小直徑高聳塔器撓度控制分析

王素敏

[摘 ? ?要]小直徑高聳塔器在我國化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，但在實際使用過程中往往會由于風(fēng)力載荷、地震載荷等原因致使高聳塔器發(fā)生形變，這時候往往會導(dǎo)致塔頂產(chǎn)生較大的撓度。想要使小直徑高聳塔器設(shè)計以及運(yùn)用效果更加理想，應(yīng)該注意對其載荷或者外界因素致使振動條件下的撓度進(jìn)行分析，為今后小直徑高聳塔器更好地響應(yīng)外界作用力奠定堅實技術(shù)基礎(chǔ)?；诖?，對小直徑高聳塔器撓度控制進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞]小直徑高聳塔器;撓度;控制

[中圖分類號]TQ053.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]For small diameter towering tower， it is often used in chemical production in China， but in the actual use process， it will often cause deformation due to wind load， earthquake load and other reasons， which will often lead to a large deflection of the tower top. In order to make the design and application of small diameter towering tower more ideal， attention should be paid to the analysis of the deflection under vibration conditions caused by its load or external factors. In order to lay a solid technical foundation for the future small diameter towering tower to better respond to external forces. Based on this， this paper attempts to analyze the deflection control of small diameter towering tower.

[Keywords]small diameter towering tower; deflection; control

從現(xiàn)階段我國化工生產(chǎn)開展實際情況來看，所應(yīng)用的很大一部分裝置由于實際生產(chǎn)需要，將其設(shè)置為直徑較小、高度較高的高聳塔器，此類塔器通常特點體現(xiàn)為塔身較為細(xì)長，并且設(shè)備對強(qiáng)風(fēng)以及地震載荷所產(chǎn)生的撓度較大，因此對其撓度進(jìn)行針對性控制是非常有必要的。目前，我國中所應(yīng)用的塔器頂部撓度過大可能會對塔器自身產(chǎn)生多種影響，從而致使最終化工生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量不合格的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，對小直徑高聳塔器撓度控制進(jìn)行針對性分析是非常有必要的。

1 小直徑高聳塔器頂部撓度過大對塔器主體的影響

1.1 導(dǎo)致氣液傳質(zhì)不均勻

在化工生產(chǎn)過程中應(yīng)用小直徑高聳塔器時，如果塔器頂部撓度過大，可能會導(dǎo)致原有的塔器工藝操作受到影響，使得工藝操作水平下降。同時，撓度過大還有可能導(dǎo)致塔盤傾斜的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而導(dǎo)致塔器內(nèi)部氣液傳質(zhì)不均勻，這也會使塔板工作效率明顯下降，從而影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 導(dǎo)致接管泄漏

接管是連接各塔器的重要結(jié)構(gòu)，如果被連接的塔器出現(xiàn)晃動過大的情況，很可能會導(dǎo)致接管與所連接塔體之間受到較大的拉力、壓力，通過多種作用力的綜合作用可能會導(dǎo)致連接處出現(xiàn)變形現(xiàn)象，進(jìn)而致使接管連接泄漏情況出現(xiàn)，如果塔體內(nèi)部裝有易燃或者易爆介質(zhì)，危險程度不堪設(shè)想。

1.3 增加現(xiàn)場檢修人員操作風(fēng)險

想要保證小直徑高聳塔器正常操作以及安全使用，要定期安排檢修人員進(jìn)行現(xiàn)場檢測維修，如果塔器頂部撓度較大，很可能會對現(xiàn)場檢修人員人身安全產(chǎn)生一定威脅。

2 引起小直徑高聳塔器撓度外載荷的因素

現(xiàn)階段來看，板式塔器在我國化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，尤其在石油煉油等生產(chǎn)中的應(yīng)用最為常見，是煉油生產(chǎn)過程中所需要的重要設(shè)備，通常情況下，塔器的高度與塔徑之比很大，其塔體壁較薄，這也是導(dǎo)致其出現(xiàn)塔器頂撓度過大現(xiàn)象的根本原因。通常情況下，會在風(fēng)力載荷等外載荷作用之下出現(xiàn)塔器頂部撓度過大的現(xiàn)象，這時候相關(guān)技術(shù)管理人員應(yīng)該注意對塔器撓度進(jìn)行限制。具體來說，引起高聳塔器撓度外載荷的因素主要包括以下幾個方面：①可能會受到外彎矩的作用，從而致使塔器撓度外載荷出現(xiàn)，例如在塔頂懸掛重物等;②集中應(yīng)力也可能導(dǎo)致外載荷出現(xiàn)，例如管道推力等;③還可能是均布載荷或者三角載荷，例如風(fēng)載荷等。

3 小直徑高聳塔器撓度控制方法

小直徑高聳塔器在石油化工生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)非常常見，屬于重要生產(chǎn)裝置，一般的塔式容器都需要按照塔式容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，也要對塔器各環(huán)節(jié)設(shè)定以及各種環(huán)境下操作可能性進(jìn)行分析，尤其要充分考慮到多種作用到塔器的載荷，通過這種方式來使其截面水平應(yīng)力得到保證，這樣才能使高聳塔器在實際化工生產(chǎn)中發(fā)揮出應(yīng)有效果。在對高聳塔器進(jìn)行應(yīng)用時，應(yīng)該注意對塔器頂部的最大撓度進(jìn)行計算，同時還要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對最大塔器撓度進(jìn)行控制。目前，我國化工生產(chǎn)中在對塔器撓度進(jìn)行控制時，主要會應(yīng)用到以下幾種方法。

（1）增加塔體壁厚。對于小直徑高聳塔器來說，其塔體壁厚情況勢必會直接影響到塔器頂部的最大撓度值，因此對塔體壁厚進(jìn)行調(diào)整是我國化工工程中非常常用的一種調(diào)整塔器撓度的方式。但是對于此種方式來說，往往存在一定缺點，主要表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)性較低，由于設(shè)備筒節(jié)的抗彎模量與壁厚存在較為密切的線性關(guān)系，因此一味加厚塔體壁厚對塔體抗彎性能的提升效果并不明顯，往往需要較大的經(jīng)濟(jì)成本投入。同時，在外界風(fēng)力以及地震的作用下，很可能會導(dǎo)致高聳塔器的撓度值發(fā)生變化，通常需要先對塔器下部筒節(jié)實際厚度需求情況進(jìn)行精密計算，才能夠確定最終的塔體厚度。

（2）增加塔器直徑并且降低塔器總高度。對于這種方法來說，其優(yōu)勢體現(xiàn)在可以進(jìn)一步增加塔體的固有頻率，從而使其周期發(fā)生改變，通過這種方式能夠有效避免塔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)因為振動而發(fā)生變化，這種方法在我國也有較為廣泛的應(yīng)用。但是這種方法的應(yīng)用效果往往取決于工藝以及設(shè)計參數(shù)情況，需要相關(guān)工程設(shè)計師自身具有較強(qiáng)的專業(yè)素質(zhì)，同時還要在設(shè)計工作正式開始之前，對石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置的整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況有充分了解，對工藝條件進(jìn)行確定，這樣才能使塔器設(shè)計滿足工藝要求，從而達(dá)到控制塔器撓度的效果。

（3）在塔體上設(shè)置導(dǎo)向支架。想要使小直徑高聳塔器撓度值得到有效控制，在塔體上部設(shè)置導(dǎo)向支架不失為一種合理的方式，當(dāng)高聳塔器被放置在框架中之后，相關(guān)操作人員應(yīng)該注意在框架中設(shè)置一個或者幾個導(dǎo)向支架，通過這種方式可以起到轉(zhuǎn)變風(fēng)向的效果，從而實現(xiàn)對風(fēng)載荷的調(diào)整，將其通過支架傳遞到了框架上，這也使得風(fēng)載不會對塔體產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而在很大程度上降低了因為風(fēng)載而致使塔器頂部出現(xiàn)撓度的現(xiàn)象發(fā)生，有利于撓度控制工作的開展。同時，在塔體上部設(shè)置導(dǎo)向支架的另一個重要作用還體現(xiàn)在其使得風(fēng)載以及地震載荷能夠更為均勻地傳遞到框架結(jié)構(gòu)上，不會對框架結(jié)構(gòu)的某一支撐點產(chǎn)生較大的作用力，這也使得框架結(jié)構(gòu)受損害的可能性極大降低。在保證了框架結(jié)構(gòu)受作用力均勻的前提之下，也減輕了設(shè)備本體所受到的軸向力，使得設(shè)備在實際運(yùn)轉(zhuǎn)使用的過程中不會出現(xiàn)強(qiáng)烈震動的現(xiàn)象。

（4）在塔體周圍焊接翅片。對于此種方式來說，我國石油化工生產(chǎn)中有相對廣泛的應(yīng)用，其主要是指在塔體上部焊接一些能夠消除漩渦的翅片，通常以螺旋式或者軸向式為主，通過這種方式可以使風(fēng)載荷明顯減小，同時也減小了彎矩，使得撓度值降低。但是由于在石油化工生產(chǎn)過程中所應(yīng)用的絕大多數(shù)塔器外部都有保溫層，因此想要在塔器上部安裝一定數(shù)量的翅片往往存在難度，需要對塔器上的吊耳、梯子以及支架管線等位置進(jìn)行合理安排，通過這種方式來確定翅片的具體安裝位置，這樣才能使翅片的安裝不會對塔器的原有外部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這也就致使翅片焊接安裝復(fù)雜程度明顯提升，需要克服多種外在因素才能夠達(dá)到對塔器撓度進(jìn)行有效控制的效果。

4 小直徑高聳塔器撓度控制實踐探索

以H市某石油化工生產(chǎn)項目為例，在實際展開生產(chǎn)操作時會利用到一臺閃蒸塔，并且閃蒸塔的高度要遠(yuǎn)超過其直徑，閃蒸塔的主要參數(shù)如表1所示。

4.1 小直徑高聳塔器撓度控制方法

在對塔器常規(guī)計算方式進(jìn)行應(yīng)用時，應(yīng)該注意保證其要求在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，本次嘗試對塔器的壁厚進(jìn)行增加，由原來的26 mm增加至34 mm，裙座的厚度由原來的35 mm增加至42 mm，但是整體來看經(jīng)濟(jì)性較低;由于本案例閃蒸塔的保溫層厚度較大，并且塔體側(cè)面以及上部的附件較多，不適合安裝旋轉(zhuǎn)式或者軸向式翅片。

經(jīng)過綜合分析之后，考慮將閃蒸塔放置在框架結(jié)構(gòu)之中，在塔器的上部增設(shè)導(dǎo)向支架，在對導(dǎo)向支架進(jìn)行選擇時，充分考慮到了裝置的實際需求情況，保證了導(dǎo)向支架只允許塔體在軸向進(jìn)行自由伸縮，這樣使得導(dǎo)向支架的安裝利用效果得到了充分體現(xiàn)，實現(xiàn)了對塔頂撓度的有效降低。同時也在很大程度上限制了塔器的搖擺幅度，使得風(fēng)荷載以及地震荷載對塔器彎度以及撓度所產(chǎn)生的影響明顯降低，也使得裝置的整體受力明顯改善。

4.2 理論計算

石油化工生產(chǎn)項目確定通過設(shè)置導(dǎo)向支架的方式來對塔器撓度進(jìn)行控制之后，需要應(yīng)用有限元的方式對塔體進(jìn)行整體分析，從而根據(jù)塔體自身實際情況得到相應(yīng)的計算結(jié)果，這對相關(guān)設(shè)計人員自身專業(yè)素質(zhì)有很高的要求，每個設(shè)計人員最終所得到的計算結(jié)果存在一定差異性，需要對多個計算結(jié)果進(jìn)行平均值獲取，從而將得到的數(shù)據(jù)參數(shù)應(yīng)用到導(dǎo)向支架設(shè)置中。在進(jìn)行導(dǎo)向支架塔器計算操作時，會涉及到以下幾個環(huán)節(jié)步驟：①要利用sw6軟件進(jìn)行計算，從最終計算結(jié)果中提取出風(fēng)載荷以及地震載荷;②將計算模型轉(zhuǎn)換為單元模型并且求出每個單元的截面彎矩;③按照已有的向心力計算書中規(guī)定來確定最終彎矩是否合格，如果數(shù)據(jù)不合格，應(yīng)該注意對塔器厚度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，再重新展開計算。

為了保證最終計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要應(yīng)用有限元模型的方式來進(jìn)行計算模型構(gòu)建，具體實施方法體現(xiàn)為以下幾個步驟：①要對塔器整體的計算模型有具體了解，并且要保證塔體每個截面、節(jié)點處都與有限元模型的實際展示相符合;②對塔器的計算進(jìn)行規(guī)范，每段筒節(jié)的最高處風(fēng)壓應(yīng)該設(shè)定為這一整段的均布風(fēng)載荷，并且要對其順風(fēng)向水平風(fēng)力、段長、均布載荷情況進(jìn)行確定，從而保證其與有限元模型的各項要求相符合;③要針對塔器的裙座底部進(jìn)行固定支架模型計算，通過這種方式來確定最終的位移束縛位置。

在進(jìn)行風(fēng)載荷以及地震載荷計算時，應(yīng)該注意對其等效載荷進(jìn)行確定，要按照塔器計算規(guī)范的要求來對每一筒節(jié)部分進(jìn)行單獨計算，要應(yīng)用sw6軟件在計算書中提取風(fēng)載荷以及地震載荷相關(guān)參數(shù)，通過sw6軟件的應(yīng)用可以實現(xiàn)對風(fēng)載荷水平推力值以及彎矩值的確定，同時還可以實現(xiàn)對各段地震載荷所帶來的自振周期變化情況進(jìn)行確定，這也使得最終理論計算結(jié)果的可參考性明顯提升。

5 結(jié)束語

經(jīng)過對石油化工生產(chǎn)中所應(yīng)用的小直徑高聳塔器撓度控制進(jìn)行探索之后，可以看出，塔器撓度控制對化工生產(chǎn)工作的開展會產(chǎn)生重要影響。與此同時，塔器撓度控制工作的開展往往具有一定針對性，需要根據(jù)塔器自身實際條件情況來對風(fēng)載荷以及地震載荷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這樣才能使高聳塔器塔頂撓度得到有效控制，進(jìn)而降低生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)風(fēng)險，這也保證了最終化工產(chǎn)品的品質(zhì)以及相關(guān)操作人員人身安全。

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