碳化塔開孔結構的應力分析與強度評定

王在良，暢皓皓，郭建志，茍明松，陳 鵬，許兆美

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安223002；2.淮陰工學院機械與材料工程學院，江蘇淮安223003）

碳化塔開孔結構的應力分析與強度評定

王在良1，暢皓皓2，郭建志2，茍明松2，陳 鵬2，許兆美2

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安223002；2.淮陰工學院機械與材料工程學院，江蘇淮安223003）

針對于Φ3000/3500碳化塔結構，其中下部塔體直徑為3 000 mm，開設了2 200×1 250 mm的矩形孔。該結構較為特殊，為此，采用ANSYS軟件對矩形孔進行有限元模擬，對碳化塔的開孔結構進行應力分析與強度評定。通過對計算結果線性化處理，根據JB4732分析設計標準，可以發現碳化塔的開孔結構符合要求。

應力分析；強度評定；有限元模擬；線性化

1 碳化塔簡介

碳化塔由兩段組成，如圖1所示，煅燒爐氣由塔下部進入，被塔上部進入的氨鹽水吸收，所得堿液由塔下部管道流出[1]。為防止出堿液溫度高等現象影響生產效率，下段氣體溫度需控制在設計范圍內，Φ3000/3500碳化塔通過在塔下部安裝八個換熱器的方法來實現下段氣體的冷卻。該碳化塔材料為Q345R，塔體總高30 000 mm（不含裙座），容積為240 m3，下部塔體高14 812 mm，直徑為3 000 mm，厚30 mm，過渡段采用圓錐體結構，錐段高度為 600 mm，上部塔體直徑為 3 500 mm，厚 24 mm，裙座高1 450 mm，厚30 mm，與塔對接焊。在下部塔體開8個2 200 mm×1 250 mm的矩形孔，以安裝換熱器。

圖1 碳化塔結構簡圖

該結構殼程物料為氨鹽水與煅燒爐氣，工作壓力為 0.6 MPa，工作溫度為65℃，管程物料為水，工作壓力為0.25 MPa，工作溫度為 25℃.

2 碳化塔簡化模型

由于碳化塔內件較多且結構復雜，在對碳化塔整體結構的強度分析中影響也不顯著，因此在對碳化塔進行有限元建模時忽略內件的影響，僅在施加塔體的重力載荷時通過施加當量重力加速度的方法將塔內件的質量考慮進去[5]。

在碳化塔的實際結構中，換熱器的換熱管對管板有一定的約束作用，開孔也會削弱管板的強度。但在分析中，若將換熱管及開孔反映在模型上會大大增加模型的復雜程度和計算時間，因此，本分析通過在管箱伸進塔體部分的截面上施加平行于換熱管軸向位移約束來考慮換熱管對管板的影響，通過計算管板的當量材料系數（如彈性模量、泊松比等）來考慮開孔對管板的削弱影響。

形狀尺寸：按簡化所述，模型部分包括碳化塔上部筒體、過渡段、下部筒體、橢圓封頭、裙座，換熱器管箱、管板、分程隔板。

其中，塔體總高 30 000 mm（不含裙座），下部塔體高度 14 812 mm，直徑為3 000 mm，厚 30 mm，過渡段高度 600 mm，上部塔體直徑為3 500 mm，厚24 mm，標準橢圓封頭厚30 mm，裙座高1 450 mm，厚30 mm，換熱器管箱與分程隔板厚度為30 mm，管板厚度為60 mm.模型如圖2所示。

圖2 模型圖

材料：根據要求，碳化塔的材料為 Q345R.由上所述，管板上開孔削弱的影響通過降低管板的材料系數來考慮，根據ASMEⅧ中強制性的規定，管板部分的彈性模量修改為92 GPa，泊松比修改為 0.27.除管板外，其它部分的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3.所有材料的密度均為7 850 kg/m3.

網格劃分：單元類型選用SOLID45八節點三維實體單元，模型建立了 303 390個節點，226 206個網格單元，網格如圖3所示。

圖3 網格圖

3 模型的有限元分析及結果評定

模型應力分布圖建立的模型如圖4所示。

圖4 筒體模型應力分布圖

最大應力出現在從碳化塔下部開始數第二個換熱器與下部塔體的連接處。在換熱器管箱與塔體的連接處，由于結構的不連續出現應力集中現象，最大應力點附近應力衰減嚴重。本次評定保守地在管箱、塔體上取出含最大應力附近的部分單元進行評定。圖5為管箱部分應力云圖。

圖5 筒體管箱局部應力圖

線性化結果如圖6所示。

圖6 M2模型路徑1線性化結果

由圖6可知，一次局部薄膜應力數值基本保持不變，一次加二次應力數值隨著應變的增大而逐漸減小，總應力數值也隨著應變的增大而逐漸減小。（結果分析）

將路徑1的線性化結果和應力強度許用極限值列于表1.

表1 線性應力結果

由表1可知，該路徑處的線性化結果滿足強度要求。

4 結束語

綜上所述，含大開孔的Φ3000/3500碳化塔在考慮了重力載荷、管程壓力、殼程壓力和2種方向的風載荷的作用下，筒體采用 30 mm，其最大應力為 403 MPa，按JB4732應力分類方法，一次應力和二次應力均滿足應力強度許用值的要求。因此，該碳化塔結構強度滿足要求。

[1]梅 明，陳 濤.聯堿碳化塔洗水制備輕質碳酸鈣[J].工業用水與廢水，2013（06）：27-30.

[2]沙朝建.φ3000篩板碳化塔的使用和操控要點[J].純堿工業，2016（05）：10-13.

[3]王 遠，丁超然.大型篩板碳化塔的研究與應用[J].純堿工業，2014（06）：3-11.

[4]羅惠敏.焦炭塔自動底蓋機系統的設計分析與研究 [D].北京：北京化工大學，2015.

[5]繆飛飛.旋風分離器大開孔的有限元分析[D].上海：華東理工大學，2015.

Stress Analysis and Strength Evaluation of Opening Structure of Carbonized Tower

WANG Zai-liang1，CHANG Hao-hao2，GUO Jian-zhi2，GOU Ming-song2，CHEN Peng2，XV Zhao-mei2
（1.Jiangsu Keshen Chemical Machinery Co.，Ltd.，Huai’an Jiangsu 223002，China；2.Department of Chemical Engineering，Huai yin Institute of Technology，Huai’an Jiangsu 223003，China）

In view of the structure of the Φ3000/3500 carbonization tower，the lower part of the tower is 3000 mm in diameter，and a rectangle hole of 2200 × 1250 mm is opened.The structure is very special，so the finite element simulation of the rectangular hole is carried out by ANSYS software，and the stress analysis and strength evaluation of the opening structure of the carbonization tower are carried out.By linearization of the calculated results，according to the JB4732 analysis design standard，it can be found that the pore structure of the carbonization tower meets the requirements.

stress analysis；strength evaluation；finite element simulation；linearization

TQ053.5

A

1672-545X（2017）10-0217-03

2017-07-25

王在良（1972-），男，江蘇淮安人，本科，高級工程師，研究方向：節能環保化工裝備、壓力容器產品。