術，2017（12）3-3
　　[2]于鵬 附塔管線吊裝板式吊耳的設計與校核[J]石化技術，2018，3，4，12
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