大型薄壁類塔器薄殼穩定性的技術研究

李 帥

中核機械工程有限公司 浙江嘉興 314300

浙石化二期項目C5分離裝置共有18 臺大型薄壁類塔器，其中部分塔器設備長度在70000mm 以上，且直徑不超過3400mm。對于這類長徑比較大的薄壁塔器，在吊裝時，需對吊裝過程中塔體各類穩定性（如撓度、強度等）進行分析和校核計算，其中最容易忽略的是筒體薄殼穩定性的校核計算。薄殼穩定性的校核，其核心內容是指設備在抬吊時，殼體縱向彎曲應力是否大于殼體許用軸向壓應力的極限值，若大于許用極限值，會導致設備殼體發生不可逆的變形。為避免發生這一問題，需對C5裝置的18 臺薄壁塔器全部進行薄殼穩定性的校核計算，并對那些薄殼穩定性不滿足要求的塔器提出解決方案。

1 技術難點分析

C5分離裝置共有16 臺薄壁類塔器，其長度均超過57000mm，且直徑均不大于4000mm（表1）。由于設備主吊耳均采用了側壁板式吊耳（頂封頭處），溜尾采用尾板式吊耳（裙座基礎環處），導致設備在水平起吊時，塔體中段筒節將承受較大彎矩。為防止出現不可逆的變形，對其殼體的薄殼穩定性進行校核計算。

表1 C5 分離裝置薄壁類塔器參數

校核穩定性首先需計算出各筒節的彎矩。由于各筒節的重量是由此段筒節凈重、內部預焊件重量、梯子平臺重量、保溫及鋁皮重量、附塔管線重量組成，故采用均值法計算出各段均布載荷。計算公式見式（1）。

式中：G——筒節總重量，t；

g1——筒節凈重量，t；

g2——筒節內部預焊件重量，t；

g3——筒節梯子平臺重量，t；

g4——筒節保溫及鋁皮重量，t；

g5——筒節附塔管線重量，t。

均布載荷（q）計算式見式（2）。

式中：q——均布載荷，N/ mm；

L——筒節長度，mm。

計算出各筒節均布載荷后，利用MDsolids3.5 軟件計算出各筒節的彎矩（也可通過公式計算）。圖1 為各筒節的最大彎矩。

圖1 各筒節最大彎矩

通過最大彎矩M，計算出各筒節上的縱向彎曲應力（σb），見式（3）。

式中：Di——筒節內徑，mm；

M——筒體最大彎矩，N·mm；

σb——縱向彎曲應力，MPa；

σ——筒節名義厚度減去材料厚度偏差，mm。

查閱GB/ T150.3《壓力容器第3 部分：設計》中對應外壓圓筒應力系數曲線圖。若A 值落在常溫下金屬材料線的右方，則過此點垂直上移，與常溫下金屬材料線相交（中間溫度用線性內插法），再過此交點水平方向右移，得到B 值；若系數A 落在常溫下金屬溫度線的左方，則按式（4）計算B 值。

式中：E——材料的彈性模量，MPa；

σ——筒節厚度，mm。

殼體許用軸向壓應力：［σ］cr=min｛B，［σ］｝穩定性校核：σb≤［σ］cr

則穩定性滿足要求。

根據此計算過程，分別對C5裝置16 臺薄壁塔的穩定性進行校核。計算發現，有6 臺塔穩定型不滿足要求，分別為異戊二烯萃取精餾塔A、異戊二烯萃取精餾塔B 和脫重組分塔A。

2 解決辦法

計算得到異戊二烯萃取精餾塔A 的16mm 筒節段縱向彎曲應力σb=126.42MPa,［σ］cr=MPa。由于該段的彎矩呈線性遞減，最大彎矩處是在與壁厚20mm 筒節的連接處。故要保證筒節在吊裝時不發生變形，需通過各種辦法減少此部分的彎曲應力，或增加此部分的許用軸向壓應力?？蓪嵤┑霓k法有以下幾種：

（1）調整主吊耳和溜尾吊耳的位置，將主吊耳下移或溜尾吊耳上移；

（2）增加此段筒節的壁厚，使其慣性矩增大，從而使殼體的許用軸向壓應力增大，通常采用換板或貼板的方法；

（3）對此段筒節進行加固，在筒體內外側設置加強圈或加強筋板，以增大殼體的許用軸向壓應力。

該塔的直徑為3400mm，長度70900mm，吊裝重量208.t，若使用管軸式吊耳，則需將主吊耳處筒節進行加厚，成本最少增加50 萬元。再結合設備的實際制造進度，塔體各筒節已基本完成焊接，SP- 13- 200- 40 和APB- 9- 200 型吊耳也已制造完成（待焊接），最終選擇貼板的方式來解決筒節薄殼穩定性不滿足的問題。即在16mm 厚筒節段最大彎矩處貼焊一塊長度4000mm、厚度10mm 的Q345R 鋼板，貼焊方式如圖2所示。

圖2 異戊二烯萃取精餾塔A 筒體加強處補強圈示意圖

制造廠根據我方提供的補強圈示意圖圖進行了排版，最終確定貼焊方案如圖3 所示。

圖3 異戊二烯萃取精餾塔A 筒體加強貼焊方案

同時，重新對貼焊后的此段筒節再進行校核計算，結果見圖4。

圖4 貼焊后筒節校核結果

對筒體局部進行了貼板補強（貼板厚度為10mm），貼板在計算時按其厚度的一半（5mm）進行計算， 補 強 后 該 段 筒 節 Di=3400mm、δ=21mm。L=4000mm 筒體段強度校核計算如下：

可見，水平吊裝時，該段筒節薄殼穩定性滿足要求。

利用同樣方法也解決了異戊二烯萃取精餾塔B、脫重組分塔A 這4 臺塔的薄殼穩定性不滿足要求的問題，最終6 臺設備均安全完成吊裝（圖5），驗證了此計算及解決方法的有效性。

3 結語

近年來，一方面隨著國內重點大型石化裝置規模的不斷擴大，裝置核心塔器的高度越來越高，高度在70000mm 以上的塔器已屢見不鮮；另一方面，越來越多的石化項目均將大型設備的吊裝吊耳歸口給吊裝單位進行設計。這就要求吊裝單位在吊耳設計時，需對設備吊裝過程中每一狀態下的塔體各項穩定性（如撓度、強度等）進行分析計算。而薄殼穩定性的校核計算常常是最容易忽略的一項。本文主要闡述了大型薄壁類塔器在吊耳設計時薄殼穩定性校核的一種方法，及穩定性不滿足要求時的解決方案，旨在為公司今后此類問題提供參考。