大型焦炭塔裙座對接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計。通過對焦炭塔模型的應(yīng)力分析可知，升溫過程和降溫過程的最大應(yīng)力均發(fā)生在相同位置，即在裙座上部翻邊處及裙座外側(cè)斜邊與上焊縫的交匯處，在升溫階段最大應(yīng)力達到386MPa，降溫階段最大應(yīng)力強度達208MPa，在遠(yuǎn)離焊縫的部位存在明顯的應(yīng)力衰減。將應(yīng)力較大部位進行線性化處理，對該部位進行安全評定，結(jié)果顯示滿足強度要求。

關(guān)鍵詞：大型焦炭塔;裙座;結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析;優(yōu)化設(shè)計

1裙座的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

1.1裙座上開膨脹縫

在裙座上開設(shè)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(shè)膨脹縫降低，因而焊縫處的應(yīng)力也隨之變小;溫度變化產(chǎn)生的熱膨脹差也可以通過膨脹縫減小，起到降低溫差應(yīng)力的作用。由上文的分析結(jié)果可知，開孔處附近將產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，當(dāng)開孔處與焊縫處之間的距離選擇不恰當(dāng)，勢必引起兩方局部應(yīng)力疊加，產(chǎn)生更大的集中應(yīng)力，引起開孔處與焊縫之間部位開裂[2]。

1.2支座上移結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yīng)力較低，與原來結(jié)構(gòu)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(yīng)的改善。如此改進也為原來的延遲焦化擴能改造創(chuàng)造了條件，可節(jié)省大量資金。

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

2優(yōu)化設(shè)計的基本原理

優(yōu)化設(shè)計顧名思義，可將其理解為通過計算機作為數(shù)據(jù)處理與計算工具，在一定的約束條件下尋找最優(yōu)方案。在滿足所有約束條件下，若某一種設(shè)計方案可達到所需的輸出（如重量，體積，面積，應(yīng)力，費用等）最小的目的，則這種設(shè)計方案就是所謂的“最優(yōu)設(shè)計”。也就是說，最優(yōu)設(shè)計方案就是一種最有效的方案。設(shè)計方案各個方面都可以進行優(yōu)化，常見的優(yōu)化目標(biāo)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(shè)計中只要是參數(shù)化的ANSYSWorkbench選項都可以做優(yōu)化設(shè)計。計算機優(yōu)化設(shè)計是一種現(xiàn)代設(shè)計方法，得益于近代數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與計算機的發(fā)展，使得大型結(jié)構(gòu)與計算優(yōu)化在短時間內(nèi)完成成為可能。優(yōu)化設(shè)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(biāo)函數(shù)極值，從而獲得最優(yōu)優(yōu)化設(shè)計方案。設(shè)計變量的變化范圍就是每一個設(shè)計變量的上下限。狀態(tài)變量（SVs）是約束設(shè)計的數(shù)值。它們是“因變量”，是設(shè)計變量的函數(shù)。狀態(tài)變量的數(shù)值限制可能是單向的也可能是雙向的。目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化的結(jié)果，故要求數(shù)值要盡量小。

3結(jié)果分析

3.1塔體重量及最大應(yīng)力強度極值

運行ResponseSurface優(yōu)化計算程序，在Min-MaxSearch函數(shù)統(tǒng)計下可獲得塔體重量和裙座應(yīng)力集中處最大應(yīng)力強度極值以及與其對應(yīng)的設(shè)計變量值。其中，A為初始設(shè)計方案;B為P6（塔體質(zhì)量）最小值方案;C為P7（最大應(yīng)力強度）最小值方案;D為P6（塔體質(zhì)量）最大值方案;E為P7（最大應(yīng)力強度）取最大值方案。方案B與方案E裙座處最大應(yīng)力強度值已經(jīng)超出了JB-4732的限制值390MPa，雖然降低了塔體重量但是應(yīng)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(jié)論，在給定的設(shè)計變量變化范圍內(nèi)增大結(jié)構(gòu)尺寸可以有效的減小裙座處最大應(yīng)力強度數(shù)值，最小值達294.82MPa，比原來降低了23.62%。但是在實際生產(chǎn)中需要綜合考慮，如此設(shè)計會增加塔體重量，增加生產(chǎn)成本。

3.2 設(shè)計變量對裙座處最大應(yīng)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(yīng)力強度P7之間的變化。設(shè)計變量與P7之間的關(guān)系整體上是負(fù)相關(guān)的，且基本上都是非線性的。可以看出隨著設(shè)計變量的增加強度值在一直減小。隨設(shè)計變量的變化最大應(yīng)力強度值呈現(xiàn)波動性變化，但是整體方向在減少。

3.3 設(shè)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(guān)系。所有的設(shè)計變量與整體質(zhì)量P6都是正相關(guān)的，基本成線性關(guān)系：隨著設(shè)計變量尺寸的增加整體質(zhì)量也隨之增加。從質(zhì)量增加的數(shù)值上看，對其影響最大的設(shè)計變量是H21，隨著設(shè)計變量H21的增加，質(zhì)量增幅最大，達2000kg。其它設(shè)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(shù)變化對模型運行結(jié)果的影響程度，在各設(shè)計變量的變化范圍內(nèi)，總體來看，H21對塔體質(zhì)量影響最大，其靈敏度為0.15，其它設(shè)計變量對質(zhì)量的影響基本為0，實際當(dāng)中由于焦炭塔尺寸巨大，設(shè)計變量中的尺寸與之相比基本可被忽略，故對塔體質(zhì)量基本沒有影響滿足工程實際情況。對于結(jié)構(gòu)尺寸而言，其設(shè)計好壞直接影響裙座部位的應(yīng)力強度分布，可以看出4個設(shè)計變量對最大應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)改進和可靠性設(shè)計指明了方向。由分析結(jié)果可知，對焦炭塔裙座進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可重點考慮裙座上部翻邊的設(shè)計及裙座壁厚，這樣可以快速、有效地實現(xiàn)裙座結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進。

4 結(jié)論

通過對優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)面/曲線及靈敏度的分析，可以知道對于模型質(zhì)量影響最大的參數(shù)是裙座壁厚H21，其它優(yōu)化尺寸對其基本沒有影響，符合實際工況;在最大應(yīng)力強度的影響方面，四個優(yōu)化參數(shù)均有反向作用，其中影響最大的設(shè)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(nèi)翻邊半徑越大，裙座處的最大應(yīng)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(jié)構(gòu)的模態(tài)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(huán)載荷下的疲勞分析[D].中國石油大學(xué)，2009.