王猛，王志堅，石乾宇

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

目前，國內(nèi)外仍有一些學者在研究吊耳的受力規(guī)律，由于吊耳的受力復雜，還存在很多爭議，因此國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的吊耳的計算方法和選用準則，給設計人員帶來很大困擾。文獻 [1]中指出了吊耳設計選用存在的諸多問題，如：安全系數(shù)、許用應力的取值差異較大，且經(jīng)驗性很大。為了解決上述問題，國內(nèi)一些行業(yè)制定了相應的吊耳標準，一些企業(yè)制定了內(nèi)部的吊耳企業(yè)標準，但是國家層面上尚無相應標準出臺。文獻 [1]也對水利水電行業(yè)、港口交通行業(yè)、化工行業(yè)的標準進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)這些行業(yè)的吊耳標準均采用了簡單實用的許用應力法，而不是極限載荷法，均采用了材料力學中的拉伸、剪切、擠壓強度計算，易于理解使用，但是這些經(jīng)驗公式的安全系數(shù)和許用應力取值具有鮮明的行業(yè)特色。

HG/T 21574—2018《化工設備吊耳設計選用規(guī)范》[2]（以下簡稱《規(guī)范》）的實施日期為2018 年9 月，是當前化工行業(yè)通用的吊耳標準。標準中結合多年來的使用經(jīng)驗將化工設備的吊耳進行了分類并給出了吊耳使用公稱吊重范圍、綜合影響系數(shù)、吊耳的布置要求、技術條件、結構尺寸參數(shù)、殼體材料的最小厚度要求以及受力計算等內(nèi)容。

HG/T 21574 從1995 年3 月實施以來，已經(jīng)修訂升版3 次（分別是1994 版、2008 版以及現(xiàn)行的2018 版）。《規(guī)范》中所使用的經(jīng)驗公式易于理解便于使用，盡管存在誤差但可以接受，相比水利水電行業(yè)、港口交通行業(yè)的吊耳標準，《規(guī)范》中吊耳孔壁計算公式?jīng)]有采用拉曼公式，實際使用時對孔軸間隙值也沒有限制；且《規(guī)范》中吊耳分類規(guī)整，易于根據(jù)型號規(guī)格直接選用。但是隨著標準升版，《規(guī)范》中一些內(nèi)容也進行了相應的變動，如：增加吊耳的公稱吊重適用范圍、調(diào)整綜合影響系數(shù)、擴大殼體最小厚度的材料適用范圍、補充吊耳本體結構的強度計算等。

本文結合《規(guī)范》對標準吊耳、非標吊耳的選型進行介紹分析，同時對《規(guī)范》中升版后的重要差異進行列舉說明，并總結《規(guī)范》使用過程中的一些注意事項。旨在加深技術同行對《規(guī)范》進行深入理解，在吊耳的選型設計過程中更加科學合理。

1 吊耳的選型設計

1.1 標準吊耳的選型設計

本文所說的標準吊耳為既滿足《規(guī)范》要求，又可以直接選型的吊耳?！兑?guī)范》中給定的吊耳類型有5 種，分別是頂部板式吊耳（TPA 型、TPB 型）、臥式設備板式吊耳（HP 型）、側壁板式吊耳（SP 型）、軸式吊耳（AXA 型、AXB 型、AXC 型）、尾部吊耳（APA型、APB 型）。此外，在附錄E 中給定了另一種吊耳類型：零部件用吊耳（LP 型），此類型吊耳在以往版本標準中并沒有體現(xiàn)。

每種類型的吊耳都會進一步細分成多個吊耳系列，且每個吊耳系列都有其適用范圍（公稱吊重/t、公稱直徑/mm），表1 列舉的是頂部板式吊耳（TP 型）的適用范圍情況，其他型吊耳則類似。除此之外，《規(guī)范》中對應的每種類型的吊耳都有詳細的布置要求以及殼體材料所對應的最小厚度要求。

表1 頂部板式吊耳的適用范圍Table 1 Application scope of top plate lifting lug

因此，標準吊耳選型的基本流程為：首先，確定吊耳的類型。根據(jù)設備本身的特點、布置方式以及吊耳的布置條件確定吊耳的型式，比如：臥式設備可選HP 型吊耳，立式設備可選TP、SP、AX 型吊耳，塔式設備根據(jù)情況設置AP 型吊耳，LP 型吊耳僅用于車間內(nèi)零部件的吊裝、姿態(tài)調(diào)整。其次，需明確吊耳系列，根據(jù)設備的結構、材料、吊裝質(zhì)量等條件并結合《規(guī)范》附錄B 殼體最小厚度的要求，查找對應的吊耳的適用范圍進而得到各個類型中具體的吊耳系列。

需要說明的是，使用《規(guī)范》進行吊耳的選型設計是要基于一定的限制條件的。除了上述提到的吊耳的布置要求、吊耳的適用范圍以及對連接殼體的最小厚度要求，《規(guī)范》中還給出其他的限制條件：①吊裝綜合影響系數(shù)K 值的限定。吊裝綜合影響系數(shù)K = Kd×Ku= 1.2×1.125 = 1.35 （其中Kd為動載荷系數(shù)，取1.2，Ku為不平衡系數(shù)，取1.125），因此吊裝單位需要制定合理的吊裝方案來保證設備吊裝過程中的動載荷系數(shù)和不平衡系數(shù)不大于《規(guī)范》的限定值。② 板式吊耳（包括TP、SP、AP 型吊耳）的受力應保證在吊耳板平面內(nèi)，當板式吊耳在吊裝過程中有板外力或/和力矩時，還應當校核吊耳板、吊耳板與設備焊接接頭處的應力。

1.2 非標吊耳的選型設計

實際上，《規(guī)范》中列舉的吊耳僅僅是化工設備上常見的吊耳型式，且正如上文所述《規(guī)范》的直接使用也是有條件的。除此之外工程上還有很多其他非標的吊耳，筆者認為滿足以下條件的非標吊耳仍然可以酌情參考《規(guī)范》進行吊耳設計選型：

（1）非標吊耳的結構類型與《規(guī)范》中標準吊耳類型相似。

（2）非標吊耳的結構類型與《規(guī)范》中標準吊耳類型一致，但是結構尺寸與標準中給定尺寸不一致。

（3）非標吊耳的結構類型與《規(guī)范》中標準吊耳類型一致，但是殼體材料的最小厚度不滿足要求。

（4）非標吊耳的結構類型與《規(guī)范》中標準吊耳類型一致，但是吊耳的適用范圍超出《規(guī)范》要求。

此時，設計人員應當校核吊耳本體、吊耳與墊板、設備封頭或筒節(jié)、墊板與筒節(jié)危險截面的強度及穩(wěn)定性。必要時，設計人員還應校核吊裝時設備各個危險截面的強度及穩(wěn)定性。

2 HG/T 21574—2018升版前后的重要差異

近年來我國化工裝備制造業(yè)迅速發(fā)展，設備設計水平和制造能力以及材料的各項性能也明顯提高，對吊耳的應用經(jīng)驗也越來越豐富，因此化工行業(yè)吊耳標準多次升版。HG/T 21574—2018《規(guī)范》的條文章節(jié)更加合理，擴大了吊耳的適用范圍和殼體最小厚度的材料適用范圍，更加便于技術人員使用。引用的材料標準均已升版。同時，附錄A 中詳細地給定了各類型吊耳的設計校核方法，吊耳的強度校核更加完整全面（以頂部板式吊耳為例，強度校核包含了：吊孔擠壓應力校核、吊耳頭部強度校核、吊耳板與墊板或封頭連接處校核、吊耳板與封頭連接角焊縫強度校核）。相比HG/T 21574—2008[3]，HG/T 21574—2018《規(guī)范》條文內(nèi)容進行了多處變動，本文僅列舉筆者認為重要的部分進行比較說明，見表2。

3 《規(guī)范》使用過程中的一些思考

當查閱《規(guī)范》時，會發(fā)現(xiàn)其中給定的一些校核公式、系數(shù)的取值等并沒有相應說明，整個標準也沒有釋義作為補充，這就給設計人員帶來不便。筆者結合工程使用經(jīng)驗，列舉如下幾點，并查閱了一些文獻，進行了整理分析，希望能夠?qū)夹g人員理解使用《規(guī)范》有所幫助。

表2 HG/T 21574—2018 升版后的重要差異對比Table 2 Comparison of important differences after HG/T 21574—2018 upgrade

3.1 吊耳孔承壓應力

正如文獻 [4]所述，在起吊過程中，吊耳孔與銷軸發(fā)生接觸，吊耳承壓面上受力，十分復雜，呈高度非線性；且由于銷軸直徑小于吊耳孔徑，兩者曲率不同，會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，在吊耳孔壁外緣會出現(xiàn)塑性變形。因此，在實際的工程中，吊耳強度校核不僅包含吊耳本身危險截面強度校核、吊耳結構根部連接焊縫強度校核，還應校核吊耳孔與銷軸間的擠壓應力強度。HG/T 21574—2018《規(guī)范》補充了吊孔擠壓應力強度校核，使得吊耳設計更加合理、更加實際。

《規(guī)范》引用的吊孔擠壓應力公式如下：

無系攬環(huán)板時：

有系攬環(huán)板時：

式中 D ──板式吊耳孔直徑，mm；

dr──銷軸直徑，mm；

FL——吊索計算載荷，N；

S——板式吊耳厚度，mm；

σhz──吊孔處的最大擠壓應力，MPa；

[σhz]──吊耳材料的許用擠壓應力，MPa。

其源頭來自Hertz 推導的軸與孔的接觸應力表達式，并代入材料的泊松比=0.3 后直接得出[5]。吊耳孔與銷軸或卸扣的接觸可近似看成“軸線平行的圓柱與圓柱槽面”的兩個不同直徑物體相互擠壓接觸。從公式中不難看出，S、S2值越大吊耳安全性越好，系攬環(huán)板實際上起到局部加強作用；D、dr值越大，吊耳擠壓應力越小，且兩者值越接近吊耳擠壓應力越小。因此，技術人員在設計板式吊耳時，保證銷軸或卸扣順利拆卸情況下，應盡量使吊耳孔徑與銷軸或卸扣直徑比接近1。

3.2 綜合影響系數(shù)

本文前面章節(jié)已經(jīng)指出，《規(guī)范》的適用限制條件之一就是綜合影響系數(shù)，而綜合影響系數(shù)K 又等于動載荷系數(shù)Kd（取1.2）乘以不平衡系數(shù)Ku（取1.125）。綜合影響系數(shù)影響吊耳吊重，而且綜合影響系數(shù)越小，吊耳板吊重越小，吊耳板受力越好。文獻 [6]通過案例分析，認為在保證吊耳自身安全前提下，綜合影響系數(shù)可以優(yōu)化，筆者也認可這種觀點。

所謂動載荷系數(shù)為考慮吊裝過程中，動載荷相對于靜載荷的比值。動載荷系數(shù)與垂直起吊時吊機吊物的起升速度有關，吊機的提升速度越大動載荷越大，動載荷系數(shù)也相應增大。文獻[7]中指出：吊機起升速度在5 m/s 以下時，動載荷系數(shù)宜取1.05 ～ 1.15，吊機起升速度在超過5 m/s ～ 10 m/s 時，宜取1.2 ～ 1.3。不僅如此，文獻[7]中也指出動載荷系數(shù)與吊物吊裝工藝的提升狀態(tài)（吊物的仰角）有關，與吊機工作所處的地況有關，并給定了相應條件下的動載荷值。因此，通過控制以上影響因素能夠?qū)崿F(xiàn)動載荷系數(shù)的優(yōu)化控制。

所謂不平衡系數(shù)為考慮吊裝過程中，多個吊耳間載荷分配不均勻程度。文獻 [7]中提及需要考慮不平衡系數(shù)的影響：在吊物重心位置偏離計算重心位置的情況下（不平衡系數(shù)推薦為1.05 ～ 1.25）、吊物多吊點和多臺吊車協(xié)作作業(yè)中出現(xiàn)不同步的情況下（對吊點數(shù)大于等于4 的吊物的起重作業(yè)不平衡系數(shù)宜取1.33 ～ 1.35）。因此，要根據(jù)特定的吊裝工藝來選取相應的不平衡系數(shù)。《規(guī)范》中不平衡系數(shù)的取值是考慮了多個吊耳間載荷分配，但是相比配置雙板式非標吊耳的情況或者零部件工藝吊裝用單個吊耳的情況，不平衡系數(shù)的取值也值得探討。

根據(jù)文獻[7]，雙吊車吊裝以及有多個吊點（吊點大于等于4）的重型設備吊裝，且在吊裝中吊物產(chǎn)生的傾角或吊點布置位置偏離吊物重心位置的情況下，綜合影響系數(shù)等于動載荷系數(shù)與不平衡系數(shù)的乘積。對于單吊車吊裝以及一般設備吊裝時，載荷系數(shù)宜選取動載荷系數(shù)和不平衡載荷系數(shù)中的較大者。綜上可知，《規(guī)范》中綜合影響系數(shù)的選取是有優(yōu)化空間的。

抗逆力理論為研究孤兒教育與就業(yè)提供的理論支撐是，孤兒救助的社會政策作為外部支持因素，同孤兒個體內(nèi)在優(yōu)勢幫助他們提升其抗逆力；內(nèi)在優(yōu)勢則包括自立人格、家庭責任和感恩情感、興趣和特長，以及積極思維⑥。這一視角無疑為孤兒教育和就業(yè)社會政策的制定提供了新的介入點。

3.3 焊縫強度校核

吊耳根部受力十分復雜，實際上由拉應力、彎曲應力以及剪應力組合而成。以頂部板式吊耳為例，《規(guī)范》中給定的吊耳根部（包括吊耳板與墊板或封頭連接處、吊耳板或墊板與封頭連接焊縫）強度校核的原則符合強度理論和組合變形要求，評定時分別校核拉應力、剪應力、彎曲應力以及組合應力不大于相應的許用應力，下面為設備豎直狀態(tài)時，吊耳墊板與封頭連接角焊縫組合應力的強度校核公式：

2018《規(guī)范》[2]焊縫組合應力：

2008《技術要求》[3]焊縫組合應力：

式中 σpce──焊縫的組合應力，MPa；

σpe──焊縫的拉應力，MPa；

σpbe──焊縫的彎曲應力，MPa；

τpe──焊縫的剪應力，MPa；

[σ]──焊縫材料的許用拉應力，MPa。

對比以上兩個公式可以發(fā)現(xiàn)，公式（4）是滿足組合變形要求并應用第三強度理論得來；而公式（3）系數(shù)相比公式（4）有些許變動，但由于《規(guī)范》沒有給出推導過程，也沒有公式來源，因此，筆者也難以臆斷公式（3）變動的初衷。

經(jīng)過筆者查閱文獻和標準，吊耳根部焊縫強度校核計算有以下幾種方法，供技術人員參考。第一種校核方法，即滿足組合應力的第三強度或第四強度理論，第三強度理論即公式（4），第四強度理論為公式（5）；第二種校核方法，按照文獻[8]為公式（6）；第三種方法可以參照標準GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[9]中直角角焊縫強度計算，見公式（7），實際上公式（7）也是滿足第四強度理論公式基礎上演變來的。

其中：許用剪應力[τ] = 0.7 [σ]

GB 50017—2017[9]焊縫組合應力：

式中 σf──垂直于焊縫長度方向的應力，MPa；

τf──沿焊縫長度方向剪應力，MPa；

βf── 正面角焊縫的強度設計值增大系數(shù)，對直接承受動力載荷的結構，取1.0，對于承受靜力載荷和間接承受動力載荷的結構，取1.22；

3.4 吊耳設計制造要求

近年來，設備吊耳的設計制造問題也越發(fā)突出，主要問題就是設計制造者沒有完全執(zhí)行標準規(guī)范要求，或者設計者對吊耳的方位、受力等考慮不周，而制造上又沒有完全重視所致?！兑?guī)范》對吊耳的制造有相應的要求，包括：材料可焊性、裝配偏差、表面質(zhì)量、無損檢測等，文獻[10，11]也對化工設備吊耳出現(xiàn)的問題進行了分析探討。

筆者認為有幾點需要注意：① 吊耳吊孔的粗糙要求，考慮到計算公式為面接觸假設，加之吊孔受力復雜；② 吊耳孔外緣或吊耳加強板外緣倒角，主要是考慮防止應力集中以及損壞吊繩；③ 吊耳或吊耳墊板邊緣焊縫應避開殼體或鄰近的附件焊縫。

4 結束語

綜上所述，化工行業(yè)吊耳設計標準HG/T 21574—2018《化工設備吊耳設計選用規(guī)范》有其嚴格的適用范圍，對于非標吊耳的選型，滿足一定的條件下才可酌情參考《規(guī)范》進行吊耳設計，并且需要校核吊耳危險截面的強度及穩(wěn)定性，甚至必要時需要校核設備吊裝時的受力情況。相比以往版本，最新版標準《規(guī)范》內(nèi)容上有一些重大變動，技術人員在設計新設備或者對現(xiàn)有設備進行改造設計時須嚴格按照最新版標準《規(guī)范》附錄A 要求對設備吊耳進行校核。當參考《規(guī)范》進行非標吊耳設計時，可以優(yōu)化綜合影響系數(shù)，對于吊耳根部復雜受力情況也可選擇不同強度校核方法。希望技術人員對吊耳標準有深入的了解，對吊耳的設計制造問題有足夠的重視。