MMA萃取塔结构设计与应力分析

张新建 姚佐权 顾玉钢 张雅莉

(1. 合肥通用机械研究院；2. 上海森松化工成套装备有限公司)

MMA萃取塔结构设计与应力分析

张新建*1姚佐权1顾玉钢1张雅莉2

(1. 合肥通用机械研究院；2. 上海森松化工成套装备有限公司)

根据某甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取塔的工艺操作要求，对萃取塔的整体结构进行优化设计，并采用有限元应力分析方法对塔体在设计工况、工作工况和水压试验工况的整体结构与结构不连续部位的应力进行分析，从而确定了萃取塔主体的最终结构尺寸，保证了塔体的结构安全和工艺性能。

MMA萃取塔 结构设计 应力分析

甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取塔作为MMA装置中的关键设备之一，具有结构复杂、动静结合及设计计算难度大等特点，为了确保该设备的安全使用，笔者采用有限元应力分析方法对该设备的整体结构进行了详细校核，为类似设备的设计提供参考。

1 MMA萃取塔结构设计

1.1设计参数

萃取塔的关键设计参数如下：

设计压力 0.20MPa

工作压力 0.18MPa

设计温度 100℃

工作温度 50℃

水压试验压力 0.43MPa(卧置)、0.25MPa(立置)

主体材料 S31608

介质 MMA、庚烷、水

介质特性 易爆、中毒危害

焊缝系数 1.0

腐蚀裕度 0mm

设备容积 77.2m3

塔体总高度 21 400mm

设备净重 23 020kg

设备充水重 98 020kg

操作重量 81 520kg

保温层材料 硅酸铝纤维

保温层厚度 90mm

基本风压值 550N/m2

设计地震分组 第一组

地震设防烈度 7度/0.10g

场地土地类别 Ⅳ类

地面粗糙度类别 A类

设计准则 分析设计

容器类别 Ⅰ类

1.2材料参数

萃取塔塔体主体材料为S31608，裙座下方材料为Q345R。两种材料的物理性能参数见表1、力学性能指标见表2。

表1 S31608与Q345R的物理性能参数

表2 S31608与Q345R的力学性能指标

塔顶电机和吊在塔顶的塔内设备总重量使用等效密度的方法折算到塔顶筒体，使用同样的方法将塔内介质的总量折算到塔体上。

1.3主体结构尺寸确定

根据设计条件的要求并按照JB 4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》(2005年确认)进行初步计算[1]，确定了萃取塔的主体结构尺寸(表3)。

表3 萃取塔的主体结构尺寸

由于塔顶有电机和驱动机构，需考虑各种工况下电机和驱动机构对塔体应力分析的影响，为简化有限元模型，使用φ1000mm×30mm、高度为2 322mm的筒体模拟电机和驱动机构，萃取塔结构尺寸如图1所示。

2 应力分析方案的确定

根据设计要求，对萃取塔结构进行整体应力计算，分析计算塔体在内压、自重、地震和风载载荷作用下塔体不连续处和裙座局部的应力分布并进行应力评定[2]。由于整个塔体设计温度不高且温度分布较为均匀，因此可不考虑由温差产生的应力。根据JB 4732-1995规定，结构在进行应力分析计算时，一般需要设置3种载荷工况进行应力计算、分类与评定，即：设计载荷工况、工作载荷工况和水压试验载荷工况[3]。由于设计载荷工况比工作载荷工况要恶劣，当设备没有疲劳载荷且不考虑温差应力时，可以不考虑工作载荷工况，仅考虑设计载荷工况和水压试验载荷工况。

由于萃取塔所受的载荷较多，为了计算分析与应力评定的简便，需要对塔体若干设计载荷工况(内压、自重、地震和风载)进行单独和组合计算。水压试验载荷工况为：常温下，整体结构在水压试验压力下的第三类应力强度计算、分类和评定，水压试验压力按JB 4732-1995确定。

图1 萃取塔结构尺寸

3 应力计算、分类和评定

3.1结构有限元模型

萃取塔塔体结构整体三维实体有限元计算模型如图2所示，图2b为塔体与裙座连接结构模型图，为典型的堆焊型结构[4]。

a. 整体结构

b. 塔体与裙座连接结构

采用ANSYS的六面体二阶单元Solid95对模型进行网格划分。其中Solid95单元有48 302个，节点260 484个，边界条件为裙座底部固支，萃取塔结构的有限元模型如图3所示。

a. 整体结构

b. 锥段结构

作用在塔体上的载荷有内压、自重、地震和风载。为了保证计算分析与应力评定的精确，需要对塔体在内压、自重、地震和风载单独作用时进行应力分析，并对内压+自重+风载(组合载荷一)和内压+自重+地震(组合载荷二)两种组合载荷工况进行应力分析。

3.2应力计算结果

3.2.1设计载荷工况

以彩色等级图的方式来表示结构的第三强度当量应力分布。萃取塔在地震、风载、自重和内压载荷单独作用下的计算结果如图4所示。

a. 地震载荷

b. 风载荷

c. 自重载荷

d. 内压载荷

各载荷单独作用下的最大应力值及其位置如下：

地震载荷 151.0MPa(锥段小端)

风载荷 88.6MPa(裙座局部)

自重载荷 87.7MPa(裙座局部)

内压载荷 87.4MPa(裙座局部)

由以上计算结果可知，在对各种载荷单独作用于萃取塔结构产生的应力进行评定时，应力最大的危险位置主要在锥段小端和裙座局部，因此，需对萃取塔这些位置的应力分别进行评定。

在对各种载荷单独作用时进行应力分析之后还要对萃取塔在内压+自重+风载(组合载荷一)和内压+自重+地震(组合载荷二)两种组合载荷工况进行应力分析。根据JB 4732-1995，不同时考虑地震载荷和风载荷。图5为两种组合载荷的有限元应力分布结果，在组合载荷一工况下，最大应力为119.0MPa，位于裙座与封头的连接部位；组合载荷二工况下，最大应力为167.0MPa，位于锥壳小端。

a. 组合载荷一

b. 组合载荷二

3.2.2水压试验工况

萃取塔在水压试验载荷作用下的应力分布如图6所示，此时，最大应力为90.7MPa，位于裙座局部。

图6 水压试验载荷作用下萃取塔结构应力分布

3.3应力分类与评定

依据JB 4732-1995标准中关于应力分类与评定的定义和塔式容器的结构特点，选取萃取塔上危险部位(应力较大)的应力进行线性化处理，分离出的平均应力为一次局部压缩薄膜应力，分离出的压缩薄膜应力+压缩弯曲应力为二次应力。

萃取塔结构中二次弯曲应力所占份额较小，基于偏保守的考虑，对应力进行线性化处理后，“一次局部薄膜+弯曲”应力用1.5K倍的设计应力强度来评定。自重和内压载荷作用下的组合系数K取1.00，风载和地震载荷作用下K取1.20，水压试验载荷工况下K取1.25。由于萃取塔在各载荷工况下的最大应力均小于该工况下1.5K倍的设计应力强度值，因此，该萃取塔应力计算合格。

4 结论

4.1萃取塔塔体结构在自重、内压、风载、地震和水压试验的单独或组合载荷作用下的应力皆能满足各自的许用应力强度要求。

4.2萃取塔塔体结构安全可靠，目前该设备已安全运行三年多，为MMA装置的正常运行提供了有力保障。

[1] JB 4732-1995(2005年确认)，钢制压力容器—分析设计标准[S].北京：新华出版社，2005.

[2] 温静，张铱鈖，宋强.基于ANSYS对氨合成塔支座的应力分析[J].化工机械，2011，38(6)：746～748．

[3] 孟德文，李志军.PSA吸附塔的结构设计及应力分析[J].石油化工设备，2010，39(6)：33～36．

[4] 谈永明，邵东亮.焦炭塔裙座与筒体连接区域应力分析[J].化工机械，2011，38(4)：457～460．

StructureDesignandStressAnalysisofMMAExtractionColumn

ZHANG Xin-jian1, YAO Zuo-quan1, GU Yu-gang1, ZHANG Ya-li2

(1.HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China；2.ShanghaiMorimatsuChemicalEquipmentCo.,Ltd.,Shanghai200127,China)

Basing on operation requirement of a methyl methacrylate (MMA) extraction column, the optimal design of its overall structure was conducted; and the finite element stress analysis method was adopted to analyze the stress on column’s overall structure and non-continuous parts under design condition, operation condition and hydraulic pressure test condition respectively so as to determine the column’s structure size and ensure its safety and process functions.

MMA extraction column, structure design, stress analysis

*张新建，男，1985年3月生，工程师。安徽省合肥市，230031。

TQ053.5

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0254-6094(2016)03-0315-05

2015-09-11)