基于PV Elite軟件的塔器校核計(jì)算注意事項(xiàng)分析

朱 輝 魏東波 王明國

（中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223）

塔器是石油、化工工業(yè)生產(chǎn)裝置中經(jīng)常采用且不可或缺的單元操作設(shè)備，其工藝性能的好壞對整個(gè)生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣、生產(chǎn)能力大小以及能耗高低等都有著極為重大的影響，而塔器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度設(shè)計(jì)則對其工藝性能有著直接或間接的影響，相對于其他化工設(shè)備，塔器的強(qiáng)度計(jì)算較為復(fù)雜，尤其是高徑比較大的細(xì)高塔器，不僅要考慮內(nèi)/外壓和溫度等對塔體材料強(qiáng)度的計(jì)算的影響，還要考慮風(fēng)載荷、地震載荷以及管道載荷等外載荷對塔器設(shè)備強(qiáng)度的影響，甚至有時(shí)還要考慮水壓試驗(yàn)、吊裝和運(yùn)輸?shù)纫蛩貙λw厚度的影響。因此，對塔器進(jìn)行可靠且合理的設(shè)計(jì)則顯得尤為重要。

PV Elite 是一款專業(yè)的壓力容器設(shè)計(jì)軟件，其不僅融合了當(dāng)今美標(biāo)與歐標(biāo)壓力容器設(shè)計(jì)體系中的主流設(shè)計(jì)規(guī)范（如ASME Ⅷ-1 &Ⅷ-2，PD 5500 和EN 13445 等），而且其因豐富的數(shù)據(jù)庫、完整的計(jì)算方法、可靠的分析計(jì)算結(jié)果以及響應(yīng)規(guī)范更新及用戶反饋及時(shí)等諸多優(yōu)勢而被全球廣大業(yè)主、制造單位及工程公司等所認(rèn)可。

本文結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及使用經(jīng)驗(yàn)，介紹了幾個(gè)對于使用PV Elite 軟件并采用ASME 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行建造的塔器進(jìn)行建模和校核計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)著重注意和考慮的問題，以便提醒和指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員能夠更全面完整地進(jìn)行塔式容器的校核計(jì)算，保證塔器操作的穩(wěn)定性和安全性。

1 基于PV Elite 軟件進(jìn)行塔器校核計(jì)算應(yīng)注意的問題

1.1 裙座支撐地腳螺栓計(jì)算方法的選擇

塔器一般是由塔體和支座兩部分組成，對于塔器的支撐一般有裙座、腿式支座、耳式支座以及支撐式支座等形式。而相比其他支座，裙座因其結(jié)構(gòu)性能更好，與塔體連接處產(chǎn)生的局部應(yīng)力最小，是塔器（和大型立式容器）廣泛采用的支撐形式。裙座主要用于支撐塔體，即用來正確地固定塔的位置，并通過地腳螺栓與基礎(chǔ)/結(jié)構(gòu)相連接，防止塔在風(fēng)載荷、地震載荷或其他附加載荷的作用下傾倒，進(jìn)而防止造成塔器整體的操作失效。因此，地腳螺栓座的設(shè)計(jì)對保證塔器正常運(yùn)轉(zhuǎn)是很重要的因素。

PV Elite 軟件中關(guān)于裙座地腳螺栓的校核計(jì)算主要有簡化法（Simplified）和中性軸偏移法（Neutral Axis Shifted），其中簡化法計(jì)算的基本原理與文獻(xiàn)[1-2]中所介紹的維赫曼法類似，即將地腳螺栓化作同面積的當(dāng)量圓筒，并假設(shè)基礎(chǔ)截面為完全的混凝土環(huán)形截面。該方法形式簡單，計(jì)算方便，適用于設(shè)備基礎(chǔ)為混凝土和鋼結(jié)構(gòu)，但計(jì)算結(jié)果較為保守，計(jì)算出所需的地腳螺栓面積、基礎(chǔ)環(huán)板厚度以及混凝土壓力等值都較大。我國NB/T 47041—2014《塔式容器》中的關(guān)于地腳螺栓的校核計(jì)算也是借鑒簡化法。中性軸偏移法即文獻(xiàn)[1-2]中所提到的泰勒法，該方法把基礎(chǔ)截面看成是鋼與混凝土的組合界面，并考慮到鋼與混凝土彈性模量的不同來確定在傾覆力矩作用下中性軸的位置。相比簡化法，中性軸偏移法所計(jì)算得出的地腳螺栓面積、基礎(chǔ)環(huán)板厚度以及混凝土壓力等值都較小，但該方法并不適用于設(shè)備基礎(chǔ)為鋼基礎(chǔ)的地腳螺栓的校核計(jì)算。

對于矮胖型（H/D≤5）塔器，其結(jié)構(gòu)立面比較規(guī)則，剛度和質(zhì)量沿高度分布均勻，受風(fēng)和地震載荷影響較小，上述2 種方法的計(jì)算結(jié)果相差不大；但是對于細(xì)高型（H/D＞5）塔器，受風(fēng)和地震載荷影響較大，建議選用中性軸偏移法。PV Elite 軟件里所提供的Brn.&Young Analysis 計(jì)算方法其原理也是基于中性軸偏移法，該方法理論相對系統(tǒng)和完善，考慮到裙座筒體與地腳螺栓座的剛性協(xié)調(diào)，對裙座筒體的最小厚度有一定要求，也被國外廣大用戶推薦使用，特別是對于高徑比H/D＞15 且H＞30 m 的塔器推薦使用。

1.2 注意塔器筒體/裙座建模計(jì)算時(shí)的合理分段

當(dāng)對塔器進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)，一般要考慮對塔器筒體/裙座進(jìn)行分段，尤其是受風(fēng)和地震載荷影響較大的細(xì)高塔。而其分段的主要原因：1）因?yàn)樗w不等截面（如不等直徑和不等壁厚）的結(jié)構(gòu)分段；2）自振周期、風(fēng)載荷和地震載荷計(jì)算時(shí)需要考慮塔體的計(jì)算分段。

對于不等壁厚的結(jié)構(gòu)分段，通常是當(dāng)塔體壁厚受風(fēng)或地震載荷控制時(shí)，因?yàn)轱L(fēng)或地震載荷引起的彎矩隨著塔體的高度而自下而上遞減，因此從等強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性考慮，將塔體分為自下而上逐段遞減的厚度段，如塔體存在不等直徑筒體，則變徑殼體應(yīng)單獨(dú)分為一段或多段[3]。對于計(jì)算分段，不管是等截面筒體（筒體內(nèi)徑和壁厚相同）還是不等截面筒體（不等直徑或不等壁厚），一般都要結(jié)合結(jié)構(gòu)分段再將塔體合理地分成若干個(gè)計(jì)算段，以提高計(jì)算的精確度。然而結(jié)構(gòu)分段也不是越多越好，因?yàn)橐紤]制造和經(jīng)濟(jì)因素，計(jì)算分段也并不是分段越多計(jì)算差別越大或精度越高。

為了驗(yàn)證計(jì)算分段數(shù)對于塔器校核計(jì)算的大致影響，筆得使用PV Elite 軟件對某國外項(xiàng)目中1 臺(tái)直徑為φ2 800 mm，壁厚為40 mm，塔體長度為50 m 的塔器進(jìn)行建模核算，在其他條件均一致的情況下，對筒體分別進(jìn)行不同等長度分段，其裙座基礎(chǔ)風(fēng)彎矩、地震彎矩和自振周期計(jì)算對比結(jié)果見表1。

表1 塔體不同分段數(shù)相關(guān)計(jì)算參數(shù)對比

從表中可以看出，當(dāng)筒體分為5 段時(shí)，風(fēng)彎矩較僅1 段筒體時(shí)約降低4.63%，地震彎矩較僅1 段時(shí)約增加17%，自振周期較僅1 段時(shí)約減小14.15%；而當(dāng)筒體分段超過10 段之后，上述3 個(gè)參數(shù)基本沒有太大變化。

由此可見，筒體的計(jì)算分段在一定個(gè)數(shù)內(nèi)對于塔器的校核計(jì)算有較大影響，但是當(dāng)超過一定分段數(shù)后，再增加分段數(shù)對于計(jì)算結(jié)果的影響程度卻越來越小。而且對于高徑比較小的塔器，因?yàn)轱L(fēng)和地震載荷對其影響較小，也沒必要對其進(jìn)行過多分段。還有在使用PV Elite 軟件進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，過多的分段也會(huì)增加建模的復(fù)雜性和模型調(diào)整修改的難度，尤其是高塔并帶有塔盤或填料、較多接管以及平臺(tái)爬梯等附屬元件的情況，而且對于高徑比較小的塔器也沒必要過多分段。因此在使用PV Elite 軟件進(jìn)行塔器校核計(jì)算時(shí)應(yīng)結(jié)合塔器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行合理的建模分段，以便提高設(shè)計(jì)計(jì)算效率和計(jì)算精度。

1.3 建議考慮軸向應(yīng)力對開孔補(bǔ)強(qiáng)的影響

開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算是壓力容器設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，然而按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般只考慮壓力載荷的作用，但是對于塔器來說，除了壓力載荷外，還要考慮風(fēng)載荷、地震載荷、附加外載荷以及偏心載荷等對其所造成的影響，尤其是對于低壓高塔。這些載荷作用于塔體將會(huì)產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)力，當(dāng)疊加以后的軸向應(yīng)力超過筒體環(huán)向應(yīng)力時(shí)，此時(shí)筒體所需的厚度并不是由內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力決定的，而是由風(fēng)載荷、地震載荷及內(nèi)壓等共同作用引起的軸向應(yīng)力決定的。因此，對于采用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)就需要考慮可能由軸向應(yīng)力所控制的厚度來進(jìn)行計(jì)算，而只考慮內(nèi)壓作用進(jìn)行等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是不充分且不安全的，李燕平等人[4-7]也曾對該問題做了相關(guān)的研究和說明。

目前國內(nèi)應(yīng)用于輔助設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件SW6 并沒有考慮軸向應(yīng)力對于開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的影響，然而PV Elite軟件則考慮到這一點(diǎn)，可以通過勾選軟件Load Cases界面中的Consider External Loads for Nozzle Tr 來實(shí)現(xiàn)，如圖1 中標(biāo)紅所示。勾選后，軟件會(huì)根據(jù)由內(nèi)壓或軸向應(yīng)力所控制的筒體厚度對其上接管進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)校核計(jì)算。因此建議設(shè)計(jì)人員在使用PV Elite 軟件進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)對此項(xiàng)進(jìn)行勾選，以便考慮軸向應(yīng)力對開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的影響，提高開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的安全性。

圖1 PV Elite Load Cases 選項(xiàng)

下面將以實(shí)際的計(jì)算案例進(jìn)行驗(yàn)證說明：某塔器采用ASME Ⅷ-1 規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，塔器結(jié)構(gòu)尺寸為φ4 400 mm×49 600 mm（T-T），相關(guān)參數(shù)見表2。塔體距下封頭切線1 200 mm 處有一公稱直徑為DN600的接管，采用PV Elite 軟件對該接管進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)核算，當(dāng)不考慮由風(fēng)載荷所引起軸向應(yīng)力時(shí)，開孔處所需的補(bǔ)強(qiáng)面積為4 182.19 mm2，而當(dāng)考慮由風(fēng)載荷所引起的軸向應(yīng)力時(shí)，此時(shí)開孔處所需補(bǔ)強(qiáng)面積為8 191.32 mm2。由此可見，計(jì)算結(jié)果相差較大，此時(shí)若按照前得所需的補(bǔ)強(qiáng)面積進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是不安全的。

1.4 盡可能確保模型建立的完整性和全面性

PV Elite 軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備主體結(jié)構(gòu)整體3D模型的建立，而且對于大部分塔體附件及附加載荷等也可以根據(jù)相關(guān)參數(shù)于模型中呈現(xiàn)，如：操作介質(zhì)、附塔管線、塔盤或填料、保溫層、平臺(tái)爬梯以及集中載荷等。這些附屬元件/載荷在對塔器的強(qiáng)度/剛度和基礎(chǔ)進(jìn)行多工況（操作工況、安裝工況以及水壓試驗(yàn)工況等）校核時(shí)有較大影響，因此設(shè)計(jì)人員在對塔器進(jìn)行建模校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更加全面地考慮上述因素的影響，以保證塔器受力分析的完整性和安全性。

在實(shí)際的項(xiàng)目執(zhí)行過程中，有時(shí)因?yàn)閷I(yè)進(jìn)度的原因，有些對于高塔設(shè)備有影響的專業(yè)條件一般反饋較晚，如各平臺(tái)爬梯位置以及與附塔管線角度等，這對于風(fēng)載荷計(jì)算有一定影響。PV Elite 軟件里可以通過調(diào)整每個(gè)計(jì)算單元的迎風(fēng)直徑放大系數(shù)k（Wind Diameter Multiplier）來計(jì)算風(fēng)載荷中筒體有效直徑De，De=kD，其中D=筒體外徑+2×保溫層厚度[8]。

在初步校核計(jì)算時(shí)，可按表3 中的數(shù)值來調(diào)整PV Elite 模型中各主體計(jì)算單元的k以省略附塔管線、平臺(tái)和爬梯模型的建立。

表3 有效直徑De

2 結(jié)論

塔器相比其他化工容器，需要考慮的影響因素較多，致使其強(qiáng)度計(jì)算較為復(fù)雜，本文提出了幾個(gè)在使用PV Elite 軟件進(jìn)行塔器校核計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問題，如合理選擇地腳螺栓的計(jì)算方法、對塔器進(jìn)行合理分段建模計(jì)算以及考慮軸向應(yīng)力對于開孔補(bǔ)強(qiáng)的影響等，以便提示和指導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)人員能夠全面考慮對塔器設(shè)計(jì)計(jì)算的影響因素，確保塔器設(shè)計(jì)的可靠性、合理性和安全性。