大型直立設備現場安裝輔助裝置設計及有限元驗證

蘇文獻, 季 鵬

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

大型直立設備現場安裝輔助裝置設計及有限元驗證

蘇文獻, 季 鵬

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

針對石化行業的大型直立圓柱殼設備的現場安裝方式,設計一種新型的現場安裝輔助裝置,在此基礎上應用有限元分析軟件ANSYS對該輔助裝置進行驗證,結果表明:新型現場安裝輔助裝置的強度和剛度均能滿足工作狀況的需要,對實際應用具有參考意義.

直立設備;安裝輔助裝置設計;有限元驗證

石化行業大型立式設備的現場安裝,目前常用的安裝方法是將設備進行必要的加固,再用大型吊車提升設備上部進行焊接及焊后熱處理.該方法需要使用大量的吊車臺班,吊車的租賃成本大約為10萬元/臺班,安裝成本較高；同時,在進行焊縫的熱處理時吊車的吊裝力無法準確計算,安裝難度大且很難保證安裝質量.因此,有必要設計一種大型直立設備現場安裝輔助裝置,筆者在設計這樣一種結構的基礎上,采用有限元分析軟件ANSYS對其進行分析驗證,解決上述大型直立設備安裝過程中存在的問題,同時提高安裝精度,降低安裝成本和安裝難度.

1 結構設計

1.1 設計要求

a.對接環焊縫的焊接

具有自動對心的功能,以滿足對接的上下筒體間的同軸度要求；具有調整上下筒體間縫隙的功能；強度要足以穩定地支撐上部筒體的重量；剛度要保證不引起筒體局部失穩,且上下筒體的變形均在允許的范圍內.

b.熱處理過程

滿足熱處理加熱范圍的需要；剛度要保證不引起筒體自身失穩,且上下筒體的變形均在允許的范圍內；保證熱處理裝置的布置需要,提供必要空間的同時盡可能多地為熱處理裝置的安裝提供便利；強度要足以穩定地支撐上部筒體的重量.

1.2 設計流程

本著操作方便,降低成本的原則確定的結構設計方案如圖1所示.圖2是安裝實例示意圖.

圖1 結構設計方案示意圖Fig.1 Structure design project

其中,上支撐體呈L型,均勻分布在上加強板外圍,并固定在上加強板上,相應地下支撐體均勻分布在下加強板外圍,并固定在下加強板上；上下支撐體相連,形成匚型結構.在4～8個上下支撐體的連接處設有墊片.

圖2 安裝實例示意圖Fig.2 Example for installation

在現場安裝過程中采用的結構由上下加強板以及一組均布于環焊縫四周的匚形支撐部件組成,匚形支撐部件分為上下支撐體兩部分,分別焊接在上下加強板上,上下加強板分別焊接在上下筒體外圍.上下支撐體有一組配合面可以實現安裝中的定位,以保證上下筒體的同軸度.在上下支撐體間可以通過調整墊片的數量和規格來調整上下筒體間的間隙,以滿足焊接工藝的需要.定位和間隙調整完成后,將上下支撐體焊接為一體.上下支撐體間的焊縫焊接完成后,即可去掉吊車,進行筒體的環焊縫的焊接和焊后熱處理.在環焊縫的焊接和熱處理過程中完全由該安裝輔助裝置支撐上筒體.

本結構設計方案可降低安裝難度,提高安裝質量,同時減少吊車臺班的使用,降低安裝成本,增強設備安裝企業的經濟競爭力.在焊接和熱處理的整個安裝過程中,上下筒體通過由上下加強板以及一組均布于環焊縫四周的匚形支撐部件構成的安裝輔助裝置支撐.同時具備上下筒體自動定位,保證上下筒體同軸度和調整焊接坡口間隙的功能.另外匚形支撐部件的數量和分布方式可以根據需要靈活調整.

2 有限元驗證

2.1 建立幾何模型

對結構[1]進行必要的簡化,采用UG軟件建立結構的實體模型.以圓柱殼軸線與位于兩個支撐體正中間的筒體母線定義一平面.整個結構的幾何形狀、約束條件和載荷都關于這個平面對稱,所以取整個結構的一半進行計算,建立模型,如圖3所示.

圖3 結構實體模型Fig.3 Finite element analysis model

2.2 定義單元屬性

參考GB 150—1998鋼制壓力容器標準,結構材料選用Q345R,其彈性模量為206 GPa,泊松比為0.28.

2.3 單元類型選擇及網格劃分

采用ANSYS提供的SOLID95單元[2].該單元是一種20節點的實體單元,適用于有曲面邊界等不規則形狀的計算模型.生成的有限元網格模型見圖4.

圖4 有限元網格模型Fig.4 Meshed model

2.4 邊界條件的確定

有限元計算中,邊界條件的確定對最終的計算結果有著較大的影響.而在實際問題中,約束情況往往很復雜,需要在一定程度上進行簡化[3-4].

在圓柱殼上截面施加1.7 MPa的壓力載荷.位移邊界條件:為了限制整個結構的軸向位移,在圓柱殼下面的截面上所有節點進行全約束,對稱面上所有節點的環向位移約束為零.施加載荷和位移邊界條件后的模型見圖5.最后進行有限元靜力求解.

圖5 施加載荷和位移邊界條件的模型Fig.5 Model applied loads and displacement boundary conditions

2.5 靜力結果分析

求解后,采用ANSYS軟件對生成的結果進行后處理,圖6是結構在載荷下的應力場和應變場.可以看出,受力最大處位于輔助裝置上半部分與直立裝置連接處,最大應力為10.829 MPa,遠小于該材料的許用應力170 MPa,同時,該結構的最大變形量為0.084 mm,滿足工作要求.

圖6 結構在載荷下的應力場和應變場Fig.6 Structural strain field and stress field

2.6 特征值屈曲分析

考慮圓柱殼上截面施加的壓力載荷可能產生的穩定性問題,在對該結構進行有限元靜力求解之后,進行特征值屈曲計算.

由彈性力學有限元法,計算結構穩定安全系數的特征值方程為

式中,[K]為總彈性剛度矩陣,即小位移的線性剛度矩陣；[S]為總幾何剛度矩陣,也稱初始應力剛度矩陣；λ為特征值或穩定安全系數；{ψ}為特征位移向量[5].

求解式(1),即得結構的屈曲特征值,這里采用ANSYS提供Block Lanczos法求解.

雖然特征值屈曲分析方法未考慮結構非線性和初始缺陷的影響而只考慮了較理想的結構,但由于該方法計算簡單,并且是非線性屈曲分析計算結果的上限,因此,目前仍被廣泛采用[6].

在圓柱殼上端截面上施加1 MPa的壓力載荷,計算所得特征值屈曲模態圖如圖7所示.由計算結果可得臨界載荷為513.444 MPa,遠大于實際施加的載荷1.7 MPa,所以該架構不會發生失穩現象.

圖7 特征值屈曲模態圖Fig.7 Eigenvalue buckling mode

3 結束語

針對大型直立設備現場安裝過程中所存在的問題,提出了一種解決方案,以某石化公司一塔器為例,設計了一種大型直立設備現場安裝輔助裝置,并對其可行性和有效性進行了有限元驗證,結果表明其強度、剛度均能滿足工作情況的需要.

[1] 耿煥然.大型立式設備現場拼裝焊縫焊后熱處理穩定性分析[J].機械設計與制造,2005(11):122-124.

[2] 王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社,1999.

[3] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].2版.北京:中國水利水電出版社,2005.

[4] 龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析[M].北京:機械工業出版社,2004.

[5] 洪武,關振群,李云鵬,等.有限元分析與CAE技術基礎[M].北京:清華大學出版社,2004.

[6] 朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].2版.北京:中國水利水電出版社,1998.

Structural design and finite element verification of auxiliary device for installation of large vertical equipment

SUWen-xian, JIPeng
(College of Emergy amd Power Emgimeerimg,Umiversity of Shamghai for Sciemce amd Techmology,Shamghai 200093,Chima)

Considering the installation of vertical cylindrical shell equipments in large petrochemical industries,a new type of auxiliary device for installation of large vertical equipments was designed.Its stiffness and strength were analyzed by using finite element analysis software ANSYS. The results show they can meet the working requircments in of practical constructions.The design is of referential value to engineering applications.

vertical equipmemt；desigmof auxiliary imstallatiom device；fimite elememt verificatiom

TQ 051文獻標示碼：A

1007-6735(2011)05-0508-03

2010-09-08

蘇文獻(1967-),男,副教授.研究方向:過程設備設計.E-mail:digestsu@163.com