挥氨塔改造中薄壁椭圆封头的加强及其外压稳定性分析

田琳静，杨国政，魏 峰，高炳军

(1.河北工业大学 化工学院，天津 300130;2.北京航天万源煤化工工程有限公司，北京 100036)

0 引言

某厂挥氨塔原为常压操作，为了节能降耗，需将该塔改造为负压操作，真空度为0.035 MPa。原塔由上、下两个塔节组成，下塔节重新制造，上塔节继续使用。上塔节材质为TA2，筒体及封头壁厚为6 mm。由于原塔常压操作，不存在外压稳定性问题，而改造后需考察结构的稳定性。为了增强上塔节的抗外压失稳能力，对于筒体可增设加强圈，并通过图算法［1－3］确定加强圈的个数及尺寸。而对于椭圆封头，原则上也可增设加强筋提高壳体的抗弯刚度，增强结构的抗失稳能力［4］，但遗憾的是目前标准中并无现成的算法。为此，笔者利用有限元法对结构进行了特征值屈曲分析［5－6］，对椭圆封头加强筋的合理配置进行了探讨，并参照ASME B＆PVⅧ－2(2010)对结构的稳定性进行评价，保证了挥氨塔安全可靠地运行。

1 挥氨塔椭圆封头主要技术参数

挥氨塔椭圆封头主要技术参数见表1。

表1 椭圆封头主要技术参数

2 椭圆封头加强筋配置方案及稳定性分析

2.1 加强筋配置方案

由于椭圆封头受外压作用时，过渡区环向应力为拉应力［7］，不考虑该区域的外压失稳，为此加强筋可仅在椭圆封头的非过渡区布置。环向加强筋设置3道、经向加强筋设置6道(沿圆周均布)，加强筋为扁钢，尺寸为80 mm×12 mm，材质为TA2。加强筋的配置情况如图1所示。

图1 椭圆封头加强筋的配置

2.2 特征值屈曲分析

采用ANSYS软件对结构进行特征值屈曲分析。考虑到封头厚度的加工减薄［8］，有限元模型中封头厚度取5.1 mm。计算中TA2的弹性模量取 1.075 ×105MPa［9］，泊松比取 0.3。

有限元模型中壳体采用壳单元shell 63，加强筋采用beam 188单元。结构剖分壳单元25740个，梁单元954个。网格剖分情况如图2所示。

图2 网格剖分

结构的外壁施加0.1 MPa的面载荷P，接管端部施加轴向平衡线载荷Pc，Pc按式(1)计算:

结构下端线施加轴向的位移约束，下端线及接管上端线上的节点通过旋转节点坐标系施加圆周方向的位移约束，以保证截面形状为圆形。

有限元模型的约束及加载情况如图3所示。

结构的屈曲模态如图4所示，屈曲载荷系数5.82，即结构临界外压力 Pcr=0.582 MPa。

2.3 许用外压力计算

参照 ASME B＆PV Ⅷ － 2(2010)［10］，对结构进行弹性特征值屈曲分析，最小设计载荷系数ΦB按式(2)计算:

对于椭圆封头，承载折减系数βcr=0.124。

故最小设计载荷系数为:

于是，结构的许用外压力为:

可满足－0.035 MPa设计压力的要求。

图3 约束与加载

图4 失稳模态

按图算法计算，无加强筋的原椭圆封头的许用外压力仅为0.02 MPa。可见，通过合理配置加强筋可有效地提高其抗外压失稳能力。

2.4 分析讨论

为了优化加强筋的配置，按如下方案进行调整(见图5)。n组经向加强筋沿圆周均布，3组环向加强筋分别布置在直径D2，D3及D4的位置上，D2，D3及 D4按下式确定。

令:

图5 加强筋配置

当n=6时，结构的屈曲载荷系数Freq随α的变化规律如图6所示。可见3组环向加强筋布置得太向外分散或太向内集中都不利于提高结构的抗外压失稳能力。当α=0.93时，加强效果最好，此时的屈曲载荷系数为6.111。

图6 屈曲载荷系数与α的关系

当α=0.93时，结构的屈曲载荷系数Freq随n的变化规律如图7所示。可见只有当经向加强筋的数量大于5时，结构的抗外压失稳能力才会阶跃式地增加。而当n大于8时，随着n的增大，结构的抗外压失稳能力增加缓慢。对于80 mm×12 mm的扁钢加强筋，可以认为α=0.93，n=8是合理的加强筋配置方案。

图7 屈曲载荷系数与n的关系

当α=0.93，n=8时，结构的屈曲模态如图8所示，屈曲载荷系数为6.4，许用外压力为0.04 MPa。

图8 α=0.93，n=8时结构的屈曲模态

当然椭圆封头的壁厚确定也需同时考虑结构在内压作用下过渡区的稳定性，对于外压容器也应考虑到水压试验时过渡区稳定性的要求。不过只要标准椭圆封头有效厚度不小于0.15%Di，即可满足过渡区的稳定性要求［1］。

3 结语

通过合理增设环向及经向加强筋，可有效提高薄壁椭圆封头的抗外压失稳能力。通过优化加强筋的配置可使加强效果达到最佳。

［1］GB 150—1998，钢制压力容器［S］.

［2］邢晓林.基于MATLAB算法的外压容器环向加强圈优化设计［J］.化工机械，2008，35(4):202－206.

［3］唐超.带矩形加强圈的外压圆筒的优化与直接求解［J］.化工设备设计，1996，33(3):49－50.

［4］GAO Bingjun，WANG Honghai，YANG Guozheng，et al.Stability Analysis of Large Absorption Tower in Wet Fuel Gas Desulphurization［A］.Batra R C.Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering and Mechanics［C］，US Hwy:Scienece Press USA Inc，2007:431 －436.

［5］陈诗晓，高增梁，金伟娅，等.大开孔外压圆筒失稳行为的有限元分析［J］.压力容器，2010，27(12):33 －39.

［6］李金科，张贤福，刘韫砚.外压圆筒的计算及数值计算稳定性分析［J］.压力容器，2011，28(7):35 －39，54.

［7］丁伯民，黄正林.化工设备设计全书——化工容器［M］.北京:化学工业出版社，2003:12－15.

［8］GB/T 25198—2010，压力容器封头［S］.

［9］JB/T 4745—2002，钛制焊接容器［S］.

［10］The American Society ofMechanicalEngineers.ASME，Boiler and Pressure Vessel Code:SectionⅧ，Division 2［S］.New York:American Society of Mechanical Engineers，2010.