填料塔支承圈及柵板校核有限元分析

黃文霞

（中國石油大學（華東）)

填料塔支承圈及柵板校核有限元分析

黃文霞*

（中國石油大學（華東）)

應用有限元軟件ANSYS建立某填料塔器支承圈及柵板的力學模型，計算分析了支承圈和柵板的強度、剛度并進行了柵板屈曲分析，得到了支承圈及柵板在工作狀態下的應力和位移分布規律及屈曲臨界載荷。分析表明，柵板及支承圈不會發生強度和剛度失效。但從長期使用考慮，應對柵板進行適當加固。支承圈采用矩形截面結構并不合理。

柵板 支承圈 填料塔 有限元 力學模型 載荷 強度

某煉油廠車間擴量改造時新增一填料塔，塔內徑為2000 mm，塔內填料支承圈材質為普通碳鋼，結構簡單，塔內部填料及柵板質量約為 8000 kg，填料由柵板支承。為了保證設備長期穩定運行，避免塔內填料脫落，本文對支承圈及填料支承柵板應用ANSYS進行了有限元分析，可為工程應用提供一定的指導。

1 支承圈有限元分析

1.1 有限元模型[1]

由于支承圈和塔器為軸對稱結構，所以建立軸對稱模型進行分析。支承圈與筒體滿焊連接，連接部位設置半徑為2 mm的倒角。支承圈與塔器筒體的幾何尺寸及材料參數見表1，其模型及網格劃分如圖1所示。

1.2 邊界條件與載荷

塔器筒體上下端面限制其軸向位移，力學模型可簡化成懸臂梁。在支承圈上表面施加柵板對其的作用壓力集度：

表1 幾何尺寸及材料參數

圖1 支承圈與塔器筒體網格劃分

1.3 強度分析

支承圈承受柵板及填料的質量較大，為了避免填料脫落，必須保證其有足夠的強度。

計算得到的支承圈與塔壁處的徑向應力、軸向應力、軸向切應力以及mises應力強度云圖分別如圖2～圖5所示。支承圈在柵板及填料壓力作用下，在支承圈的焊接根部上下表面的徑向應力存在最大值，分別為33.4 MPa和-33.2 MPa；在支承圈與塔壁的焊接部位上下表面的軸向應力存在最大值，分別為15.9 MPa和-15.8 MPa。同樣，在支承圈與塔壁的焊接部位上下表面的切向應力存在最大值，為15.2 MPa。在支承圈與塔壁的焊接部位并靠近支承圈附近上下表面區域的應力強度存在最大值，其值為29.8 MPa。

圖2 支承圈與塔器徑向應力 （SX）

圖3 支承圈與塔器軸向應力 （SY）

圖4 支承圈與塔器切應力 （SXY）

圖5 支承圈與塔器mises應力強度 （SEQV）

圖6支承圈上表面應力強度及應力分量沿半徑方向變化圖

圖6 為支承圈上表面應力強度及應力分量沿半徑方向變化圖，其中深色線 （紅線）為徑向應力分量，淺色線 （淺蘭線）為應力強度。顯然，在應力強度中占主導地位的是支承圈表面徑向應力分量，但應力總體水平較低，最大值僅為33.4 MPa。這說明支承圈不會發生強度失效。

由于支承圈為矩形截面的環板，與筒體焊接為一體，焊縫處為危險截面，在最大應力作用下，容易出現強度破壞。尤其在腐蝕環境下，更容易出現應力腐蝕破壞。因此從結構上看，采用矩形截面的環板并不合理。但一味保證強度又會造成材料浪費，建議優選梯形截面。

1.4 剛度分析

在保證強度的前提下，需要校核支承圈剛度，避免支承圈變形過大導致柵板脫落。

支承圈在柵板及填料壓力作用下，支承圈的徑向變形、軸向變形以及絕對變形云圖如圖7～圖9所示。支承圈內徑自由端的軸向位移存在最大值為0.019 8 mm。

圖7 支承圈的徑向變形 （UX）

圖8 支承圈的軸向變形 （UY）

圖10 為支承圈上表面徑向位移、軸向位移和絕對位移沿半徑方向變化圖。顯然，在支承圈內徑的自由端各位移分量及絕對位移存在最大值，軸向位移最大值為 0.019 8 mm，絕對位移最大值為0.019 9 mm。

圖9 支承圈的絕對變形 （USUM）

圖10 支承圈上表面徑向位移、軸向位移和絕對位移沿半徑方向變化圖

2 柵板有限元分析

2.1 有限元模型

柵板幾何尺寸及材料參數見表2。柵板整體由五塊組成。其中，中間塊長度最大，由 20根40 mm×6 mm的柵板條，通過40 mm×6 mm的邊梁焊接成一體。由于該塊柵板搭在支承圈上，所以將柵板條簡化為兩端簡支梁，建立有限元計算模型。

表2 柵板幾何尺寸及材料參數

2.2 強度和剛度分析

根據簡支梁受均布載荷的力學模型，對柵板的內力和變形計算如下。

柵板單位長度壓力分布集度：

慣性矩：Iz＝3.2×10-8m4

柵板橫截面面積：A＝2.4×10-4m2

抗彎截面系數：Wz＝1.6×10-6m3

最大彎矩：Mmax＝ql2/8＝540×1.9962/8＝269 N·m

柵板最大撓度：

柵板的內應力和變形有限元計算如圖11～圖14所示。

圖11 截面彎曲正應力

圖12 截面mises相當應力

圖13 截面軸線方向位移

圖14 截面撓度

通過以上對柵板條簡支條件下的強度和剛度分析，理論計算結果與有限元計算基本吻合。

柵板最大撓度:

最大彎曲正應力:

滿足強度要求。

由計算結果可知，柵板中間部位的應力和撓度最大。

2.3 屈曲分析

柵板兩端簡支條件下屈曲安全系數及其臨界載荷如表3所示。柵板發生一階彈性屈曲時，兩端簡支柵板的安全系數為1.759 5。

表3 屈曲安全系數及其臨界載荷

圖15 柵板的一階屈曲變形圖

圖15 ～圖18為柵板不同階次屈曲變形圖。從圖中可以看出，柵板發生一階彈性屈曲時臨界載荷最小，位移最大。

圖16 柵板的二階屈曲變形圖

圖17 柵板的三階屈曲變形圖

圖18 柵板的四階屈曲變形圖

3 結論

本文應用有限元軟件ANSYS建立某填料塔器支承圈及柵板的力學模型，計算分析了支承圈和柵板的強度、剛度并進行了柵板屈曲分析，得到了支承圈及柵板在工作狀態下的應力和位移分布規律及屈曲臨界載荷。

通過以上對支承圈及柵板的有限元分析，可得如下結論：

（1）在支承圈與塔壁的焊接部位并靠近支承圈附近上下表面區域應力強度存在最大值，表面徑向應力分量水平較高，在應力強度中占主導地位，但應力總體水平較低。

（2）支承圈與筒體焊接處為最大應力處。在支承圈內徑的自由端各位移分量及絕對位移中存在最大值，位移最大值為0.019 8 mm。支承圈采用矩形截面結構并不合理。

（3）在柵板中間部位撓度和應力值最大，柵板發生一階彈性屈曲時臨界載荷最小，位移最大。

（4）通過以上對支承圈、柵板的強度和剛度分析可知，支承圈不會發生強度和剛度失效，柵板設計符合要求，可以正常使用。但考慮到柵板的使用環境存在腐蝕性物質，根據計算結果，從長期使用考慮，建議對柵板進行適當加固，防止柵板發生屈曲變形。

[1]劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社，2002.

Checking of the Supporting Ring and the Grid of a Packed Tower with Finite Element Method

Huang Wenxia

The mechanical model for the supporting ring and the grid of a packed tower is established by using finite element software ANSYS.By calculating the strength and stiffness of the supporting ring and the grid and analyzing the buckling of the grid,the stress and displacement distribution of the supporting ring and the grid under working conditions are obtained,and the critical buckling load of the grid is also obtained.Analysis shows that the strength and stiffness failure of the grid and the supporting ring will not occur.However,considering the long-term use,it is necessary to strengthen the grid properly.And it is not reasonable to use rectangular section structure for the supporting ring.

Grid;Supporting ring；Packed tower;Finite element;Mechanical model;Load;Strength

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.001

2016-08-26）

*黃文霞，女，1974年生，碩士，高級工程師。東營市，257061。