孟祥宇，張 鵬，徐 明，叢 軍

（1. 中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006； 2. 中國(guó)石油撫順石化公司石油三廠，遼寧 撫順 113001）

解析塔整體應(yīng)力分析及評(píng)定

孟祥宇1，張 鵬1，徐 明1，叢 軍2

（1. 中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006； 2. 中國(guó)石油撫順石化公司石油三廠，遼寧 撫順 113001）

以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法為基礎(chǔ)，結(jié)合 ANSYS軟件對(duì)解析塔施加了內(nèi)壓、自重載荷、風(fēng)載荷和地震載荷、偏心載荷，分析了三種組合工況下解析塔的應(yīng)力分布情況，并對(duì)塔的強(qiáng)度進(jìn)行了整體應(yīng)力校核，為塔器的分析設(shè)計(jì)提供了參考。

塔器；風(fēng)載荷；地震載荷；偏心載荷；應(yīng)力評(píng)定

塔器是煉油、化工和石化等行業(yè)中極為重要的設(shè)備，用于塔器的投資約占煉油化工設(shè)備總投資的25%左右，塔器的合理設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行是整套裝置工藝流程的保證。因此，關(guān)于塔器的研究和設(shè)計(jì)一直倍受關(guān)注。

常規(guī)塔器的設(shè)計(jì)一般采用解析法，即將塔器簡(jiǎn)化為一端固定的懸臂梁力學(xué)模型，由該模型計(jì)算出不同組合工況下各危險(xiǎn)截面的應(yīng)力，再對(duì)各應(yīng)力進(jìn)行校核[1]。然而，解析法所并不能夠真實(shí)的反應(yīng)塔器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，計(jì)算結(jié)果往往存在一定的差異[2]。本文以解析塔為例，以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法為基礎(chǔ)，嘗試通過(guò)分析設(shè)計(jì)法得出塔器整體應(yīng)力分布規(guī)律，為塔器的工程設(shè)計(jì)提供參考，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 載荷分析及模型構(gòu)建

1.1 分析對(duì)象

以某裝置中的解析塔為例進(jìn)行整體應(yīng)力分析，該塔為Φ 1400×19414×14的填料塔，設(shè)計(jì)壓力0.25 MPa，設(shè)計(jì)溫度為140 ℃，抗震設(shè)防烈度為7度（0.15 g），場(chǎng)地土類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)（第三組），基本風(fēng)壓值為600 Pa，殼體材料為Q245R板材，裙座材料為Q235B板材，腐蝕余量分別為4 mm和2 mm。該塔共有7個(gè)平臺(tái)和6段籠式扶梯，平臺(tái)外直徑為4 300 mm。解析塔的主要結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 解析塔的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 The dimension of desorption tower

1.2 載荷分析

塔器屬于高聳結(jié)構(gòu)，塔器除要承受介質(zhì)壓力、自重載荷外還要承受風(fēng)載荷、地震載荷和偏心載荷，特別是當(dāng)塔器所承受的內(nèi)壓或外壓較小時(shí)，殼體周向應(yīng)力較小，由內(nèi)、外壓力計(jì)算所得的壁厚值較小。而風(fēng)載荷、地震載荷和偏心載荷在殼體和裙座截面上可能產(chǎn)生相對(duì)較大的彎曲應(yīng)力，以上三種載荷成為塔體和裙座壁厚度計(jì)算的主要控制因素。

文獻(xiàn)[3]規(guī)定在計(jì)算組合載荷時(shí)不需要同時(shí)考慮風(fēng)載荷和地震載荷的共同作用，而文獻(xiàn)[4]規(guī)定在校核水平地震力的同時(shí)應(yīng)附加25%的水平風(fēng)力，為保證苛刻工況下設(shè)備的運(yùn)行安全，本例采用文獻(xiàn)[4]的算法計(jì)算各截面的最大應(yīng)力。此外，與其他容器不同的是，塔器必須考慮偏心載荷。

1.3 有限元模型

根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)尺寸建立解析塔幾何模型，由于在塔器整體分析中重點(diǎn)考察裙座底部及塔體與裙座連接部位的應(yīng)力狀況，而塔體上接管開(kāi)孔對(duì)應(yīng)力的影響僅限于其附近局部區(qū)域，對(duì)整體應(yīng)力影響較小，故在建立模型時(shí)忽略解析塔上的接管開(kāi)孔。采用20的節(jié)點(diǎn)SOLID186三維實(shí)體單元進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，由于塔壁較薄且承受彎曲應(yīng)力，如厚度方向單元過(guò)少將會(huì)造成較大誤差，本例將10 mm的塔壁分為三層。在計(jì)算塔體自震頻率的模態(tài)計(jì)算中采用全模型，而在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何對(duì)稱(chēng)性和載荷對(duì)稱(chēng)性，取塔的1/2模型即可。

2 邊界條件

塔器由于其結(jié)構(gòu)承載的特殊性，在設(shè)置邊界條件時(shí)有如下特點(diǎn)：

2.1 壓力載荷

在塔體內(nèi)壁施加0.25 MPa的介質(zhì)壓力，本例中操作工況下的介質(zhì)靜壓力較小，而液壓試驗(yàn)又采用臥式放置，故可以將其忽略。

2.2 自重載荷

在塔器的操作工況中除塔體本身自重外還存在介質(zhì)、內(nèi)構(gòu)件、平臺(tái)和梯子等的重力作用，為簡(jiǎn)化模型同時(shí)保證運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將其塔體外的質(zhì)量分段等效到塔體上，通過(guò)增大每段塔塔體的密度實(shí)現(xiàn)，自重載荷采用分段給定材料密度和定義慣性力的方式施加[5]。

2.3 風(fēng)載荷

塔器在風(fēng)載荷作用下會(huì)產(chǎn)生順風(fēng)和橫風(fēng)兩個(gè)方向的震動(dòng)，順風(fēng)向震動(dòng)方向與風(fēng)向一致，橫風(fēng)向震動(dòng)與風(fēng)向垂直。當(dāng)H/D≤15且H≤30 m時(shí)，僅需計(jì)算順風(fēng)向震動(dòng)[4]。根據(jù)風(fēng)振系數(shù)和各段的有效直徑的不同將塔分為若干段，按式分別計(jì)算每段的水平風(fēng)力。由于施加集中力將產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，故將其轉(zhuǎn)化為等效壓力，計(jì)算方法見(jiàn)下式[6]：

式中：pi—該段塔的等效壓力，MPa；

Fi—該段塔的水平風(fēng)力，N；

Li—該段塔體長(zhǎng)度，mm；

D0—該段塔塔體的外徑，mm。

由流體力學(xué)可知，風(fēng)載荷的值沿塔體垂直軸線和水平半徑方向都是變化的[7]。為真實(shí)的反應(yīng)風(fēng)載荷對(duì)塔的影響，本例通過(guò)在迎風(fēng)側(cè)塔體表面附加3D表面效應(yīng)單元SURF154的方式，使得等效壓力沿水平半徑方向由中心向兩端遞減且作用于投影面[8]，如圖2所示。

圖2 風(fēng)載荷等效壓力分布Fig.2 Equivalent stress distribution of wind loads

2.4 地震載荷

2.5 偏心載荷

塔器頂部都有管道、閥門(mén)與之相連，這些管道、閥門(mén)在重力作用下產(chǎn)生偏心載荷，偏心載荷在塔體上產(chǎn)生了具有傳遞性的附加彎矩，所產(chǎn)生的應(yīng)力在分析中不可忽視。本例中在距基礎(chǔ)1 800 mm高、距塔中心線2 400 mm處附加有8 000 kg的集中載荷，計(jì)算出該偏心載荷產(chǎn)生彎矩的數(shù)值，利用創(chuàng)建接觸的方法將彎矩施加在塔體的相應(yīng)高度處。

2.6 位移邊界條件

模態(tài)分析中在裙座底部施加全約束，而在整體應(yīng)力分析模型中，裙座底部約束 UX、UY、UZ三個(gè)方向的位移為0，在對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束。

3 組合工況下的應(yīng)力評(píng)定

為說(shuō)明風(fēng)載荷、地震載荷和偏心載荷的聯(lián)合作用，本例中將偏心彎矩、水平風(fēng)力和水平地震力施加方向均選定為模型中的X軸正向。對(duì)于塔器的整體分析應(yīng)考慮如下三種工況，工況一：自重+內(nèi)壓+偏心載荷；工況二：自重+內(nèi)壓+風(fēng)載荷+偏心載荷；工況三：自重+內(nèi)壓+25%風(fēng)載荷+地震載荷+偏心載荷。三種工況下塔器應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖3(a)、(b)、(c)。三種組合工況下塔器應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，在塔體與裙座連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，由于偏心載荷、風(fēng)載荷和地震載荷的作用使得連接部位應(yīng)力沿周向分布不均，水平風(fēng)力、水平地震力和偏心載荷作用下受壓側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力最大點(diǎn)。裙座上應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在裙座最底部，同樣是上述幾種載荷作用下的受壓側(cè)。

圖3 三種組合工況下塔器應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution curve under three combined operating conditions

工況一自重+內(nèi)壓+偏心載荷組合工況系數(shù)K取1.0，工況二和三的組合工況系數(shù)K均取1.2[3]。在最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)及危險(xiǎn)截面附近多次選取評(píng)定路徑，以確保評(píng)定路徑盡可能的通過(guò)或接近應(yīng)力最大值點(diǎn)[9]。最終確定的評(píng)定路徑具體位置見(jiàn)圖4（a）、（b），各路徑的評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，塔整體應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。為考核偏心載荷、風(fēng)載荷和地震載荷對(duì)塔體壁厚的影響，本例還考察了內(nèi)壓+自重工況下應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在裙座與塔體連接部位，對(duì)該工況下模型中路徑2-2進(jìn)行了應(yīng)力線性化，SΙ=12.57、SⅣ=32.64，通過(guò)對(duì)比可以看出，由于本例內(nèi)壓較小，塔壁計(jì)算厚度的控制量為偏心載荷，且風(fēng)載荷與地震載荷的影響也不容忽視。

圖4 整體塔器分析評(píng)定路徑Fig.4 Stress distribution curve under three combined operating conditions

4 結(jié) 論

（1）在內(nèi)壓、自重載荷、風(fēng)載荷、地震載荷和偏心載荷的組合工況下，應(yīng)力較大值均出現(xiàn)在裙座底部和裙座與塔體連接處。

（2）應(yīng)力最大值出現(xiàn)在裙座與塔體連接處，偏心載荷、風(fēng)載荷和地震載荷的作用使得連接部位應(yīng)力沿周向分布不均，水平風(fēng)力、水平地震力和偏心載荷作用受壓出現(xiàn)應(yīng)力最大點(diǎn)。

（3）當(dāng)介質(zhì)壓力較小時(shí)，塔壁計(jì)算厚度控制因素為偏心載荷、風(fēng)載荷或地震載荷。

表1 各路徑應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定Table 1 Stress intensity evaluation along each path

［1］ 楊國(guó)義, 王者相, 陳志偉. NB/T47041-2014塔式容器標(biāo)準(zhǔn)釋義與算例[M]. 北京：新華出版社, 2014: 25-71.

［2］ 楊國(guó)義, 壽比南, 梅林濤. 塔式容器整體應(yīng)力分析及評(píng)定[J]. 石油化工設(shè)備, 2004, 33(1):36-38.

［3］ JB/T 4732-1995 鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

［4］ NB/T 4701-2014 塔式容器[S].

［5］ 余偉煒 高炳軍. ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用 [M]. 第2版. 北京：水利水電出版社, 2007: 205-209.

［6］ 馬宇山, 金濤. 基于ANSYS的塔設(shè)備地震與風(fēng)載分析[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2010, 32(1):1-5.

［7］ 楊剛, 經(jīng)樹(shù)棟. 合成塔的應(yīng)力分析及評(píng)定[J]. 石油化工設(shè)備, 2007, 36(5):38-42.

［8］ 王新敏, 李義強(qiáng), 許宏偉. ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用[M]. 北京：人民交通出版社, 2011: 468-469.

［9］ 李群生. 球形儲(chǔ)罐的應(yīng)力分析[J]. 煉油技術(shù)與工程, 2012, 42(6):61-64.

Whole Stress Analysis and Evaluation of Desorption Tower

MENG Xiang-yu1, ZHANG Peng1, XU Ming1, CHONG Jun2
（1. HQCEC Liaoning Company，F(xiàn)ushun Liaoning 113006，China；2. PetroChina Fushun Petrochemical Company the Third Factory，Liaoning Fushun 113001，China）

Based on the calculation method in current industry standards, combined with ANSYS software, under internal pressure, self-weight load, wind load, earthquake load and eccentric load, whole stress distribution of desorption tower under three combined conditions was analyzed, and then the stress intensity was checked, which could provide a reference for analysis and design of the tower.

vertical slender vessel; wind load; earthquake load; eccentric load; stress evaluation

TQ 052

A

1671-0460（2016）11-2702-04

2016-10-23

孟祥宇(1983-)，男，遼寧省鞍山市人，工程師，2007年畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。Tel：024-31957596, E-m ail：m engxiangyu@hqcec.com。