利舊塔器中間球冠封頭優(yōu)化設(shè)計的有限元分析

田 震

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

1 整體描述

圖1 減壓汽提塔中間球冠封頭

隨著某些煉化企業(yè)裝置的改造升級，塔器的利舊使用是設(shè)計中經(jīng)常遇到的問題，尤其塔器在同裝置中不同位置及不同裝置中使用是設(shè)備設(shè)計計算的重要內(nèi)容。具有中間球冠封頭的減壓汽提塔利舊使用中，中間球冠封頭的穩(wěn)定性核算是利舊計算中的重要內(nèi)容，尤其中間球冠封頭在原裝置中未承受負(fù)壓(常壓工作)，在利舊使用的裝置中會出現(xiàn)負(fù)壓工況的情況。本文采用有限元法對減壓汽提塔中間球冠封頭的利舊方案進(jìn)行分析以保證方案的安全可靠[1]。優(yōu)化方案為a筋板與筒體不相焊，b筋板與筒體相焊。

圖1為生產(chǎn)實際中利舊的減壓汽提塔中間球冠封頭。

球冠封頭負(fù)壓工況取0.1MPa。材質(zhì)為不銹鋼，腐蝕裕量為0mm。

2 中間球冠封頭穩(wěn)定性分析

2.1 有限元模型分析參數(shù)設(shè)置[2-3]

單元選擇shell181單元，泊松比均取0.3，彈性模量取1.87e5MPa。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件施加

由于為對稱結(jié)構(gòu)，選取1/4建立網(wǎng)格模型，如圖2所示，邊界條件如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格

圖3 邊界條件

球冠封頭負(fù)壓工況(0.1MPa)下，限制筒體上端縱向位移，限制上端一端端點全位移，上端一端端點水平位移。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行失穩(wěn)計算分析，得到兩個方案的失穩(wěn)分析結(jié)果，如圖4，圖5所示。

圖4 方案a載荷步與應(yīng)變曲線

圖5 方案b載荷步與應(yīng)變曲線

2.3 結(jié)果評定

如圖4與圖5所示，球冠封頭在負(fù)壓作用下，兩個方案失穩(wěn)的最大壓力保守為18MPa×0.2(其實可以取到0.3)=3.6MPa，所以中間球冠封頭利用兩個方案中的任意方案都是安全可靠的。

對比與方案a，方案b的穩(wěn)定性更好，所以從分析結(jié)果來看，方案b是更優(yōu)的方案，但是在方案b實施過程中應(yīng)注意筒體與球冠封頭焊縫的位置，在筋板焊接過程中應(yīng)減少筋板焊縫對其的影響。

3 結(jié)語

本文利用有限元法分析了利舊減壓汽提塔中間球冠封頭在承受負(fù)壓工況下優(yōu)化方案的穩(wěn)定性，基于分析結(jié)果，確定了兩個優(yōu)化方案的安全可靠性，并且論證了筋板與球冠封頭和筒體同時焊接的結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性。

本文對中間球冠封頭外壓失穩(wěn)的計算分析，彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計無法對帶筋球冠負(fù)壓工況進(jìn)行計算設(shè)計的不足。

[1] 王志文.化工容器設(shè)計[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.

[2] 王國強(qiáng).實用數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[3] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工設(shè)備中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.