采用分解吊点受力法整体吊装放空火炬

摘 要

摘要：土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区块50×108m3/a天然气净化处理厂需安装2座质量为129.391t、高度为95m的放空火炬。在进行吊装方案设计时，受力计算结果显示，当采用整体
摘要：土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区块50×108m3/a天然气净化处理厂需安装2座质量为129.391t、高度为95m的放空火炬。在进行吊装方案设计时，受力计算结果显示，当采用整体吊装方案时吊耳梁最大弯曲应力是其许用应力的4倍多，抗弯强度严重不足，成为整体吊装放空火炬需要解决的瓶颈问题。为此，对吊装方案进行了调整、优化，经过技术论证和可行性分析，在施工现场没有合适吊耳梁材料的情况下，采用钢丝绳分解吊点受力的新方法，大大降低了吊耳梁的弯矩和应力，解决了吊耳梁强度不足的技术难题，使整体吊装放空火炬获得成功，同时缩短了施工工期。该方法对类似工程具有借鉴作用。
关键词：分解吊点受力；吊装；放空火炬；弯曲应力；弯矩；方案优化；工期缩短
    土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区块天然气处理厂系中国石油天然气集团公司(以下简称中石油)与土库曼斯坦的合作项目，其产品气通过中亚管道途经乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦进入我国西气东输二线霍尔果斯首站。该处理厂共需安装2座放空火炬及塔架，塔架系三角形截面结构，50m以下塔柱由下至上依次为Φ500mm×14mm、Φ450mm×12mm和Φ400mm×12mm钢管，50m以上塔柱由下至上依次为Φ400mm×12mm、Φ350mm×10mm、Φ299mm×10mm和Φ219mm×10mm钢管，每座放空火炬重129.391t、高95m，重心在距火炬底部41.29m处，基础高度为0.5m。受运输条件限制，放空火炬及塔架系散件到货，在安装现场组装，然后整体吊装。该放空火炬重、高、大，安装在沙漠地带，地基承载力低，且土库曼斯坦物资不足，工程材料均系从国内采购、运输，周期相当长，吊装所需材料紧缺，吊装就位相当困难，工期紧，任务重。经过对各种吊装方案进行对比分析和技术论证后，采用分解吊点受力法整体吊装方案，圆满完成了放空火炬的吊装任务。
1 吊装方案的对比及选择
1.1 方案一
    采用正装法分段吊装，空中组对就位。底段长50m，顶段长45m，均在地面上完成组装。将下部50m火炬筒捆绑在底段塔架内，上部40m火炬筒和5m长的火炬头捆绑在顶段塔架内，底段重84.48t，重心在距塔架底部25.2m处，顶段重44.911t，重心在距塔架底部57.5m处。底段主吊耳设在底段塔架顶部，遛尾吊耳设在距塔架底部10.5m处。顶段主吊耳设在顶段塔架顶部，遛尾吊耳设在距顶段塔架底部8m处。取动载系数为1.1[1]，吊装底段时主吊车的最大负荷为921.8kN(取吊耳及索具重量为1t)，遛尾吊车负荷为575kN。吊装顶段时，主吊车的最大负荷为517kN(取吊耳、平衡梁及吊索具重量为3t)，遛尾吊车负荷为230.7kN。吊装底段火炬时，采用400t履带吊车作主吊，选用60m主臂+24m副臂基本塔式工况，作业半径控制在16m以内，起重能力为1000.6kN。250t履带吊车遛尾，选用基本主臂工况，主臂长30m，作业半径控制在15m以内，起重能力634kN，满足作业要求。吊装顶段火炬时，采用400t履带吊车作主吊，选用60m主臂+54m副臂基本塔式工况，作业半径控制在22m以内，起重能力为583kN，满足作业要求。100t汽吊车遛尾，吊臂长22m，作业半径控制在1Om以内，起重能力294kN，满足作业要求。
1.2 方案二
    采用2台400t履带吊车作主吊，1台250t履带吊车遛尾，将火炬及塔架整体吊装就位。放空火炬及塔架总重129.391t，取动载系数为1.1，不均衡系数为1.1[1]，每台主吊车的最大负荷为815.54kN(取吊耳梁、吊耳及吊索具重量8t)。操作时，2台400t履带吊车选用基本主臂工况，主臂长60m，马尼托瓦克主吊车作业半径控制在13.5m以内，三一重工主吊车作业半径控制在13m以内，在此工况下，施工现场具备的美国产马尼托瓦克400 t履带吊车起重能力为1409kN，上海三一重工产的400t履带吊车起重能力为1131.9kN，满足作业要求。经计算，遛尾吊车的最大负荷为37kN，操作时，250t履带吊车选择30m吊臂，作业半径控制在20m以内，在此工况下，250t履带吊车的起重能力为441kN，满足作业要求。
1.3 方案对比及选择
    方案一的优点是把火炬及塔架分成2段吊装，重量减小了，吊耳材料均能在施工现场解决；缺点是高空作业多，安全风险大，组对时间长，需要2次组装400t履带吊车塔式工况，且高度达114.5m的塔式工况吊车在施工间隙停在风沙极大的施工现场具有很大的安全风险，400t履带吊车完成2座放空火炬吊装所需的作业周期长，影响其他大型设备吊装作业。方案二的优点是组装、总装以及附塔管线安装等工作全部在地面上完成，进度快，安全和质量能得到保证，400t大型吊车占用时间短，不影响其他大型设备吊装；缺点是整体吊装重量太大，施工现场缺乏抗弯强度能满足要求的管轴式吊耳梁材料，现有钢管难胜此任，方案无法实施。但通过技术改造，降低吊耳梁的弯曲应力，可以使方案二满足吊装要求。为了使2座放空火炬及塔架能快速、安全、顺利地吊装就位，决定采用技术改进后的整体吊装方案(方案二)。
2 降低吊耳梁弯矩及应力的技术改进措施
    根据放空火炬塔架的结构特点，整体吊装放空火炬的吊点最适合设置在距塔架底部42m的塔架横梁处，该处的塔架主肢为乃450mm×12mm钢管，横梁为Φ159mm×6mm无缝钢管。为了在吊耳梁上安装能满足吊装要求的吊耳，需将Φ159mm×6mm横梁更换为DN400mm或DN350mm的厚壁钢管，但现场只有Φ356mm×16mm(20号钢)的无缝钢管，且土库曼斯坦资源匮乏，无法采购到合适的吊耳梁材料，从国内采购、运输的周期又很长，无法满足工期要求。经计算，若采用Φ356mm×16mm的无缝钢管制作吊耳梁，其与吊耳相贯处的弯曲应力达到586MPa，是其许用应力(137MPa)的4倍多，达不到吊装要求。在此情况下，经过技术论证和可行性研究，决定使用Φ356mm×16mm的无缝钢管制作吊耳梁，并采用分解吊点受力的方法，以降低吊耳梁的弯矩和应力。具体方法是用钢丝绳把吊耳和吊点下部34m标高的塔架主肢节点连接起来，并对钢丝绳施加3t预拉力，将超过吊耳梁承受能力的吊装负荷通过钢丝绳传递到34m标高的塔架主肢节点上，钢丝绳的大小通过超载负荷计算得出。分解吊点受力法示意图如图1所示。
 

3 吊装场地处理
因吊装现场地处沙漠，地基承载能力低，400t履带吊车在60m基本主臂工况下，其自重达到421t，加上吊装负荷83.2t，最大重量达到504.2t，且400t履带吊车对吊装场地的平整度要求也很高，为了确保吊装安全，必须对位于火炬基础东、西两侧25m×15m的吊装场地进行场地平整和硬化处理，使其承载能力不能低于17000kg/m2。修筑方法：先用推土机将吊装作业区域推平、洒水、压实，然后铺垫厚度为300mm黏土并洒水碾压，再铺垫100mm砂夹石，用压路机进行碾压，吊装区域成型后的场地表面不平度小于20mm/m，最后，在400t吊车履带下方敷设厚钢板，以降低吊车的接地比压，提高吊装的稳定性和安全性。
4 吊装操作要点
    2座放空火炬组装时呈南北轴线布置，火炬头位于南侧，因受南侧围墙处6kV高压线的影响，组装时，吊点无法与火炬筒基础中心重合，吊点位于基础中心北侧22m处，考虑到400t履带吊车作业半径的限制，主吊车只能摆放在吊点与火炬筒基础之间，并靠近吊耳位置，在整个吊装过程中，400t履带吊车要完成提升、回转、带荷行走和再提升工作，要严格按如下要点操作：
    1) 在系挂吊索前，对吊耳焊接部位和结构棱角进行打磨，使其圆滑过度、表面无毛刺，然后涂抹黄油，以利吊索在吊装过程中旋转自如。
    2) 操作程序：2台主吊车先同时吊起放空火炬，使火炬头高度超过高压线3m以上后，2台主吊车同时作回转动作，使火炬向南移，当吊耳距火炬筒基础中心的水平距离为14m时，两台主吊车停止回转和提升动作，开始带负荷向南行走，直至吊耳位于基础中心上方时，主吊车停止行走，提升放空火炬就位于基础上，在吊装的整个过程中，遛尾吊车配合主吊车将放空火炬底部吊起，并带负荷行走以将放空火炬往前传送。在吊车向南移动过程中，2台400t主吊车步调要一致，移动速度不能超过0.4km/h。
    3) 在吊车带荷向南移动过程中，每台吊车不得超过其额定负荷的75%，即马尼托瓦克400t履带吊车负荷不得超过1056kN，上海三一重工产的400t履带吊车负荷不得超过849kN，250t履带吊车负荷不得超过330kN，均能满足要求。操作时要密切关注荷载显示，严禁超负荷作业，若发现有超负荷预兆，必须及时进行调整。
    4) 吊装过程中，6kV高压线下方必须安排专人监控，确保火炬头顶部离高压线的距离不小于3m。
    5) 吊车指挥人员在放空火炬将要呈垂直位置时重点监控吊臂顶部滑车与塔架杆件的距离，防止与杆件相碰。

5 实施效果
    2009年6月16日和6月19日，采用整体滑移法分别完成了第1、2座放空火炬的吊装，每座放空火炬的吊装仅用了约50min，安全、顺利、快捷，而且吊耳梁没有任何变形。放空火炬吊装就位示意图如图2所示。若采用分段吊装、空中组对方案，不仅需要搭设高空组装平台，安全风险大，进度慢，而且要进行2次400t履带吊车塔式工况组装和1次塔式工况拆除，至少需要11d时间，分段吊装每座放空火炬又至少需要2d时间，此外，因占用400t吊车时间长，还会影响其他大型设备吊装作业，延缓工程施工工期。因此，采用分解吊点受力法整体吊装放空火炬，不仅提前13d完成放空火炬吊装任务，节省400t履带吊车租用费36万元，加快了整个工程大型设备吊装进度，特别是在施工现场紧缺吊耳梁材料的情况下，采用分解吊点受力的方法，成功解决了吊耳梁强度不足的难题，实现了吊耳梁以小代大的尝试，圆满完成了大型放空火炬吊装任务，在吊装技术上是一种创新。
参考文献
[1] 戴杰.吊车吊装附加载荷及载荷系数[J].石化技术，1996，3(3)：44-48.
 
(本文作者：汪国林 朱钢坚 中国石油四川石油天然气建设工程有限责任公司)