CN107265295A - 球形储罐赤道板吊点定位及吊装方法 - Google Patents

球形储罐赤道板吊点定位及吊装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种球形储罐赤道板吊点定位及吊装方法，属于大型石油化工静设备安装领域。一种球形储罐赤道板吊装方法，其特征在于它包括以下步骤：1）根据球形储罐赤道板吊点定位方法精确求解赤道板垂直吊装时的吊点；2）在步骤1）所确定的吊点处焊接临时吊耳；3）用起重机械通过步骤2）所设置的吊耳将赤道板吊装至工况位置处并固定；4）采用步骤3）的方法依次吊装并固定所有的赤道板；5）采用气割的方法去除临时吊耳，并打磨焊迹。本发明提供了精确的吊点计算定位方法及吊装方法，确保了球形储罐赤道板的吊装垂直度及组装精度，避免了完全凭经验式的吊点定位，减少了吊装时的调整工作，解决了赤道板吊装的技术难点。

Description

球形储罐赤道板吊点定位及吊装方法
技术领域
本发明涉及一种球形储罐赤道板吊点定位及吊装方法，属于大型石油化工静设备安装领域。
背景技术
球形储罐是一种应用广泛的压力容器，主要由球壳板、支柱、拉杆、接管、梯子平台等附属件组成。球壳板是球形储罐的主要受压件，其排版形式一般有橘瓣式、足球瓣式和混合式三种。根据每块球壳板所处的位置不同，球壳板可分为赤道板、温带板、寒带板、极带板等，混合式球罐的赤道带或温带、寒带等一般也采用橘瓣式，只是极带的壳板采用的是足球瓣式。
球形储罐的球壳板一般为工厂制造，运输到现场后再组装焊接成球形储罐。球罐壳板的组装的方法分为整体组装法(单片组装法、拼大片组装法)、分带组装法(拼环带组装法、拼半球组装法)、分带-整体混合组装法等。球罐壳板的组装一般都从赤道板的吊装开始，第一块赤道板的吊装质量，尤其是赤道板的垂直度，将影响赤道带、甚至是整个球罐的组装质量。而赤道板为几何不可展开曲面构件，精准定位吊点的方法是本领域技术人员所急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种球形储罐赤道板吊点定位及吊装方法，本发明提供了精确的吊点计算定位方法及吊装方法，确保了球形储罐赤道板的吊装垂直度及组装精度，避免了完全凭经验式的吊点定位，减少了吊装时的调整工作，解决了赤道板吊装的技术难点，具有施工便捷、易于掌握、效率高、精度高、确保吊装质量的特点。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种球形储罐赤道板吊点定位方法，其特征在于它包括以下步骤：
第一步、确定无上支柱的赤道板吊点：
(1)在赤道板上建立三维直角坐标系：
A、在赤道板竖直就位工况下，吊装需要的吊点O0位于质心正上方的球壳板表面；令赤道板外表面竖直方向和水平方向的中心线的交点为O2；令赤道板上端弦中点为O1；O2与球心的连线同经过O1与赤道面垂直的线相交于O；
B、建立三维直角坐标系：O点为原点，赤道板上端弦方向为x轴，O1O方向为y轴，OO2方向为z轴；
(2)建立直线方程：
A、令球罐外半径为R，球罐赤道板的分瓣数为n,O1与球心连线同赤道面夹角为α；
B、在赤道板外表面上设置一条平行于赤道面的弧PQ，PQ与赤道板外表面竖直中心线的交点到赤道面的垂线长度为h；
C、弧PQ的二分之一长y为：
(3)对式①积分：
A、PQ弦在赤道板上端时为最小值，在赤道面时为最大值，故式①取值范围为0≤h≤sinαR；
B、式①在平面坐标系中的图像与X轴、y轴所围成的图形为S1，S1的面积为四分之一赤道板的表面积；
C、对式①积分得到四分之一赤道板表面积函数：
D、式②中存在
其值为所求四分之一赤道板表面积S1的中值Sxmid；Xmid值为此时夹角αmid对应的弧长；
(4)设吊点O0：
A、令赤道板竖直方向中线上的吊点O0与球心连线同赤道面夹角为αmid；
B、将αmid代入扇形弧长公式可得：
式④中I为赤道板中心线交点O2至吊点O0的弧长，即I＝Xmid；
(5)计算吊点O0：
A、令O0到O1的水平距离为l2，O0到O2的水平距离为l1；令赤道板上l2段的质量为m2，l1段的质量为m1；根据力矩平衡方程可得：
B、联立式③、④、⑤利用Mathematical进行该函数拟合求得近似方程：
C、利用式⑥求得xmid数值后，以O2为起点沿赤道板竖直中线向O1方向划长Xmid的线即可得吊点O0的位置；
第二步、确定焊有上支柱的赤道板吊点：
(1)在焊有上支柱的赤道板竖直就位工况下，焊有上支柱的赤道板构件质心O＇在赤道板质心Oc和柱头质心Oz的连线上；令赤道板质量为mc，上支柱的质量为mz，令Oc和O＇的水平距离为l3，O＇和Oz的水平距离为l4，根据力矩平衡公式可求得：
mc×l3＝mz×l4 式⑦
(2)根据上一步中的几何关系可知：
l3+l4＝R(1-cos ∝mid) 式⑧
(3)将式⑧代入式⑦可得：
(4)令焊有上支柱的赤道板构件吊点为O0＇，O0＇与球心连线同赤道面的夹角为αz，可推知：
(5)将式⑩带入式④中即可得：
利用式求得Iz后即可划出吊点O0＇。
一种球形储罐赤道板吊装方法，其特征在于它包括以下步骤：
1)根据球形储罐赤道板吊点定位方法精确求解赤道板垂直吊装时的吊点；
2)在步骤1)所确定的吊点处焊接临时吊耳；
3)用起重机械通过步骤2)所设置的吊耳将赤道板吊装至工况位置处并固定；
4)采用步骤3)的方法依次吊装并固定所有的赤道板；
5)采用气割的方法去除临时吊耳，并打磨焊迹。
本发明的过程原理：赤道板为球体均匀分割后的一部分，它拥有2个相互垂直的对称面。本文利用这一特性建立坐标系，将空间几何问题转化为平面几何问题，进而转化为函数问题，从而推导得到计算公式，最终计算得到值画线找到吊点。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过数学方法直接推导得出吊点计算公式，在施工中免去繁琐的中间过程，直接将球壳板图纸中给出的基本数值代入公式计算，即可精确定位吊点赤道板垂直状态时的吊点。通过此吊点的精确定位，进而提出了简便的吊装方法，确保了球形储罐赤道板的吊装垂直度及组装精度，避免了完全凭经验式的吊点定位，减少了吊装时的调整工作，解决了赤道板吊装的技术难点，具有施工便捷、易于掌握、效率高、精度高、确保吊装质量的特点。
附图说明
图1为无上支柱的赤道板的三视图示意图。
图2为无上支柱的赤道板吊点定位计算图。
图3为弧PQ的二分之一长y(即式①)的图像示意图。
图4为赤道板面积计算(即式②)函数图像示意图。
图5为焊有上支柱的赤道板吊点定位计算图。
图6为实施例二中某2000m3空气球罐球壳板排版示意图。
图7为赤道板吊装示意图。
图中：1-吊车 2-赤道板 3-拖拉绳 4-倒链 5-地锚。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明(如图1-7所示)。
实施例一
一种球形储罐赤道板吊点定位方法，它包括以下步骤：
第一步、确定无上支柱的赤道板吊点：
(1)在赤道板上建立三维直角坐标系(如图1所示)：
A、在赤道板竖直就位工况下，吊装需要的吊点O0位于质心正上方的球壳板表面；令赤道板外表面竖直方向和水平方向的中心线的交点为O2；令赤道板上端弦中点为O1；O2与球心的连线同经过O1与赤道面垂直的线相交于O；
B、建立三维直角坐标系：O点为原点，赤道板上端弦方向为x轴，O1O方向为y轴，OO2方向为z轴；
球罐为球壳体，故其质量分布均匀。进而可知赤道板有2个相互垂直的对称平面，即赤道面和OO1O2面；球罐赤道板为对称图形，可知竖直方向与水平方向上赤道板外表面中心线的交点O2为其对称中心。令赤道板上端弦中点为O1，O2与球心的连线同经过O1与赤道面垂直的线相交于O，即可证明面OO1O2与赤道面即为相互垂直的赤道板对称面。
(2)建立直线方程：
A、令球罐外半径为R，球罐赤道板的分瓣数为n,O1与球心连线同赤道面夹角为α；
B、在赤道板外表面上设置一条平行于赤道面的弧PQ，PQ与赤道板外表面竖直中心线的交点到赤道面的垂线长度为h；
C、弧PQ的二分之一长y为(P或Q到PQ中点的长度)：
其函数图像如图3中图像1所示；
(3)对式①积分：
A、PQ弦在赤道板上端时为最小值，在赤道面时为最大值，故式①取值范围为0≤h≤sinαR；
B、式①在平面坐标系中的图像与x轴、y轴所围成的图形为S1(见图3)，S1的面积为四分之一赤道板的表面积；
因为赤道板于赤道面对称，为简便计算仅考虑四分之一部分即可。式①函数图像与x轴、y轴所围成的图形，即图3中斜线部分S1，为四分之一赤道板的展开图。S1即为四分之一赤道板的表面积。
C、对式①积分得到四分之一赤道板表面积函数：
以下为积分过程：
由三角函数可知
sin 2α＝2 sinαcosα
x＝Rsinα
cos 2α＝2 cos2α-1
对积分
又C＝0
故
D、式②中存在
其值为所求四分之一赤道板表面积S1的中值Sxmid(即Sxmid＝S1/2，此时α的值为αmid)；Xmid值为此时夹角αmid对应的弧长；
由于球壳的质量均布属性，面积相等即为质量相等；
(4)设吊点O0：
A、令赤道板竖直方向中线上的吊点O0与球心连线同赤道面夹角为αmid；
B、将αmid代入扇形弧长公式可得：
式④中I为赤道板中心线交点O2至吊点O0的弧长，即I＝Xmid；
(5)计算吊点O0：
A、令O0到O1的水平距离为l2，O0到O2的水平距离为l1；令赤道板上l2段的质量为m2，l1段的质量为m1；根据力矩平衡方程可得：
以质心为分割，将赤道板分视为两部分。图2中O0点左边部分质量为m2，水平距离为l2；O0点右边部分质量为m1，水平距离为l1，根据力矩平衡方程可得：
由于球壳体质量分部均匀，故m1质量为其面积与球壳板厚度及材料密度的乘积。
B、联立式③、④、⑤利用Mathematical进行该函数拟合求得近似方程：
C、利用式⑥求得xmid数值后，以O2为起点沿赤道板竖直中线向O1方向划长Xmid的线即可得吊点O0的位置；
第二步、确定焊有上支柱的赤道板吊点
(根据球罐规范GB12337-2014《钢制球形储罐》中球罐支柱的布置规则可知，如图5)：
(1)在焊有上支柱的赤道板竖直就位工况下，焊有上支柱的赤道板构件质心O＇在赤道板质心Oc和柱头质心Oz的连线上；令赤道板质量为mc，上支柱的质量为mz，令Oc和O＇的水平距离为l3，O＇和Oz的水平距离为l4，根据力矩平衡公式可求得：
mc×l3＝mz×l4 式⑦
(2)根据上一步中的几何关系可知：
l3+l4＝R(1-cos∝mid) 式⑧
(3)将式⑧代入式⑦可得：
(4)令焊有上支柱的赤道板构件吊点为O0＇，O0＇与球心连线同赤道面的夹角为αz，可推知：
(5)将式⑩带入式④中即可得：
利用式求得Iz后即可划出吊点O0＇。
一种球形储罐赤道板吊装方法，它包括以下步骤：
1)根据球形储罐赤道板吊点定位方法精确求解赤道板垂直吊装时的吊点；
2)在步骤1)所确定的吊点处焊接临时吊耳；
3)用起重机械通过步骤2)所设置的吊耳将赤道板吊装至工况位置处并固定(在吊装作业时，应预先设置好地锚，并在需吊装的赤道板上设置3条拖拉绳，分别用倒链连接于地锚上。用起重机械通过步骤2)所设置的吊耳将赤道板吊装至工况位置处后，用倒链调整赤道板直至竖直状态，并用卡具将赤道板固定)；
4)采用步骤3)的方法依次吊装并固定所有的赤道板；
5)采用气割的方法去除临时吊耳，并打磨焊迹。
实施例二
某2000m3空气球罐其球壳板排版形式如图6，具体设计参数如下表。
公称容积 2000m3 内径 Ф15700mm
球壳板厚度 40mm 极带板球心夹角 22.5°
赤道板的分瓣数 16 赤道带上下球心夹角 67.5°
赤道板重量 6823.49kg 上支柱重量 451kg
球罐采用实施例一的方法实施(下列公式均来自实施例一)，具体包括以下五个步骤：
1)利用几何公式精确求解赤道板垂直吊装时的吊点。
情形一确定无上支柱的赤道板吊点：
将球罐外径R＝(15700/2+40)＝7890、赤道面夹角α＝(67.5/2)＝33.75°代入公式⑥中，计算得知：
以赤道板外表面中心点o为原点，竖直向上极方向沿球壳板表面划弧，长度为l0＝2740.43mm，如图2所示。
情形二确定焊有上支柱的赤道板吊点：
将l0代入式④中求得αmid：
故αmid＝19.90
将赤道板质量mc＝6823.49kg，上支柱质量mz＝451kg及代入式⑨：
代入式中可得：
以带上柱头的赤道板外表面中心点O为原点，竖直向上极方向沿球壳板外表面划弧，长度为lz＝2653.22mm。
以上说明仅为本发明的应用实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种球形储罐赤道板吊点定位方法，其特征在于它包括以下步骤：
第一步、确定无上支柱的赤道板吊点：
(1)在赤道板上建立三维直角坐标系：
A、在赤道板竖直就位工况下，吊装需要的吊点O0位于质心正上方的球壳板表面；令赤道板外表面竖直方向和水平方向的中心线的交点为O2；令赤道板上端弦中点为O1；O2与球心的连线同经过O1与赤道面垂直的线相交于O；
B、建立三维直角坐标系：O点为原点，赤道板上端弦方向为x轴，O1O方向为y轴，OO2方向为z轴；
(2)建立直线方程：
A、令球罐外半径为R，球罐赤道板的分瓣数为n,O1与球心连线同赤道面夹角为α；
B、在赤道板外表面上设置一条平行于赤道面的弧PQ，PQ与赤道板外表面竖直中心线的交点到赤道面的垂线长度为h；
C、弧PQ的二分之一长y为：
(3)对式①积分：
A、PQ弦在赤道板上端时为最小值，在赤道面时为最大值，故式①取值范围为0≤h≤sinαR；
B、式①在平面坐标系中的图像与x轴、y轴所围成的图形为S1，S1的面积为四分之一赤道板的表面积；
C、对式①积分得到四分之一赤道板表面积函数：
D、式②中存在
其值为所求四分之一赤道板表面积S1的中值Sxmid；xmid值为此时夹角αmid对应的弧长；
(4)设吊点O0：
A、令赤道板竖直方向中线上的吊点O0与球心连线同赤道面夹角为αmid；
B、将αmid代入扇形弧长公式可得：
式④中I为赤道板中心线交点O2至吊点O0的弧长，即I＝xmid；
(5)计算吊点O0：
A、令O0到O1的水平距离为l2，O0到O2的水平距离为l1；令赤道板上l2段的质量为m2，l1段的质量为m1；根据力矩平衡方程可得：
B、联立式③、④、⑤利用Mathematical进行该函数拟合求得近似方程：
C、利用式⑥求得xmid数值后，以O2为起点沿赤道板竖直中线向O1方向划长xmid的线即可得吊点O0的位置；
第二步、确定焊有上支柱的赤道板吊点：
(1)在焊有上支柱的赤道板竖直就位工况下，焊有上支柱的赤道板构件质心O＇在赤道板质心Oc和柱头质心Oz的连线上；令赤道板质量为mc，上支柱的质量为mz，令Oc和O＇的水平距离为l3，O＇和Oz的水平距离为l4，根据力矩平衡公式可求得：
mc×l3＝mz×l4 式⑦
(2)根据上一步中的几何关系可知：
l3+l4＝R(1-cos∝mid) 式⑧
(3)将式⑧代入式⑦可得：
(4)令焊有上支柱的赤道板构件吊点为O0＇，O0＇与球心连线同赤道面的夹角为αz，可推知：
(5)将式⑩带入式④中即可得：
利用式求得Iz后即可划出吊点O0＇。
2.一种球形储罐赤道板吊装方法，其特征在于它包括以下步骤：
1)根据球形储罐赤道板吊点定位方法精确求解赤道板垂直吊装时的吊点；
2)在步骤1)所确定的吊点处焊接临时吊耳；
3)用起重机械通过步骤2)所设置的吊耳将赤道板吊装至工况位置处并固定；
4)采用步骤3)的方法依次吊装并固定所有的赤道板；
5)采用气割的方法去除临时吊耳，并打磨焊迹。
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