造粒裝置撬座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

譚 歡 鄭維師 李伍彥

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018）

造粒指對(duì)粉狀、塊狀、溶液等不同狀態(tài)的物料進(jìn)行加工，獲得特定形狀和尺寸的固態(tài)顆粒的技術(shù)[1-3]。目前，造粒裝置已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、化肥等工業(yè)生產(chǎn)[4]。為了使造粒裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊，節(jié)約施工空間，可將造粒裝置合理地安裝在撬座上。

撬座具有便于運(yùn)輸和拆裝等優(yōu)點(diǎn)[5]。當(dāng)造粒裝置處于起吊狀態(tài)時(shí)，其撬座承受著較大的載荷，如果撬座的強(qiáng)度不符合要求，其可能會(huì)在起吊過程中產(chǎn)生變形、破裂或失效，從而導(dǎo)致安全事故。分析造粒裝置撬座的強(qiáng)度，不僅可以確定該撬座在承受實(shí)際壓力時(shí)的承載能力，確保設(shè)備的高可靠性和長(zhǎng)使用壽命，還可以根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化撬座應(yīng)力和變形最大處的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升造粒裝置撬座的可靠性。

1 撬座的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選型

以壓裂暫堵劑生產(chǎn)設(shè)備為例，支架總體結(jié)構(gòu)及各部分所使用的鋼材如圖1 所示，該支架由200 mm×8 mm×12 mm 的H 型鋼、76 mm×76 mm×6 mm 方鋼和100 mm×73 mm×6 mm 槽鋼3 種鋼焊接而成。在工作狀態(tài)時(shí)，起支撐作用的是10 個(gè)支柱以及下撬裝。在起吊工況時(shí)，整個(gè)撬裝都起支撐作用。支架的總長(zhǎng)度為8 200 mm，總寬度為3 593 mm，總高度為2 751 mm。

圖1 支架總體結(jié)構(gòu)及組成

2 有限元強(qiáng)度計(jì)算

隨著有限元技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析[6-8]。在ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（ANSYS Parametric Design Language，APDL）中分析撬座結(jié)構(gòu)，流程如圖2 所示。

圖2 計(jì)算流程圖

2.1 建立幾何模型

使用自上而下的方式建立簡(jiǎn)化線體模型，簡(jiǎn)化后的線體模型如圖3 所示。

圖3 支架有限元模型

2.2 定義截面尺寸

造粒裝置撬座由矩形鋼、方鋼、槽鋼3 種鋼材焊接而成。根據(jù)實(shí)際情況，賦予不同線體不同的截面尺寸。具體的截面尺寸如圖4 所示。

圖4 截面尺寸（單位：m）

2.3 設(shè)置材料屬性

造粒裝置的撬座材料為Q235，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg·m-3，屈服極限為235 MPa，其中安全系數(shù)取1.5，計(jì)算得到材料的許用應(yīng)力為156.7 MPa。分析單元類型選用兩節(jié)點(diǎn)BEAM188 單元。該單元基于Timoshenko 理論，計(jì)入剪切效應(yīng)和大變形效應(yīng)的線性有限應(yīng)變梁，適用于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等短粗的梁結(jié)構(gòu)[9]。

2.4 劃分網(wǎng)格

將材料屬性和截面尺寸賦予線體模型后，對(duì)線體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本次計(jì)算采用設(shè)置單元的大小的網(wǎng)格劃分方法，將每個(gè)線體模型的單元大小設(shè)置為10 mm，劃分結(jié)果如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.5 施加邊界條件以及載荷

撬座一般有兩種狀態(tài)：地面工作狀態(tài)和起吊狀態(tài)。在起吊狀態(tài)下，受各撬裝設(shè)備重力的作用，撬座受彎矩較大，為危險(xiǎn)工況，因此對(duì)撬座進(jìn)行起吊狀態(tài)下的有限元分析。裝備支架一般通過4 個(gè)吊軸起吊，因此將4 個(gè)吊軸的3 個(gè)移動(dòng)自由度和3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度全部約束，約束位置如圖6 所示。在保證工作狀態(tài)載荷的情況下，在下撬裝上安放離心脫水機(jī)、一體式冷水機(jī)、鏈板提升機(jī)、離心機(jī)水箱、冷卻水箱支架、導(dǎo)熱油爐、循環(huán)水箱、加熱油箱、加熱油泵及管道離心泵等設(shè)備，各設(shè)備質(zhì)量如表1 所示，具體載荷添加位置如圖7所示。其中，為K500 反應(yīng)釜受力點(diǎn)；為K200 反應(yīng)釜受力點(diǎn)；為離心脫水機(jī)受力點(diǎn)；為水泵受力點(diǎn)；為板鏈提升機(jī)受力點(diǎn)；為一體化冷水機(jī)受力點(diǎn)。為離心泵受力點(diǎn)；為導(dǎo)熱油爐受力點(diǎn)；為循環(huán)水箱受力點(diǎn)；為電控柜受力點(diǎn)；為熱油泵受力點(diǎn)；為高位油箱受點(diǎn)；為加熱油箱受力點(diǎn)。

表1 設(shè)備質(zhì)量 單位：kg

圖6 邊界條件

2.6 計(jì)算結(jié)果

起吊狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖8 所示，最大應(yīng)力為102 MPa，對(duì)應(yīng)的變形云圖如圖9 所示，最大變形為18.2 mm。起吊狀態(tài)下的最大應(yīng)力小于Q235 材料的許用應(yīng)力156.7 MPa，設(shè)備支架滿足強(qiáng)度要求。支架最大變形18.2 mm 相對(duì)于支架總體尺寸為小變形，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 位移云圖

3 撬座改進(jìn)方案

有限元分析結(jié)果顯示，在工作狀態(tài)下，造粒裝置撬座的強(qiáng)度和可靠性均符合要求，但為進(jìn)一步提高造粒裝置撬座的強(qiáng)度水平，應(yīng)優(yōu)化應(yīng)力最大處和位移最大處的結(jié)構(gòu)。撬座應(yīng)力最大處位于二層的邊角，位移最大處位于上層左上角，常見的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法如下。第一，更換結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的材料制造撬座，提高整體的承載能力。第二，添加筋板、優(yōu)化筋板布置、添加腳支撐等，局部增強(qiáng)撬座的承載能力。第三，優(yōu)化結(jié)構(gòu)鋼的熱處理工藝等，改善結(jié)構(gòu)材質(zhì)的綜合力學(xué)性能[10]。

綜合改進(jìn)方案、實(shí)際情況及改進(jìn)工作的難易程度，可選用優(yōu)化撬座結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體的優(yōu)化方式為在位移最大處添加腳支撐，在應(yīng)力最大處添加筋板或調(diào)整上層邊角處筋板的安放位置增加整體撬座的強(qiáng)度和可靠性。

4 結(jié)語

在APDL 中用命令流的方式對(duì)裝置撬座進(jìn)行有限元分析，最終得出應(yīng)力分布及變形情況表明造粒裝置在工作狀態(tài)時(shí)該設(shè)備最大應(yīng)力為102 MPa，最大變形量為18.2 mm，最大應(yīng)力小于Q235 材料的許用應(yīng)力156.7 MPa，最大變形量對(duì)于撬座自身尺寸屬于小變形。裝置撬座滿足滿載時(shí)的工作強(qiáng)度，可靠性良好。

根據(jù)有限元分析結(jié)果顯示的應(yīng)力及位移分布，提出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方案以提高裝置撬座的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。