大型萃取精馏塔吊装强度研究

2014-05-29刘利强肖云峰张志莲

化工机械 2014年2期

刘利强吕涛肖云峰张志莲

(1.北京化工大学机电工程学院；2.北京石油化工学院机械学院)

随着我国经济的发展与科技的进步，石油化工作为我国的支柱产业，其设备正朝着大型化、高效化、特种化、国际化的方向发展，设备大型化的同时也带来了一系列的安装问题，其中吊装是一个很重要的问题，吊装水平直接影响着工程进度[1～3]。从设备整体吊装和分段吊装的安全、工期、费用、质量以及作业风险等方面进行对比，考虑安全、经济等方面的因素，采用设备整体吊装工艺要优于分段吊装空中组对工艺。整体吊装与分段吊装使用吊车的类型相同，只是配重、索具大一些。采用分段吊装的施工工期长，大型吊车使用时间长，安装费用高。现阶段我国石油化工设备在高50m左右就采用分段吊装工艺，较少采用整体吊装，而欧美一些国家基本都采用整体吊装。

北京燕山石化公司20万t/a混合C4制MTBE项目中，有一座78m高的萃取精馏塔，施工方提出整体吊装方案，笔者将利用有限元方法对萃取精馏塔整体吊装进行强度校核，验证整体吊装方案的可行性，并根据计算结果，提出优化方案。

1 整体吊装工艺简介及载荷分析

1.1 整体吊装工艺简介

萃取精馏塔筒体公称直径4 600/2 600mm，筒体厚度20mm，筒体材料为Q345R，塔高为78 165mm，重190t，吊耳管轴材料为Q235，管轴壁厚20mm。由于设备超重、超长和超高，给制造安装增加了难度。为顺利完成塔设备的安装，制造方提出通过在距离塔体顶端2 000mm处设置轴式吊耳，在塔体底端设置尾部吊耳完成吊装。根据设备计算重量和现场环境情况，选用SCC6300型履带式起重机-HDB工况吊装形式。萃取精馏塔采用主、辅两台吊车整体吊装[4]，主吊车采用SCC6300型履带吊车，辅助吊车选用SCC2500C型履带吊车，吊钩下部装有起重桅杆[5]，吊耳承受向上的拉力。使用250t履带吊车前期配合现场组焊，设备吊装时做辅吊溜尾，具体使用形式如图1所示。

图1 双吊车吊装示意图

1.2 载荷分析

针对整体吊装，制造方提出的吊耳安装位置，需要进行水平、竖直状态下的强度校核[6]，具体是：水平状态时，在距离塔体顶端2 000mm处设置轴式吊耳，在塔体底端设置尾部吊耳是否合理；顶部吊耳处的补强圈和焊缝强度能否达到要求；如果吊耳安装的位置不合理，提出合理方案，并进行相应的强度分析。

2 有限元模型

2.1 模型建立及有限元网格的划分

考虑到塔高和塔径，忽略筒体上的接管和开孔，同时也忽略塔器内件，以y轴为对称轴，但需要考虑塔体上附件的质量。塔体部分全部采用六面体单元，在吊耳与塔体连接部位，由于焊缝区的应力集中需将该区域网格细化，并且保证筒体与顶部吊耳节点的相对应。全部模型共建立281 694个单元，305 520个节点(图2)。

图2 有限元网格

2.2 施加载荷及边界条件

分别计算在塔体处于水平和竖直两种情况下的应力分布，水平状态下将两端的吊耳底部施加x、z方向的约束，约束面积大约与钢丝绳和管轴接触区域相当；筒体中心底端靠近地面一侧将y轴固定，施加重力作用；竖直状态下将上部吊耳底端两侧施加y、z两个方向的约束，约束面积同样是与钢丝绳和管轴接触区域相当，筒体顶端封头中心处施加x、z方向约束，施加重力。此处需要注意的是由于补强圈、吊耳和筒体三者是通过焊缝相连的，补强圈与筒体之间并不是真实的相连区域，因此需要将补强圈与筒体之间的网格节点分离,并将补强圈与筒体之间定义为接触。

2.3 计算结果及分析

水平状态时，最大应力出现在底部吊耳处(图3)，此时的最大应力已经超过1 000MPa，远大于材料的许用应力185MPa，底部吊耳不能够满足强度要求，需要对底部吊耳优化；顶部轴式吊耳与筒体相连的焊缝处应力小于160MPa，轴式吊耳在水平起吊时能够满足强度要求。

图3 原始方案水平状态应力分布

3 方案优化及分析

通过上述计算结果显示，将底部吊耳优化为轴式吊耳，对优化后的结果进行应力和变形分析，有限元网格依然全部采用六面体网格，载荷、施加边界与上述一致。

计算结果显示，在水平状态时塔身中部最大挠度不超过50mm，塔体安全；塔身中部最大的应力不超过50MPa，塔体也同样安全；最大应力出现在吊耳根部，吊耳根部的应力不会超过180MPa，水平起吊时，吊耳根部安全。水平状态下无吊耳和有吊耳时塔体应力分布云图如图4所示。

a.无吊耳

b.有吊耳

顶部吊耳受力最大，根部应力不超过160MPa小于Q345R的许用应力185MPa，在整个起吊过程中安全；最大应力出现在吊耳与钢丝绳接触的区域，此时的最大应力超过200MPa大于Q235R的许用应力160MPa，需要加大管轴的壁厚；同时在竖直状态时，塔体裙座会有4mm的下垂。竖直状态下顶部吊耳时应力与变形云图如图5所示。