張新建 姚佐權(quán) 顧玉鋼 張雅莉

(1. 合肥通用機械研究院；2. 上海森松化工成套裝備有限公司)

MMA萃取塔結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)力分析

張新建*1姚佐權(quán)1顧玉鋼1張雅莉2

(1. 合肥通用機械研究院；2. 上海森松化工成套裝備有限公司)

根據(jù)某甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取塔的工藝操作要求，對萃取塔的整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并采用有限元應(yīng)力分析方法對塔體在設(shè)計工況、工作工況和水壓試驗工況的整體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的應(yīng)力進行分析，從而確定了萃取塔主體的最終結(jié)構(gòu)尺寸，保證了塔體的結(jié)構(gòu)安全和工藝性能。

MMA萃取塔 結(jié)構(gòu)設(shè)計 應(yīng)力分析

甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取塔作為MMA裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動靜結(jié)合及設(shè)計計算難度大等特點，為了確保該設(shè)備的安全使用，筆者采用有限元應(yīng)力分析方法對該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)校核，為類似設(shè)備的設(shè)計提供參考。

1 MMA萃取塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1設(shè)計參數(shù)

萃取塔的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)如下：

設(shè)計壓力 0.20MPa

工作壓力 0.18MPa

設(shè)計溫度 100℃

工作溫度 50℃

水壓試驗壓力 0.43MPa(臥置)、0.25MPa(立置)

主體材料 S31608

介質(zhì) MMA、庚烷、水

介質(zhì)特性 易爆、中毒危害

焊縫系數(shù) 1.0

腐蝕裕度 0mm

設(shè)備容積 77.2m3

塔體總高度 21 400mm

設(shè)備凈重 23 020kg

設(shè)備充水重 98 020kg

操作重量 81 520kg

保溫層材料 硅酸鋁纖維

保溫層厚度 90mm

基本風(fēng)壓值 550N/m2

設(shè)計地震分組 第一組

地震設(shè)防烈度 7度/0.10g

場地土地類別 Ⅳ類

地面粗糙度類別 A類

設(shè)計準(zhǔn)則 分析設(shè)計

容器類別 Ⅰ類

1.2材料參數(shù)

萃取塔塔體主體材料為S31608，裙座下方材料為Q345R。兩種材料的物理性能參數(shù)見表1、力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 S31608與Q345R的物理性能參數(shù)

表2 S31608與Q345R的力學(xué)性能指標(biāo)

塔頂電機和吊在塔頂?shù)乃?nèi)設(shè)備總重量使用等效密度的方法折算到塔頂筒體，使用同樣的方法將塔內(nèi)介質(zhì)的總量折算到塔體上。

1.3主體結(jié)構(gòu)尺寸確定

根據(jù)設(shè)計條件的要求并按照J(rèn)B 4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))進行初步計算[1]，確定了萃取塔的主體結(jié)構(gòu)尺寸(表3)。

表3 萃取塔的主體結(jié)構(gòu)尺寸

由于塔頂有電機和驅(qū)動機構(gòu)，需考慮各種工況下電機和驅(qū)動機構(gòu)對塔體應(yīng)力分析的影響，為簡化有限元模型，使用φ1000mm×30mm、高度為2 322mm的筒體模擬電機和驅(qū)動機構(gòu)，萃取塔結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

2 應(yīng)力分析方案的確定

根據(jù)設(shè)計要求，對萃取塔結(jié)構(gòu)進行整體應(yīng)力計算，分析計算塔體在內(nèi)壓、自重、地震和風(fēng)載載荷作用下塔體不連續(xù)處和裙座局部的應(yīng)力分布并進行應(yīng)力評定[2]。由于整個塔體設(shè)計溫度不高且溫度分布較為均勻，因此可不考慮由溫差產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)JB 4732-1995規(guī)定，結(jié)構(gòu)在進行應(yīng)力分析計算時，一般需要設(shè)置3種載荷工況進行應(yīng)力計算、分類與評定，即：設(shè)計載荷工況、工作載荷工況和水壓試驗載荷工況[3]。由于設(shè)計載荷工況比工作載荷工況要惡劣，當(dāng)設(shè)備沒有疲勞載荷且不考慮溫差應(yīng)力時，可以不考慮工作載荷工況，僅考慮設(shè)計載荷工況和水壓試驗載荷工況。

由于萃取塔所受的載荷較多，為了計算分析與應(yīng)力評定的簡便，需要對塔體若干設(shè)計載荷工況(內(nèi)壓、自重、地震和風(fēng)載)進行單獨和組合計算。水壓試驗載荷工況為：常溫下，整體結(jié)構(gòu)在水壓試驗壓力下的第三類應(yīng)力強度計算、分類和評定，水壓試驗壓力按JB 4732-1995確定。

圖1 萃取塔結(jié)構(gòu)尺寸

3 應(yīng)力計算、分類和評定

3.1結(jié)構(gòu)有限元模型

萃取塔塔體結(jié)構(gòu)整體三維實體有限元計算模型如圖2所示，圖2b為塔體與裙座連接結(jié)構(gòu)模型圖，為典型的堆焊型結(jié)構(gòu)[4]。

a. 整體結(jié)構(gòu)

b. 塔體與裙座連接結(jié)構(gòu)

采用ANSYS的六面體二階單元Solid95對模型進行網(wǎng)格劃分。其中Solid95單元有48 302個，節(jié)點260 484個，邊界條件為裙座底部固支，萃取塔結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示。

a. 整體結(jié)構(gòu)

b. 錐段結(jié)構(gòu)

作用在塔體上的載荷有內(nèi)壓、自重、地震和風(fēng)載。為了保證計算分析與應(yīng)力評定的精確，需要對塔體在內(nèi)壓、自重、地震和風(fēng)載單獨作用時進行應(yīng)力分析，并對內(nèi)壓+自重+風(fēng)載(組合載荷一)和內(nèi)壓+自重+地震(組合載荷二)兩種組合載荷工況進行應(yīng)力分析。

3.2應(yīng)力計算結(jié)果

3.2.1設(shè)計載荷工況

以彩色等級圖的方式來表示結(jié)構(gòu)的第三強度當(dāng)量應(yīng)力分布。萃取塔在地震、風(fēng)載、自重和內(nèi)壓載荷單獨作用下的計算結(jié)果如圖4所示。

a. 地震載荷

b. 風(fēng)載荷

c. 自重載荷

d. 內(nèi)壓載荷

各載荷單獨作用下的最大應(yīng)力值及其位置如下：

地震載荷 151.0MPa(錐段小端)

風(fēng)載荷 88.6MPa(裙座局部)

自重載荷 87.7MPa(裙座局部)

內(nèi)壓載荷 87.4MPa(裙座局部)

由以上計算結(jié)果可知，在對各種載荷單獨作用于萃取塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力進行評定時，應(yīng)力最大的危險位置主要在錐段小端和裙座局部，因此，需對萃取塔這些位置的應(yīng)力分別進行評定。

在對各種載荷單獨作用時進行應(yīng)力分析之后還要對萃取塔在內(nèi)壓+自重+風(fēng)載(組合載荷一)和內(nèi)壓+自重+地震(組合載荷二)兩種組合載荷工況進行應(yīng)力分析。根據(jù)JB 4732-1995，不同時考慮地震載荷和風(fēng)載荷。圖5為兩種組合載荷的有限元應(yīng)力分布結(jié)果，在組合載荷一工況下，最大應(yīng)力為119.0MPa，位于裙座與封頭的連接部位；組合載荷二工況下，最大應(yīng)力為167.0MPa，位于錐殼小端。

a. 組合載荷一

b. 組合載荷二

3.2.2水壓試驗工況

萃取塔在水壓試驗載荷作用下的應(yīng)力分布如圖6所示，此時，最大應(yīng)力為90.7MPa，位于裙座局部。

圖6 水壓試驗載荷作用下萃取塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

3.3應(yīng)力分類與評定

依據(jù)JB 4732-1995標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于應(yīng)力分類與評定的定義和塔式容器的結(jié)構(gòu)特點，選取萃取塔上危險部位(應(yīng)力較大)的應(yīng)力進行線性化處理，分離出的平均應(yīng)力為一次局部壓縮薄膜應(yīng)力，分離出的壓縮薄膜應(yīng)力+壓縮彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力。

萃取塔結(jié)構(gòu)中二次彎曲應(yīng)力所占份額較小，基于偏保守的考慮，對應(yīng)力進行線性化處理后，“一次局部薄膜+彎曲”應(yīng)力用1.5K倍的設(shè)計應(yīng)力強度來評定。自重和內(nèi)壓載荷作用下的組合系數(shù)K取1.00，風(fēng)載和地震載荷作用下K取1.20，水壓試驗載荷工況下K取1.25。由于萃取塔在各載荷工況下的最大應(yīng)力均小于該工況下1.5K倍的設(shè)計應(yīng)力強度值，因此，該萃取塔應(yīng)力計算合格。

4 結(jié)論

4.1萃取塔塔體結(jié)構(gòu)在自重、內(nèi)壓、風(fēng)載、地震和水壓試驗的單獨或組合載荷作用下的應(yīng)力皆能滿足各自的許用應(yīng)力強度要求。

4.2萃取塔塔體結(jié)構(gòu)安全可靠，目前該設(shè)備已安全運行三年多，為MMA裝置的正常運行提供了有力保障。

[1] JB 4732-1995(2005年確認(rèn))，鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：新華出版社，2005.

[2] 溫靜，張銥鈖，宋強.基于ANSYS對氨合成塔支座的應(yīng)力分析[J].化工機械，2011，38(6)：746～748．

[3] 孟德文，李志軍.PSA吸附塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)力分析[J].石油化工設(shè)備，2010，39(6)：33～36．

[4] 談永明，邵東亮.焦炭塔裙座與筒體連接區(qū)域應(yīng)力分析[J].化工機械，2011，38(4)：457～460．

StructureDesignandStressAnalysisofMMAExtractionColumn

ZHANG Xin-jian1, YAO Zuo-quan1, GU Yu-gang1, ZHANG Ya-li2

(1.HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China；2.ShanghaiMorimatsuChemicalEquipmentCo.,Ltd.,Shanghai200127,China)

Basing on operation requirement of a methyl methacrylate (MMA) extraction column, the optimal design of its overall structure was conducted; and the finite element stress analysis method was adopted to analyze the stress on column’s overall structure and non-continuous parts under design condition, operation condition and hydraulic pressure test condition respectively so as to determine the column’s structure size and ensure its safety and process functions.

MMA extraction column, structure design, stress analysis

*張新建，男，1985年3月生，工程師。安徽省合肥市，230031。

TQ053.5

A

0254-6094(2016)03-0315-05

2015-09-11)