解析塔整體應力分析及評定

孟祥宇，張 鵬，徐 明，叢 軍

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

解析塔整體應力分析及評定

孟祥宇1，張 鵬1，徐 明1，叢 軍2

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

以行業標準中的計算方法為基礎，結合 ANSYS軟件對解析塔施加了內壓、自重載荷、風載荷和地震載荷、偏心載荷，分析了三種組合工況下解析塔的應力分布情況，并對塔的強度進行了整體應力校核，為塔器的分析設計提供了參考。

塔器；風載荷；地震載荷；偏心載荷；應力評定

塔器是煉油、化工和石化等行業中極為重要的設備，用于塔器的投資約占煉油化工設備總投資的25%左右，塔器的合理設計、安全運行是整套裝置工藝流程的保證。因此，關于塔器的研究和設計一直倍受關注。

常規塔器的設計一般采用解析法，即將塔器簡化為一端固定的懸臂梁力學模型，由該模型計算出不同組合工況下各危險截面的應力，再對各應力進行校核[1]。然而，解析法所并不能夠真實的反應塔器結構的復雜性，計算結果往往存在一定的差異[2]。本文以解析塔為例，以行業標準中的計算方法為基礎，嘗試通過分析設計法得出塔器整體應力分布規律，為塔器的工程設計提供參考，具有一定的現實意義。

1 載荷分析及模型構建

1.1 分析對象

以某裝置中的解析塔為例進行整體應力分析，該塔為Φ 1400×19414×14的填料塔，設計壓力0.25 MPa，設計溫度為140 ℃，抗震設防烈度為7度（0.15 g），場地土類別為Ⅱ類（第三組），基本風壓值為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個平臺和6段籠式扶梯，平臺外直徑為4 300 mm。解析塔的主要結構尺寸見圖1。

圖1 解析塔的結構尺寸Fig.1 The dimension of desorption tower

1.2 載荷分析

塔器屬于高聳結構，塔器除要承受介質壓力、自重載荷外還要承受風載荷、地震載荷和偏心載荷，特別是當塔器所承受的內壓或外壓較小時，殼體周向應力較小，由內、外壓力計算所得的壁厚值較小。而風載荷、地震載荷和偏心載荷在殼體和裙座截面上可能產生相對較大的彎曲應力，以上三種載荷成為塔體和裙座壁厚度計算的主要控制因素。

文獻[3]規定在計算組合載荷時不需要同時考慮風載荷和地震載荷的共同作用，而文獻[4]規定在校核水平地震力的同時應附加25%的水平風力，為保證苛刻工況下設備的運行安全，本例采用文獻[4]的算法計算各截面的最大應力。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

根據圖1結構尺寸建立解析塔幾何模型，由于在塔器整體分析中重點考察裙座底部及塔體與裙座連接部位的應力狀況，而塔體上接管開孔對應力的影響僅限于其附近局部區域，對整體應力影響較小，故在建立模型時忽略解析塔上的接管開孔。采用20的節點SOLID186三維實體單元進行六面體網格劃分，由于塔壁較薄且承受彎曲應力，如厚度方向單元過少將會造成較大誤差，本例將10 mm的塔壁分為三層。在計算塔體自震頻率的模態計算中采用全模型，而在進行應力分析時，根據結構的幾何對稱性和載荷對稱性，取塔的1/2模型即可。

2 邊界條件

塔器由于其結構承載的特殊性，在設置邊界條件時有如下特點：

2.1 壓力載荷

在塔體內壁施加0.25 MPa的介質壓力，本例中操作工況下的介質靜壓力較小，而液壓試驗又采用臥式放置，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、內構件、平臺和梯子等的重力作用，為簡化模型同時保證運算結果的準確性，將其塔體外的質量分段等效到塔體上，通過增大每段塔塔體的密度實現，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 風載荷

塔器在風載荷作用下會產生順風和橫風兩個方向的震動，順風向震動方向與風向一致，橫風向震動與風向垂直。當H/D≤15且H≤30 m時，僅需計算順風向震動[4]。根據風振系數和各段的有效直徑的不同將塔分為若干段，按式分別計算每段的水平風力。由于施加集中力將產生較大的局部應力，故將其轉化為等效壓力，計算方法見下式[6]：

式中：pi—該段塔的等效壓力，MPa；

Fi—該段塔的水平風力，N；

Li—該段塔體長度，mm；

D0—該段塔塔體的外徑，mm。

由流體力學可知，風載荷的值沿塔體垂直軸線和水平半徑方向都是變化的[7]。為真實的反應風載荷對塔的影響，本例通過在迎風側塔體表面附加3D表面效應單元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、閥門與之相連，這些管道、閥門在重力作用下產生偏心載荷，偏心載荷在塔體上產生了具有傳遞性的附加彎矩，所產生的應力在分析中不可忽視。本例中在距基礎1 800 mm高、距塔中心線2 400 mm處附加有8 000 kg的集中載荷，計算出該偏心載荷產生彎矩的數值，利用創建接觸的方法將彎矩施加在塔體的相應高度處。

2.6 位移邊界條件

模態分析中在裙座底部施加全約束，而在整體應力分析模型中，裙座底部約束 UX、UY、UZ三個方向的位移為0，在對稱面施加對稱約束。

3 組合工況下的應力評定

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

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

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

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

4 結 論

（1）在內壓、自重載荷、風載荷、地震載荷和偏心載荷的組合工況下，應力較大值均出現在裙座底部和裙座與塔體連接處。

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

（3）當介質壓力較小時，塔壁計算厚度控制因素為偏心載荷、風載荷或地震載荷。

表1 各路徑應力強度評定Table 1 Stress intensity evaluation along each path

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Whole Stress Analysis and Evaluation of Desorption Tower

MENG Xiang-yu1, ZHANG Peng1, XU Ming1, CHONG Jun2
（1. HQCEC Liaoning Company，Fushun 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年畢業于沈陽工業大學過程裝備與控制工程專業，現從事壓力容器設計工作。Tel：024-31957596, E-m ail：m engxiangyu@hqcec.com。