化工塔器的應力失穩與優化設計

文獻娜，胡尊旭，張建政

（1.山東金沂蒙化工機械有限公司，山東臨沂 276700；2.山東省臨沂市三豐化工有限公司，山東臨沂 276700）

工業行業中塔器有多種分類，尤其是化工行業應用相對較多，隨著化工產品的多樣化，化工設備與高壓反應容器等的復雜化、精細化要求，在實際安裝使用時，對塔器操作也提出了更為嚴苛的要求。塔器作為化工企業的核心反應容器，不論制造還是安裝，相較于其他設備的運行都更加復雜危險，施工難度系數也較大，造價成本高，操作流程繁瑣，為了確保在實際生產條件下，不因為出現人為失誤，或者設備故障而發生事故，為了降低經濟損失，確保人員安全，應該高度重視塔器設計的每一項環節，不論結構方面，還是功能方面，都要精心考慮，比如大型塔器設備，高徑比規格>15，高度超過30m的設備，其底部裙座和下封頭之間的焊縫處實際使用時，如遇到大風天氣，容易產生橫向共振而破壞失穩，因此，需要對橫向風流共振強度進行判斷和計算，從而采取針對性措施進行規避風險。如何通過優化塔器設計，確保設備運行的安全性、穩定性，不斷提升工業效率，確保操作人員的生命安全，值得不斷深思與探討[1]。

1 液壓裝置的試驗設計

當壓力容器壓力較低，而塔器設計高度高時，此時的液柱靜壓對于液壓試驗起到關鍵性作用。按照塔器容器的設計標準，對塔器采取液壓試驗，當置于臥置試驗狀態下，液柱靜壓的影響是首要考慮因素，在低壓設計情況下，不論是計算壓力，還是實驗壓力，都不可忽視液柱靜壓的存在影響；只有當設計壓力大于液柱靜壓5%的狀態下，液柱靜壓才可在設計壓力中不做考慮。反之，如果液柱靜壓值超過實驗壓力值的6%時，必須將液柱靜壓影響納入設計。

試驗過程演示：

1）在預先設定的實驗溫度條件下，計算后的一次薄膜應力強度SI與試驗材料屈服強度R eL （R P0.2 ）相比，應不大于R eL 的90%。

2）經過計算所得，將一次薄膜與一次彎曲的應力強度進行疊加，將該應力強度視為SII，按照計算公式推斷結論：當薄膜應力強度SI不超過屈服強度R eL 的0.67倍時，SII值應小于屈服強度R eL 的1.35倍；當薄膜應力強度SI超過屈服強度R eL 的0.67倍，且不超過屈服強度R eL 的90%時，SII值應不超過2.15倍屈服強度R eL與1.2倍薄膜應力強度SI之差。如表1所示，不同壓力狀態下的應力強度分布。

表1 不同壓力狀態下的應力強度分布

2 塔殼應力分布的審校

當存在附加載荷作用在塔體上時，應該對塔殼表面的應力分布進行一次分析校準，比如外接管道對于塔體的推力作用，塔殼本身自帶的支撐梁、吊耳和裙座等附件產生的作用力等，都會對塔殼產生應力的重新分布，通過對分布的應力進行計算，例如塔殼上懸掛再沸器時，其支架需要與塔殼進行焊接固定，經過對支架鋼結構的計算標準，可以選擇符合載荷要求的鋼材，進而根據鋼材選用，可計算出塔殼殼體的壁厚要求，最終確保安裝質量與載荷安全。此外，為了緩解附件應力直接作用在塔殼殼體表面，還可以通過在殼體需要連接附件的焊接處加工墊板的方法，使得焊接后的應力集中作用在焊板上，避免了在殼體分布的障礙，但是，雖然墊板代替了殼體承受外載荷，但為了確保運行安全，還需要注意墊板焊縫的質量與牢固程度，必須滿足焊接強度要求，杜絕出現新的安全隱患。其次，再比如在設備整體執行安裝的過程中，由于規格又大又重，為了減少對吊裝設備的破壞，需要對塔體外接裝吊耳，一般采用對稱軸式吊耳，依照此方法對塔器設備進行吊裝時，不僅要考慮吊耳自身強度的載荷要求，還需根據塔器安裝吊耳部位的設備壁厚情況進行分析判斷，計算能否承載吊耳與塔器之間的承重。對于此項施工技術，既是對操作人員技術經驗的考驗，也是需要對塔殼內外應力分布計算的準確性的考驗。此外，還有一種可能性，當塔器制造選用的是特種鋼材，或者合金鋼的情況下，吊耳焊接固定點不能與復合材料表面進行焊接，因為焊接后強度未經計算可能存在吊裝受力不均，強度不達標的狀況，影響吊裝安全施工，應該與復合材料的基層鋼材焊接，以求堅固性和穩定性，在焊接作業時，需要預先把焊接面焊縫周邊10mm范圍的復合層清除干凈，以確保焊接面的均勻受力，確保吊裝過程的安全執行。

3 地腳螺栓錨固設計

地腳螺栓作為塔器設備在工業場地的地基重要穩固件，需要充分考慮金屬件在不同溫度環境下熱脹冷縮的物理變化，尤其是塔器裙座與地腳螺栓連接后，若使用統一標準進行設計，當在極寒地區和高溫地區安裝使用時，會出現地基不穩的情況，尤其是當安裝完成運行階段，存在較大安全隱患，因此，需要根據安裝區域溫度來具體進行設計修訂，一般情況下，采用設計溫度按照當地月平均氣溫的最低值，加上20℃的調校溫度進行設計。比如取-20℃作為安裝標準，當地溫度大于-20℃時，可選用型材為Q235B、Q235C的鋼材進行加工；當設計溫度不超過-20℃時，可以選用型材為Q345D、Q345E的鋼材加工。在加工材質相同、設計強度滿足要求的條件下，為了確保塔器安裝固定的穩定性，以及受力的均勻，通常采用至少四條地腳螺栓進行固定。為了更好地分布受力，也可采用8條或是12條進行固定，根據實際底托盤面積具體選擇。此外，地腳螺栓的眼孔位置一般選擇對稱開槽，由中心軸向兩邊布置眼位，因此，在安裝地腳螺栓時，要嚴格按照螺栓開槽方位進行擺布固定，否則將會影響后期塔器設備裙座的落位安裝，導致安裝進度的拖延，甚至影響塔器設備的正常運行與使用。

4 裙座焊接設計

裙座是塔器固定的重要基礎，焊接質量的高低直接影響后期的穩固性，因此，按照標準要求，裙座的焊縫高度要超過裙座自身邊緣結構厚度的1.75倍，尤其是對于超高的大型塔器設備，更要具有牢固的裙座與地腳螺栓進行固定，以抵消強風天氣下產生的橫向風力共振效果，提高基座穩定。

由于裙座、下封頭之間的底部連接構件呈現不規則結構，其受力也出現不均勻的現象，邊緣端受力更為明顯，容易出現應力的峰值區域，當結構應力集中作用在裙座底部時，往往導致焊接部位不能承載負荷而脆化，產生結構疲勞，造成裙座的開焊斷裂，導致垮塌事故發生。為了避免這一結局出現，應將焊縫與構件連接部位盡量調整圓滑，使得應力集中區域能夠得到有效分散，降低應力峰值區域的接觸面積，從而緩解產生焊縫斷裂的風險。此外，焊接高度的不同也會在設備自重與橫向風力作用下產生共振彎曲的現象，焊縫高度過大，則會導致塔器整體失穩，強度下降；焊縫高度過低，則會因為自身焊接強度達不到要求，造成無法承重而產生斷裂的結果。因此，如何調整焊接高度到合適標準，才是確保焊接強度與質量的關鍵技術。

5 疲勞工況的強度校核

在疲勞工況條件下運行的塔器設備，除了需要計算其靜強度載荷外，還需要考慮不同疲勞工況強度下，存在多重外部環境的影響，比如高低壓力的影響及高低溫度的影響等，都會對裙座與地腳螺栓，以及焊接構件的焊縫處壓力產生變化。當處于溫度變量環境中，存在焊縫處的熱脹冷縮現象，但對于不同壁厚的塔器來說，其溫度帶來的應力變化與載荷變化也會不同，較大壁厚可承載應力也較大，具有較好的抗拉伸延展性，能夠承載更多的應力分布；而壁厚相對較薄的塔器，則會缺失足夠強度的抵抗應力作用能力，相對負載能力較小，容易出現疲勞工況下的斷裂，導致塔器受損，因此，相較于壓力場帶來的結構破壞，溫度場產生的破壞效果與作用結局顯得更加復雜[3]。

6 塔器焊接穩定性優化設計

綜上所述，塔器安裝、固定及運行時的穩定性受到多種復雜因素的影響，歸根到底，還是對于裙座在不同條件下的焊接質量的標準要求，只有裙座的焊接質量滿足各種條件和運行工況的要求時，才能有效確保塔器的穩定運行。因此，基于上述的影響裙座焊接質量的若干影響因子，提出合理性的優化設計，進行有效解決。即裙座焊接部位的高低、厚薄應當根據承受載荷的數值進行預算，計算其合理的受力強度，再確定焊縫的具體尺寸，使得寬窄、厚薄處于合理區間，達到抗壓強度效果。再者而言，對于選擇特殊鋼材和復合金屬材料的裙座與塔器設備，可先打磨掉表層復合金屬材料，通過增加墊板的方式增加受力替代品，但需注意計算好墊板單位面積的載荷能否達到要求，從而利用已知載重反推需要的墊板面積，以確保焊接安全。

7 結語

圍繞化工設備塔器的生產制造與后期焊接固定等環節存在的技術問題開展研究分析，通過在不同試驗條件下對表層及內外結構產生的應力分布問題提出液柱靜壓對液壓裝置的壓力影響，并以計算方式得出一次薄膜應力強度與材料屈服強度之間的數值模擬關系。同時，對塔殼表面的應力分布特點，地腳螺栓錨固時受到設計溫度與施工安裝地區溫度存在差異條件下的穩定性問題開展探討，提出標準溫度臨界值的推算方法，并通過合理選用鋼材進行問題的解決。此外，對于影響塔器設備穩定性的裙座固定焊接工藝進行了詳細說明，針對各影響因素進行總結后，提出了合理的優化方案，有效解決了塔器設備應力分布與基座焊接等技術問題，經過實踐檢驗后可作為操作經驗進行推廣應用。