重型反应器的管轴式吊耳设计思路探析

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　　摘 要：吊耳是重型反应器中非常重要的一部分，本文针对重型反应器的尺寸和质量以及工程技术的要求标准，对吊耳的非标结构进行对应的设计，并通过强度计算的结果检验吊耳结构的设计是否合理。
　　关键词：重型反应器；管轴式吊耳；载荷强度；结构设计
　　设计重型反应器的吊耳需要考虑到反应器的局部应力，这篇文章中使用的分析对象是一台立式壳管式结构的反应器，一共分为上下两段，两段之间使用法兰连接，反应器使用304L不锈钢打造，设备质量为400吨，外径达到3640毫米，内径为3600毫米，高度为24.9米，壳体壁厚20毫米，该吊耳的质量中心计算高度为14.15米，笔者将根据这台重型反应器的相关数据展开对应的计算。
　　1 确定吊耳的设计位置
　　我们在考虑吊耳在反应器中的位置时，需要将两个因素纳入到考虑范围中，其一是弯曲应力，当设备正处在水平状态时，这个时候因为设备的自重会出现弯矩，并在反应器的壳体上引发对应的应力，应力是物体遭遇受力、温度场等外部原因发生变形时，其内部相互作用而产生的内力，这个内力是我们判断吊耳位置的标准之一，另一个是在设备吊装时，对吊装稳定性的确保。管轴式吊耳的特点在于，当设备的质量按照轴线进行均匀化的分布时，它的内侧和吊点处的内力是一样的，那么结合第一点，即弯曲应力的考虑，我们在设计吊耳位置的高度时需要让其和设备的总高形成0.71的比例，而为了保证吊装的稳定，吊点位置又必须高出反应器的质心1.5米的高度，那么我们将上述二者进行结合并展开计算即可测得吊耳的设备位置应为17.68米[1]。
　　2 结构设计
　　在前文给出的数据中我们可知，该反应器的壳体壁厚是20毫米，而问题就在于这个厚度不足以负担吊耳的载荷需求。如果强行不顾及厚度直接安装吊耳，那么吊耳所带来的局部应力会让反应器的壳体出现大凹陷，为了避免这种情况发生，我们需要先进行局部加厚，使其可以承担吊耳的载荷需求，厚度大概加到60毫米以上，加厚段的高度则为3米左右最佳。另外，这台重型反应器的内径为3600毫米，那么吊耳的管轴外径就需要达到700毫米的口径，而吊耳长度出于悬臂梁受力的考虑不宜太长，设计要尽量缩短，不过不要短于容绳直径。本次案例中的容绳直径为150毫米，吊耳的长度应当大于这个数值，再加上在反应器的上方存在一些位置突出的组件，这些组件会对容绳造成干扰，那么这台反应器的吊耳长度最好规定为450毫米。在吊耳和壳体部位接近的位置，我们要适当的增加筋板，耳轴的内部也要使用筋板来加强，一般选用60毫米厚度的筋板作为耳轴内部加强筋板最为合适，彼此之间的距离为180毫米。设计吊耳时加垫板能够减缓吊耳在壳体上的局部应力，因此我们可以根据吊耳的外径，以外径数值的1.5倍到2倍来确定垫板的宽度，或者依照壳体壁厚的1倍数值加厚垫板[2]。
　　3 强度计算
　　计算吊耳的受力情况是保障设计合理性以及科學性的关键，由于反应器的两个吊耳是采用平角对称的方式布置，所以实际上每个吊耳的受力是吊耳载荷的一半。我们先计算吊耳的载荷，在该反应器中的吊耳角度有五个，分别为0°、30°、45°、60°和90°，我们以管轴式吊耳的受力为F1，L1表示其与质心间的距离，溜尾吊耳的受力为F2，L2为其与质心间的距离，R表示溜尾吊耳和设备轴线间的距离，θ表示水平面角度，根据受力平衡和力矩平衡两个平衡的计算公式：
　　在该反应器设备上，吊耳在吊装过程中的受力部分始终保持竖直向上，那么我们在计算吊耳的受力将有效受力分解成两个部分，其中一部分是设备轴向的轴向力，我们用Fa表示。另一个部分是垂直轴线方向的切向力，我们用Ft表示。另外该反应器的吊耳夹角应小于等于15°，那么计算中我们还需要加入一个吊索的法向分力，用Fn表示。最终得出公式如下：
　　4 结语
　　根据上述的计算结果，我们可以准确了解到一台重型反应器的非标管轴式吊耳的设计需求。根据计算，我们知道了吊耳的结构设计方式以及满足结构强度的角度，并保证了设备的安全性。
　　参考文献：
　　[1]王晓敏 大型换热器吊耳设置[J]石油化工设备技术，2017（12）3-3
　　[2]于鹏 附塔管线吊装板式吊耳的设计与校核[J]石化技术，2018，3，4，12
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