固支梁自支撐式頂蓋數值模擬分析

張芳　李紅星　楊國政　楊寬利　王守杰　田艷龍

摘 要 為減小熱蒸汽對桁架行人安全的影響并滿足環保要求，國內新建煤化工項目均提出了沉降槽加蓋的要求，同時，早期項目的沉降槽設備也亟需優化。早期項目中沉降槽設備改造時，頂蓋布置空間有限是主要難點。利用ANSYS軟件對固支梁受均布和集中載荷工況時進行有限元分析，通過分析比較不同型號工字鋼支撐梁的作用，判別其變形和受力情況，得到滿足該工程條件的設備優化方案。

關鍵詞 沉降槽 頂蓋 自支撐 板梁結構 優化改造

中圖分類號 TQ051.8? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0220?06

沉降槽是煤制天然氣生產過程中渣和灰水處理工段的重要設備，主要作用是利用重力沉降達到固液分離的目的，可靠、合理的結構是安全生產的基本要求［1］。沉降槽通常直徑較大，為常壓設備，常因操作上的各種失誤出現沉降槽“跑渾”、“垮塌”等事故［2］，因此保證設備的剛度尤為重要，但沉降槽設置頂蓋勢必對槽體上部筒體剛度造成影響，另外，槽體內部設有長期工作的攪拌槳，需要定期觀測，且黑水被界定為輕度危害介質，故大多項目中并未設計頂蓋結構。而熱蒸汽對桁架行人安全和環境均有影響，隨著人們環保意識的日益提高，防治生產建設過程中產生的廢氣、廢水、廢渣等工作也備受關注，故沉降槽加蓋勢在必行。

沉降槽頂蓋結構有固支梁自支撐式結構和拱形結構兩種。早期項目設計時大多未考慮加蓋空間，設備桁架底部距離筒體上端部空間僅1 500 mm，拱形結構不符合高徑比要求，因此只能選擇固支梁自支撐式結構。頂蓋采用固支梁自支撐錐頂設計時，在筒體和頂蓋的支撐梁連接部位徑向應力較大，存在筒體撕裂失穩的隱患，使得沉降槽的頂蓋設計難度較大。另外，進料系統是沉降槽最關鍵的部位，中心筒的直徑和高度均對料液進入槽體的流速有較大影響［3］，整個進料系統處于中心筒內，因此沉降槽頂蓋的設計必須考慮中心筒的結構和布置方式。

筆者所在公司早期某項目中，直徑23 000 mm的沉降槽亟需進行加蓋改造，利用ANSYS軟件，驗證沉降槽頂蓋結構的合理性，并建立受限空間下，主梁、次梁結構強度和剛度的數據庫。

1 頂蓋結構設計和模型建立

1.1 頂蓋結構設計

針對沉降槽的加蓋改造，以滿足環保要求為前提，在考慮經濟性和安全性的基礎上，最終確定槽體上端筒體外壁面增加槽鋼加固（圖1），選用25a和30a兩個規格；頂蓋支撐采用主梁、環梁相結合的方案形式，主梁均布16根（圖2），規格選用工字鋼10，16，20b，25b，30a，40c；次梁僅起到支撐頂板的作用，故不列入有限元模型建立范疇；環梁選用工字鋼10，16，20b；中心筒采用H型鋼。

1.2 有限元模型

有限元模型采用兩種單元建立（圖3），沉降槽筒體采用殼單元SHELL181，支撐主梁、中心筒和沉降槽筒體加固結構均采用梁單元BEAM188［4，5］。

邊界條件：沉降槽的筒體長度大于集中應力的衰減長度，在筒體底部施加全約束；支撐主梁施加節點力，其中力的總和為錐頂板的重量、中間環梁及次主梁的重量和當地雪載荷；施加重力。

所建立的頂蓋結構為梁殼單元模型，分為主梁和環梁。因沉降槽為大型設備（直徑23 000 mm），故采用梁殼單元可有效減少網格數目，網格質量較高，節約計算機算力。徑向主梁單元尺寸選用統一尺寸80 mm，不同直徑處環梁長度不同，為保證單元密度，單元尺寸從外到內依次選用60、50、40、30 mm。為了驗證計算結果的準確性，網格在上述尺寸的基礎上加密一倍進行計算，結果幾乎不變。頂蓋梁、殼單元模型網格劃分如圖4所示。

2 結果分析及評定

沉降槽槽體采用Q235B鋼板，不同型號加固槽鋼（25a、30a）、主梁工字鋼、環梁工字鋼采用Q235A型鋼。經ANSYS計算，將最大應力和最大位移結果列于表1～4。Q235A型鋼、Q235B鋼板在100 ℃條件下，許用應力均為120 MPa。

通過表1、2可以看出，主梁工字鋼10的模型中，最大應力值為200 MPa左右，最大應力發生在環梁和主梁連接部位，位于環梁上下腹板邊緣，其值超過了1.5倍設計溫度下工字鋼材料的許用應力值；此處局部應力較大是由于該處與主梁結構的變形協調導致的，由此可以得出環梁工字鋼型號不易選取大于主梁工字鋼。另外，主梁的最大應力發生在和筒體連接處的下腹板上，其值為179.7 MPa，約等于工字鋼材料的1.5倍許用應力值，屬于彎曲應力。由于以上應力均具有局部性，工字鋼結構發生塑性變形，滿足強度要求，并不會導致頂蓋結構的垮塌，可根據工程需要進行合理設計和計算。

通過表3、4可以看出，不同型號的主梁工字鋼和環梁工字鋼模型中，筒體的軸向位移值均處于0.1～0.2 mm之間，徑向位移值均處于4.9～6.3 mm之間；中心環的軸向位移值處于51～63 mm之間，徑向位移值大多處于0.2～0.4 mm之間，主梁選擇工字鋼30a時，其值較大，約為0.6 mm，在工程應用中不予考慮。

通過上述分析可知，筒體應力屬于一次局部薄膜應力，其最大應力小于1.0［Sm］t；型鋼結構應力均屬于一次局部彎曲應力范疇，最大應力小于1.5［Sm］t［6］。

通過上述數據統計，經過經濟性和安全性的討論，最終確定改造時采用加固槽鋼30a、主梁工字鋼20b、環梁工字鋼20b的方案，應力評定和位移分析過程如下。

2.1 應力分析及評定

通過沉降槽頂蓋的應力云圖（圖5）可以看出，應力最大值發生在加固筒體剛度的槽鋼上（主梁支撐處），其值為135.3 MPa，屬于一次局部彎曲應力。

槽鋼加固筒體部位的強度，決定著沉降槽設備安全，該處的應力為一次應力，應力值需小于1.0倍的應力強度，58.3 MPa<1.0×120=120 MPa，強度滿足要求；筒體加固槽鋼與主梁的連接處，應力為一次彎曲應力，應力值需小于1.5倍的應力強度，135.3 MPa<1.5×120=180 MPa，強度滿足要求；主梁結構的應力強度會直接影響頂蓋結構的安全，屬于全局范圍，其應力為一次彎曲應力，應力值需小于1.5倍的應力強度，60.4 MPa<1.5×120=180 MPa，強度滿足要求。由此可知，沉降槽頂蓋結構在強度上滿足要求。

2.2 位移分析

通過沉降槽頂蓋的位移云圖（圖6a，整體位移云圖）可以看出，位移最大值出現在頂蓋的中心部位，相對位移值為53.6-3.53=50.1 mm，主要為軸向沉降，滿足筒體軸向變形空間要求；對比中心環總位移云圖和徑向位移云圖（圖6c、d）可以看出，沉降槽頂蓋的位移量軸向沉降占比較大，徑向位移值可忽略不計，中心環整體軸向沉降，其值約為53 mm，滿足變形空間要求；中心環徑向相對位移約為0.3 mm，變形后，亦滿足壓力容器對其圓度的要求［7］，保證了耙料機中心軸填料函密封的的安全性；通過加固槽鋼位移云圖（圖6e）可以看出，最大位移發生在與主梁連接部位，其值為6.59 mm，主要為徑向位移，因設備直徑為23 000 mm，故徑向位移百分比為6.59÷23000×100%=0.029%，結構剛度滿足要求；同上，通過筒體位移云圖（圖6f）可以看出，筒體最大位移也發生在與主梁連接部位，其值為5.36 mm，主要為徑向位移，因設備直徑為23 000 mm，故徑向位移百分比為5.36÷23000×100%=0.023%，筒體剛度滿足要求。通過主梁和筒體的軸向位移云圖（圖6g、h）可以看出，沉降槽設備在頂蓋重量、一般雪載共同作用下，不會造成設備筒體軸向的垮塌。

由以上分析可知，使用加固槽鋼30a、主梁工字鋼20b、環梁工字鋼20b的方案，沉降槽頂蓋結構在剛度上滿足要求，滿足了行人在頂蓋行走、查看內部情況的需求。

3 結論

3.1 沉降槽頂蓋設計中，沉降槽筒體上端部剛度需要加強，槽體加固槽鋼結構和型號的選擇對筒體上端部剛度位移結果影響較大，經計算，25b和30a槽鋼均滿足設計要求；徑向主梁工字鋼型號從10到30a對應力強度和總位移值的影響均較小，考慮后期頂蓋蓋板需滿足操作人員行走安全，故選用工字鋼20b；環梁對應力評定結果的影響較小，降低了徑向主梁環向屈曲的可能性，提高了頂蓋蓋板的周邊固支作用，但環梁越重，主梁的受載越大，經計算最終確定環梁同主梁采用統一型號工字鋼20b。在后續改造項目中，仍需根據現場操作情況、人員安全性和經濟性進行綜合評定建模計算，確定各部位型鋼結構和型號。

3.2 頂蓋結構中，徑向次梁起到了支撐分塊頂蓋板的作用，對整體結構的應力評定影響較小，模型中并未建立該部件，在后續改造項目中，可綜合現場操作情況、安全性和經濟性進行綜合考慮進行建模，確定其型鋼結構和型號。

3.3 中心環部位結構比較復雜，耙料機、工藝接管多位于此處。若中心環產生變形，將直接影響耙料機運行和工藝進料，更嚴重的情況可能導致設備垮塌，因此對中心環剛度的要求較高，不宜產生較大的徑向翹曲和較大位移。此類設備改造項目中，中心環的結構設計應給予較高重視，適當提高中心環的剛度。

參 考 文 獻

［1］ 周恩浦.礦山機械［M］.北京：冶金工業出版社，1979.

［2］ 王穎.新型沉降槽及赤泥沉降性能的研究［D］.沈陽：東北大學，2014.

［3］ 雷波.赤泥分離沉降槽固液分離的數值模擬與優化［D］.長沙：中南大學，2013.

［4］ 高秀華.有限單元法原理及應用簡明教程［M］.北京：化學工業出版社，2008：108-124.

［5］ 沈鋆，劉應華.壓力容器分析設計方法與工程應用［M］.北京：清華大學出版社，2016.

［6］ 李建國.壓力容器設計的力學基礎及標準應用［M］.北京：機械工業出版社，2004：180.

［7］ 吳志強，劉星.圓筒形壓力容器殼體圓度問題的理論分析［J］.沈陽化工大學學報，1997，11（2）：55-59.

（收稿日期：2021-09-07，修回日期：2023-03-20）

Numerical Simulation Analysis of Fixed Beam Self?supporting Roof

ZHANG Fang， LI Hong?xing， YANG Guo?zheng， YANG Kuan?li，

WANG Shou?jie，TIAN Yan?long

（Changzheng Engineering Co. Limited）

Abstract? ? For purpose of reducing hot steams harm to walkers on the truss and meeting environmental protection， all new coal chemical projects ask their setting tanks to be roofed and some earlier?established setting tanks also ask for being optimized， but limited space troubles these setting tanks. In this paper， ANSYS software was adopted for finite element analysis of the fixed beam under uniform distribution and concentrated load conditions. Through analyzing and comparing the role of different types of I?beams， their deformation and stress conditions were determined， and the equipment optimization scheme which meeting the engineering conditions was obtained.

Key words? ? setting tank， roof， self?supporting， beam and slab structure， optimized reform

作者簡介：張芳（1987-），工程師，從事化工設備結構設計、研發工作，zhangfang@china?ceco.com。

引用本文：張芳，李紅星，楊國政，等.固支梁自支撐式頂蓋數值模擬分析［J］.化工機械，2023，50（2）：220-225.