解析塔整体应力分析及评定

孟祥宇，张 鹏，徐 明，丛 军

（1. 中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006； 2. 中国石油抚顺石化公司石油三厂，辽宁 抚顺 113001）

解析塔整体应力分析及评定

孟祥宇1，张 鹏1，徐 明1，丛 军2

（1. 中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006； 2. 中国石油抚顺石化公司石油三厂，辽宁 抚顺 113001）

以行业标准中的计算方法为基础，结合 ANSYS软件对解析塔施加了内压、自重载荷、风载荷和地震载荷、偏心载荷，分析了三种组合工况下解析塔的应力分布情况，并对塔的强度进行了整体应力校核，为塔器的分析设计提供了参考。

塔器；风载荷；地震载荷；偏心载荷；应力评定

塔器是炼油、化工和石化等行业中极为重要的设备，用于塔器的投资约占炼油化工设备总投资的25%左右，塔器的合理设计、安全运行是整套装置工艺流程的保证。因此，关于塔器的研究和设计一直倍受关注。

常规塔器的设计一般采用解析法，即将塔器简化为一端固定的悬臂梁力学模型，由该模型计算出不同组合工况下各危险截面的应力，再对各应力进行校核[1]。然而，解析法所并不能够真实的反应塔器结构的复杂性，计算结果往往存在一定的差异[2]。本文以解析塔为例，以行业标准中的计算方法为基础，尝试通过分析设计法得出塔器整体应力分布规律，为塔器的工程设计提供参考，具有一定的现实意义。

1 载荷分析及模型构建

1.1 分析对象

以某装置中的解析塔为例进行整体应力分析，该塔为Φ 1400×19414×14的填料塔，设计压力0.25 MPa，设计温度为140 ℃，抗震设防烈度为7度（0.15 g），场地土类别为Ⅱ类（第三组），基本风压值为600 Pa，壳体材料为Q245R板材，裙座材料为Q235B板材，腐蚀余量分别为4 mm和2 mm。该塔共有7个平台和6段笼式扶梯，平台外直径为4 300 mm。解析塔的主要结构尺寸见图1。

图1 解析塔的结构尺寸Fig.1 The dimension of desorption tower

1.2 载荷分析

塔器属于高耸结构，塔器除要承受介质压力、自重载荷外还要承受风载荷、地震载荷和偏心载荷，特别是当塔器所承受的内压或外压较小时，壳体周向应力较小，由内、外压力计算所得的壁厚值较小。而风载荷、地震载荷和偏心载荷在壳体和裙座截面上可能产生相对较大的弯曲应力，以上三种载荷成为塔体和裙座壁厚度计算的主要控制因素。

文献[3]规定在计算组合载荷时不需要同时考虑风载荷和地震载荷的共同作用，而文献[4]规定在校核水平地震力的同时应附加25%的水平风力，为保证苛刻工况下设备的运行安全，本例采用文献[4]的算法计算各截面的最大应力。此外，与其他容器不同的是，塔器必须考虑偏心载荷。

1.3 有限元模型

根据图1结构尺寸建立解析塔几何模型，由于在塔器整体分析中重点考察裙座底部及塔体与裙座连接部位的应力状况，而塔体上接管开孔对应力的影响仅限于其附近局部区域，对整体应力影响较小，故在建立模型时忽略解析塔上的接管开孔。采用20的节点SOLID186三维实体单元进行六面体网格划分，由于塔壁较薄且承受弯曲应力，如厚度方向单元过少将会造成较大误差，本例将10 mm的塔壁分为三层。在计算塔体自震频率的模态计算中采用全模型，而在进行应力分析时，根据结构的几何对称性和载荷对称性，取塔的1/2模型即可。

2 边界条件

塔器由于其结构承载的特殊性，在设置边界条件时有如下特点：

2.1 压力载荷

在塔体内壁施加0.25 MPa的介质压力，本例中操作工况下的介质静压力较小，而液压试验又采用卧式放置，故可以将其忽略。

2.2 自重载荷

在塔器的操作工况中除塔体本身自重外还存在介质、内构件、平台和梯子等的重力作用，为简化模型同时保证运算结果的准确性，将其塔体外的质量分段等效到塔体上，通过增大每段塔塔体的密度实现，自重载荷采用分段给定材料密度和定义惯性力的方式施加[5]。

2.3 风载荷

塔器在风载荷作用下会产生顺风和横风两个方向的震动，顺风向震动方向与风向一致，横风向震动与风向垂直。当H/D≤15且H≤30 m时，仅需计算顺风向震动[4]。根据风振系数和各段的有效直径的不同将塔分为若干段，按式分别计算每段的水平风力。由于施加集中力将产生较大的局部应力，故将其转化为等效压力，计算方法见下式[6]：

式中：pi—该段塔的等效压力，MPa；

Fi—该段塔的水平风力，N；

Li—该段塔体长度，mm；

D0—该段塔塔体的外径，mm。

由流体力学可知，风载荷的值沿塔体垂直轴线和水平半径方向都是变化的[7]。为真实的反应风载荷对塔的影响，本例通过在迎风侧塔体表面附加3D表面效应单元SURF154的方式，使得等效压力沿水平半径方向由中心向两端递减且作用于投影面[8]，如图2所示。

图2 风载荷等效压力分布Fig.2 Equivalent stress distribution of wind loads

2.4 地震载荷

2.5 偏心载荷

塔器顶部都有管道、阀门与之相连，这些管道、阀门在重力作用下产生偏心载荷，偏心载荷在塔体上产生了具有传递性的附加弯矩，所产生的应力在分析中不可忽视。本例中在距基础1 800 mm高、距塔中心线2 400 mm处附加有8 000 kg的集中载荷，计算出该偏心载荷产生弯矩的数值，利用创建接触的方法将弯矩施加在塔体的相应高度处。

2.6 位移边界条件

模态分析中在裙座底部施加全约束，而在整体应力分析模型中，裙座底部约束 UX、UY、UZ三个方向的位移为0，在对称面施加对称约束。

3 组合工况下的应力评定

为说明风载荷、地震载荷和偏心载荷的联合作用，本例中将偏心弯矩、水平风力和水平地震力施加方向均选定为模型中的X轴正向。对于塔器的整体分析应考虑如下三种工况，工况一：自重+内压+偏心载荷；工况二：自重+内压+风载荷+偏心载荷；工况三：自重+内压+25%风载荷+地震载荷+偏心载荷。三种工况下塔器应力云图分别见图3(a)、(b)、(c)。三种组合工况下塔器应力分布规律基本一致，在塔体与裙座连接部位出现应力集中，由于偏心载荷、风载荷和地震载荷的作用使得连接部位应力沿周向分布不均，水平风力、水平地震力和偏心载荷作用下受压侧出现应力最大点。裙座上应力最大点出现在裙座最底部，同样是上述几种载荷作用下的受压侧。

图3 三种组合工况下塔器应力分布云图Fig.3 Stress distribution curve under three combined operating conditions

工况一自重+内压+偏心载荷组合工况系数K取1.0，工况二和三的组合工况系数K均取1.2[3]。在最大应力强度点及危险截面附近多次选取评定路径，以确保评定路径尽可能的通过或接近应力最大值点[9]。最终确定的评定路径具体位置见图4（a）、（b），各路径的评定结果见表1。由表1可知，塔整体应力强度满足要求。为考核偏心载荷、风载荷和地震载荷对塔体壁厚的影响，本例还考察了内压+自重工况下应力分布情况，应力最大值同样出现在裙座与塔体连接部位，对该工况下模型中路径2-2进行了应力线性化，SΙ=12.57、SⅣ=32.64，通过对比可以看出，由于本例内压较小，塔壁计算厚度的控制量为偏心载荷，且风载荷与地震载荷的影响也不容忽视。

图4 整体塔器分析评定路径Fig.4 Stress distribution curve under three combined operating conditions

4 结 论

（1）在内压、自重载荷、风载荷、地震载荷和偏心载荷的组合工况下，应力较大值均出现在裙座底部和裙座与塔体连接处。

（2）应力最大值出现在裙座与塔体连接处，偏心载荷、风载荷和地震载荷的作用使得连接部位应力沿周向分布不均，水平风力、水平地震力和偏心载荷作用受压出现应力最大点。

（3）当介质压力较小时，塔壁计算厚度控制因素为偏心载荷、风载荷或地震载荷。

表1 各路径应力强度评定Table 1 Stress intensity evaluation along each path

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Whole Stress Analysis and Evaluation of Desorption Tower

MENG Xiang-yu1, ZHANG Peng1, XU Ming1, CHONG Jun2
（1. HQCEC Liaoning Company，Fushun Liaoning 113006，China；2. PetroChina Fushun Petrochemical Company the Third Factory，Liaoning Fushun 113001，China）

Based on the calculation method in current industry standards, combined with ANSYS software, under internal pressure, self-weight load, wind load, earthquake load and eccentric load, whole stress distribution of desorption tower under three combined conditions was analyzed, and then the stress intensity was checked, which could provide a reference for analysis and design of the tower.

vertical slender vessel; wind load; earthquake load; eccentric load; stress evaluation

TQ 052

A

1671-0460（2016）11-2702-04

2016-10-23

孟祥宇(1983-)，男，辽宁省鞍山市人，工程师，2007年毕业于沈阳工业大学过程装备与控制工程专业，现从事压力容器设计工作。Tel：024-31957596, E-m ail：m engxiangyu@hqcec.com。