大型焦炭塔裙座對接結構應力分析及優化設計

劉琳琳

摘 要：本文以某石化公司焦炭塔為研究對象，對大型焦炭塔裙座對接結構應力分析及優化設計。通過對焦炭塔模型的應力分析可知，升溫過程和降溫過程的最大應力均發生在相同位置，即在裙座上部翻邊處及裙座外側斜邊與上焊縫的交匯處，在升溫階段最大應力達到386MPa，降溫階段最大應力強度達208MPa，在遠離焊縫的部位存在明顯的應力衰減。將應力較大部位進行線性化處理，對該部位進行安全評定，結果顯示滿足強度要求。

關鍵詞：大型焦炭塔;裙座;結構應力分析;優化設計

1裙座的結構設計

我們知道板焊結構危險截面與整體鍛焊結構相近，但是在應力大小對比中，整體鍛焊結構的應力峰值遠小于新結構，從而說明對于板焊結構的設計尺寸還有優化的余地，本章節將利用workbench17.0中優化計算部分，對新結構的尺寸進行優化，以降低危險截面處最大應力數值提高其疲勞壽命，并得出影響應力最值及塔體重量的主要尺寸，為日后焦炭塔設計提供參考。裙座的結構設計一直以來都是焦炭塔設計的重點，焦炭塔設計成敗的關鍵，也在于是否選取了合理的裙座結構形式。近年來對于裙座結構的優化設計，工程師做了很多努力，提出了各種設計構想，很多在實際中已經得到應用[1]。

1.1裙座上開膨脹縫

在裙座上開設膨脹縫的目的是保護連接焊縫。裙座部位的剛性約束可以通過開設膨脹縫降低，因而焊縫處的應力也隨之變小;溫度變化產生的熱膨脹差也可以通過膨脹縫減小，起到降低溫差應力的作用。由上文的分析結果可知，開孔處附近將產生很大的局部應力，當開孔處與焊縫處之間的距離選擇不恰當，勢必引起兩方局部應力疊加，產生更大的集中應力，引起開孔處與焊縫之間部位開裂[2]。

1.2支座上移結構的提出

陳吉成在焦炭塔的變形開裂問題上做了大量研究，提出將傳統焦炭塔的下裙座支撐改為上裙座支撐，改進后塔體的膨脹可以從根本上消除。裙座處的應力較低，與原來結構相比溫度降低20℃，在水力除焦過程中的受力狀況也得到了相應的改善。如此改進也為原來的延遲焦化擴能改造創造了條件，可節省大量資金。

大部分改進的措施都是在降低裙座處的熱應力以提高焦炭塔的使用壽命，因為溫度差值和結構受到約束是產生熱應力的主要原因，所以優化措施也是以此為基礎的。常見的方法還有在裙座上設置加熱盤管，以降低溫差;裙座上設置熱箱結構也是出于對溫度的控制，同理改善保溫層等等。在結構上可以改進保溫結構，例如采用背帶式保溫結構降低約束，已解決垂直方向的熱膨脹差。本部分以板焊結構裙座尺寸為基礎，對其進行優化以降低最大應力的數值，提高其使用壽命[3]。

2優化設計的基本原理

優化設計顧名思義，可將其理解為通過計算機作為數據處理與計算工具，在一定的約束條件下尋找最優方案。在滿足所有約束條件下，若某一種設計方案可達到所需的輸出（如重量，體積，面積，應力，費用等）最小的目的，則這種設計方案就是所謂的“最優設計”。也就是說，最優設計方案就是一種最有效的方案。設計方案各個方面都可以進行優化，常見的優化目標如：形狀（如過渡圓角的大小），尺寸（如厚度），材料特性，自然頻率，制造費用，支撐位置等。實際上，在設計中只要是參數化的ANSYSWorkbench選項都可以做優化設計。計算機優化設計是一種現代設計方法，得益于近代數學規劃理論與計算機的發展，使得大型結構與計算優化在短時間內完成成為可能。優化設計的基本原理是通過求解在指定約束條件下的迭代計算來求得目標函數極值，從而獲得最優優化設計方案。設計變量的變化范圍就是每一個設計變量的上下限。狀態變量（SVs）是約束設計的數值。它們是“因變量”，是設計變量的函數。狀態變量的數值限制可能是單向的也可能是雙向的。目標函數是優化的結果，故要求數值要盡量小。

3結果分析

3.1塔體重量及最大應力強度極值

運行ResponseSurface優化計算程序，在Min-MaxSearch函數統計下可獲得塔體重量和裙座應力集中處最大應力強度極值以及與其對應的設計變量值。其中，A為初始設計方案;B為P6（塔體質量）最小值方案;C為P7（最大應力強度）最小值方案;D為P6（塔體質量）最大值方案;E為P7（最大應力強度）取最大值方案。方案B與方案E裙座處最大應力強度值已經超出了JB-4732的限制值390MPa，雖然降低了塔體重量但是應力強度方面不滿足要求，故這兩種方案不可行。對于方案C與方案D我們可以得出結論，在給定的設計變量變化范圍內增大結構尺寸可以有效的減小裙座處最大應力強度數值，最小值達294.82MPa，比原來降低了23.62%。但是在實際生產中需要綜合考慮，如此設計會增加塔體重量，增加生產成本。

3.2 設計變量對裙座處最大應力強度的影響

裙座上部斜邊與豎直方向的夾角A15、裙座上部翻邊R16、裙座焊縫底部封頭與塔體焊縫線的距離V7及裙座厚度H21與裙座處最大應力強度P7之間的變化。設計變量與P7之間的關系整體上是負相關的，且基本上都是非線性的。可以看出隨著設計變量的增加強度值在一直減小。隨設計變量的變化最大應力強度值呈現波動性變化，但是整體方向在減少。

3.3 設計變量整體重量的影響

裙座上部斜邊與豎直方向的夾角A15、裙座上部翻邊R16、裙座焊縫底部與封頭與塔體焊縫線的距離V7及裙座厚度H21與整體重量P6之間的變化關系。所有的設計變量與整體質量P6都是正相關的，基本成線性關系：隨著設計變量尺寸的增加整體質量也隨之增加。從質量增加的數值上看，對其影響最大的設計變量是H21，隨著設計變量H21的增加，質量增幅最大，達2000kg。其它設計變量對其影響甚微。

3.4 局部靈敏度

局部靈敏度（LocalSensitivity）分析檢驗單個參數變化對模型運行結果的影響程度，在各設計變量的變化范圍內，總體來看，H21對塔體質量影響最大，其靈敏度為0.15，其它設計變量對質量的影響基本為0，實際當中由于焦炭塔尺寸巨大，設計變量中的尺寸與之相比基本可被忽略，故對塔體質量基本沒有影響滿足工程實際情況。對于結構尺寸而言，其設計好壞直接影響裙座部位的應力強度分布，可以看出4個設計變量對最大應力強度的影響很大，其中A15與V7對其影響次之，靈敏度分別為-0.12和-0.075，對應力強度影響最大的是R16和H21，靈敏度分別為-0.2和-0.21。局部靈敏度分析為裙座結構改進和可靠性設計指明了方向。由分析結果可知，對焦炭塔裙座進行結構設計時，可重點考慮裙座上部翻邊的設計及裙座壁厚，這樣可以快速、有效地實現裙座結構優化和性能改進。

4 結論

通過對優化參數響應面/曲線及靈敏度的分析，可以知道對于模型質量影響最大的參數是裙座壁厚H21，其它優化尺寸對其基本沒有影響，符合實際工況;在最大應力強度的影響方面，四個優化參數均有反向作用，其中影響最大的設計變量是裙座上部翻邊R16及裙座壁厚H21，在允許的變化范圍內翻邊半徑越大，裙座處的最大應力強度就越小，綜合分析其它因素的影響，建議對于大型焦炭塔裙座翻邊半徑控制在25～30mm之間為宜。

參考文獻：

[1]邢玲，孫鐵，謝騰騰，鄭大智，張麗.9800焦炭塔結構的模態分析和振型研究[J].壓力容器，2012，29（02）：17-21.

[2]吳娜. 焦炭塔循環載荷下的疲勞分析[D].中國石油大學，2009.