超大型塔器主吊耳處塔體局部應力計算方法比較

中國石油天然氣第一建設有限公司河南洛陽471023

目前國內石油煉化一體化項目規模宏大，化工設備超大型化設計、整體安裝趨勢明顯。重要設備高、大、重、薄等特征突出，設備整體吊裝具有工藝技術新、操作要求精、安裝難度大、安全要求高等特點。吊裝吊耳的設置和塔體局部應力問題直接關系到大型設備吊裝安全，故在吊耳設計和塔體局部力校核環節實現“本質安全”尤為重要。 TSG21、GB/T 150、NB/T 47041 均規定，在壓力容器設計時，載荷加載中要考慮運輸或吊裝的作用力，即在保證吊耳自身強度和設備連接強度的前提下，被吊設備局部穩定性仍需滿足要求。在超大型設備的吊裝實踐中，主吊耳承載能級均超出現有相關規范的可選用范圍，故此項工作多由吊裝單位和設計單位結合完成。吊裝單位根據設計單位提供的設備圖樣和平面布置圖等技術文件，提出設備吊裝總體方案和吊耳設計圖樣，并計算校核相關應力是否滿足要求；設計單位確認吊耳方位、標高等技術參數，并復核設備局部應力和設備整體穩定性。

恒力石化（大連）煉化有限公司2000萬t/a煉化一體化項目（以下簡稱大連恒力石化煉化一體化項目）二甲苯吊裝的吊耳設計和相關應力計算，分別應用HG/T 20582 、SW6、Pvdesktop、ANSYS 等方法進行分析比較，并在吊裝作業中對設備吊耳處塔體局部應力數據進行采集和分析。下文就具體設計和驗證對比工作展開論述。

1 概況

大連恒力石化煉化一體化項目大型設備中1#二甲苯塔為最高、最重設備。此設備整體到貨、整體吊裝，吊裝質量為2638t。基本吊裝參數及簡圖分別見表1和圖1。

圖1 1#二甲苯塔相關參數簡圖

2 主吊耳選型設計及塔體局部穩定性校核

2.1 主吊耳選型設計

此設備吊裝的主吊耳承載力需求超出國家現行相應技術標準的選用范圍，故根據實際吊裝受力情況自行設計管軸式吊耳并校核。

根據設備本體材質、外形尺寸等結構設計參數，結合總體吊裝方案需要，并充分考慮主吊具連接件的受力、選材、制造及組裝的適配性需求，再參照HG/T 2574對管軸式吊耳進行強度校核，并根據HG/T 20582對設備本體局部應力進行校核，在所有條件滿足條件下，優化設計吊耳結構。主吊耳設計及受力簡圖分別見圖2和圖3。

圖2 主吊耳結構圖

圖3 主吊耳受力示意圖

根據規范相應算例及公式和吊耳不同工況下的受力值，分別計算主吊耳的豎向載荷、橫向載荷、徑向彎矩、吊耳最大彎曲應力、吊耳拉應力、組合應力等，確保主吊耳能夠滿足強度要求。

2.2 應用HG/T 20582 校核塔體局部應力

2.2.1 主吊耳及吊耳處塔壁受力分析

（1）在設備始吊狀態下，主吊耳處塔壁組合應力為吊耳處塔壁受周向力（Vc）、周向力矩（Mc）和吊具偏角引發的徑向力（P），同時為安全考慮在將打破水平的臨界狀態下，吊耳與吊具摩擦力引發的對塔壁的扭矩（MT）的綜合作用。

（2）在設備就位狀態下，主吊耳處塔壁組合應力為吊耳處塔壁受軸向力（VL）、軸向的外力矩（ML）和吊具偏角引發的徑向力P，同時為安全考慮在臨界垂直的狀態下，吊耳與吊具摩擦力引發的對塔壁的扭矩MT的綜合作用。

詳見表2和圖4。

表2 吊裝過程中吊耳處塔壁受力情況

圖4 吊耳處塔壁應力示意圖

2.2.2 各狀態下主吊耳根部和主吊耳加強圈外緣塔體穩定校核

（1）根據吊裝受力分析和設備、吊耳基本數值，確定各狀態下主吊耳根部及加強圈外緣處各關鍵參數具體數值，見表3和表4。

（2）確定應力系數，根據β和γ數值，通過查圖，確定各應力系數。

（3）計算各狀態下吊耳根部及加強圈外緣塔壁局部應力。將主吊耳所受的各載荷、主吊耳與設備塔壁的相關參數、應力系數、計算公式編制并輸入excel表中進行計算。

（4）計算應力總值，計算出不同狀態下各點應力后，根據各類應力的校核條件逐點將各項應力進行疊加而求得軸向正應力（σx）、周向正應力（σφ）和剪切應力（1），然后按照公式（1）進行計算，取最大值作為復合應力的當量強度（σ）。

表3 始吊狀態關鍵參數表

表4 就位狀態關鍵參數表

2.2.3 各狀態下主吊耳根部和加強圈外緣塔體穩定校核

3 應用SW6對塔體局部應力復驗

應用SW6-2011 V3.0對計算結果進行復驗。該軟件通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會的評審，在國內應用非常廣泛。

根據二甲苯塔不同作業狀態下的技術參數，應用局部應力計算的相應界面，分別復驗其在始吊和就位狀態下的設備局部穩定性。算例截圖及計算結果見圖5和表6。

4 應用PV Desktop對塔體局部應力復驗

圖5 吊耳處塔壁應力計算圖

根據規范計算和判定依據進行對照，二甲苯塔吊耳根部及加強圈外緣處塔體局部應力如表5。

表5 各狀態下局部應力

表6 各狀態下局部應力計算書

同時，應用PVDesktop對塔體局部應力復驗，詳見圖6和圖7。該軟件也通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會的評審，在石化系統應用廣泛。

5 應用ANSYS對塔體局部應力復核

應用ANSYS R15.0自帶參數化APDL語言實現二甲苯塔的有限元模型建立、網格劃分、載荷施加、計算結果分析和提取等。

5.1 整體建模

根據二甲苯塔圖紙和吊耳設計圖以及吊裝受力計算，進行相關質量參數輸入，建立仿真分析模型。詳見圖8。

5.2 網格劃分

由于設備尺寸過大，整體采用較細網格尺寸計算量過大。因此，對主吊耳及主吊耳根部、抬尾吊耳及抬尾吊耳根部，進行局部網格細化，其余部分采用自有網格劃分。詳見圖9和圖10。

圖6 外載荷對圓筒引起的局部應力計算圖

圖7 外載荷對圓筒引起的局部應力計算書

5.3 邊界條件及載荷施加

對吊裝過程中的始吊和就位狀態進行約束模擬。詳見圖11。

（1） 始吊狀態：約束主吊耳管臂及抬尾吊耳軸孔的位移，對設備施加垂直于設備本體軸線的豎直向下的重力加速度及相關位置載荷。

（2） 就位狀態：約束主吊耳管臂的位移，對設備本體軸施加線豎直向下的重力加速度及相關位置載荷。

5.4 有限元仿真分析

5.4.1 始吊狀態

在始吊狀態下，管軸吊耳處綜合應力最大值為312.312 MPa，整體綜合位移最大值為40.034mm。詳見圖12和圖13。

5.4.2 就位狀態

在就位狀態下，管軸吊耳處綜合應力最大值為386.023MPa，整體綜合位移最大值為26.368mm。詳見圖14。

6 局部應力實時監測

圖8 二甲苯塔本體建模圖

圖9 二甲苯塔局部網格細化位置及整體效果圖

圖10 主吊及抬尾吊耳局部網格細化效果圖

委托具有相應資質的特種設備安全監督檢驗研究院在兩主吊耳根部及吊耳補強圈外緣典型位置對稱設置40組光纖BA-OFS30型應變計，應用FT210-16H型便攜式光纖傳感分析儀，在吊裝過程中對主吊耳根部及吊耳補強圈范圍內局部應力的分布及應變情況進行全檢測和數據采集分析，并與設備在始吊和就位狀態的典型工況下，主吊耳塔壁處局部應力的理論計算結果進行對比分析，驗證理論計算結果。詳見圖15和表7。

由以上測試結果可知，典型位置的應力測試數據整體均小于理論計算值。觀測點受力變化趨勢和理論計算的變化趨勢相同，理論計算值與測試結果在一個量級。

圖11 邊界條件及載荷施加效果圖

圖12 整體綜合應力分布及整體位移圖

圖13 吊耳位置綜合應力分布圖

圖14 整體及管軸吊耳綜合應力分布圖

圖15 應力應變測試位置布置圖

表7 典型工況測試結果

7 結束語

對比應變應力實測 ，HG/T20582、SW6、PVDesktop和ANSYS均能安全科學解決超大型塔器主吊耳處塔體局部應力計算問題。HG/T20582、SW6、PVDesktop均能“宏觀”分析判定塔體局部穩定性，而ANSYS更能“微觀”定點分析塔體“薄弱節點”應力分布。HG/T20582易為現場吊裝工程技術人員掌握，而SW6和PVDesktop多在設計院應用，需和現場吊裝工程技術人員緊密結合進行分析。目前ANSYS多被高校和科研機構掌握，而隨著GB/T33582的發布，相信ANSYS仿真分析技術在應用前景廣闊的石油化工吊裝工程領域會得到科學規范、快速熟練地推廣和實施。