碳化塔开孔结构的应力分析与强度评定

王在良，畅皓皓，郭建志，苟明松，陈 鹏，许兆美

（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安223002；2.淮阴工学院机械与材料工程学院，江苏淮安223003）

碳化塔开孔结构的应力分析与强度评定

王在良1，畅皓皓2，郭建志2，苟明松2，陈 鹏2，许兆美2

（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安223002；2.淮阴工学院机械与材料工程学院，江苏淮安223003）

针对于Φ3000/3500碳化塔结构，其中下部塔体直径为3 000 mm，开设了2 200×1 250 mm的矩形孔。该结构较为特殊，为此，采用ANSYS软件对矩形孔进行有限元模拟，对碳化塔的开孔结构进行应力分析与强度评定。通过对计算结果线性化处理，根据JB4732分析设计标准，可以发现碳化塔的开孔结构符合要求。

应力分析；强度评定；有限元模拟；线性化

1 碳化塔简介

碳化塔由两段组成，如图1所示，煅烧炉气由塔下部进入，被塔上部进入的氨盐水吸收，所得碱液由塔下部管道流出[1]。为防止出碱液温度高等现象影响生产效率，下段气体温度需控制在设计范围内，Φ3000/3500碳化塔通过在塔下部安装八个换热器的方法来实现下段气体的冷却。该碳化塔材料为Q345R，塔体总高30 000 mm（不含裙座），容积为240 m3，下部塔体高14 812 mm，直径为3 000 mm，厚30 mm，过渡段采用圆锥体结构，锥段高度为 600 mm，上部塔体直径为 3 500 mm，厚 24 mm，裙座高1 450 mm，厚30 mm，与塔对接焊。在下部塔体开8个2 200 mm×1 250 mm的矩形孔，以安装换热器。

图1 碳化塔结构简图

该结构壳程物料为氨盐水与煅烧炉气，工作压力为 0.6 MPa，工作温度为65℃，管程物料为水，工作压力为0.25 MPa，工作温度为 25℃.

2 碳化塔简化模型

由于碳化塔内件较多且结构复杂，在对碳化塔整体结构的强度分析中影响也不显著，因此在对碳化塔进行有限元建模时忽略内件的影响，仅在施加塔体的重力载荷时通过施加当量重力加速度的方法将塔内件的质量考虑进去[5]。

在碳化塔的实际结构中，换热器的换热管对管板有一定的约束作用，开孔也会削弱管板的强度。但在分析中，若将换热管及开孔反映在模型上会大大增加模型的复杂程度和计算时间，因此，本分析通过在管箱伸进塔体部分的截面上施加平行于换热管轴向位移约束来考虑换热管对管板的影响，通过计算管板的当量材料系数（如弹性模量、泊松比等）来考虑开孔对管板的削弱影响。

形状尺寸：按简化所述，模型部分包括碳化塔上部筒体、过渡段、下部筒体、椭圆封头、裙座，换热器管箱、管板、分程隔板。

其中，塔体总高 30 000 mm（不含裙座），下部塔体高度 14 812 mm，直径为3 000 mm，厚 30 mm，过渡段高度 600 mm，上部塔体直径为3 500 mm，厚24 mm，标准椭圆封头厚30 mm，裙座高1 450 mm，厚30 mm，换热器管箱与分程隔板厚度为30 mm，管板厚度为60 mm.模型如图2所示。

图2 模型图

材料：根据要求，碳化塔的材料为 Q345R.由上所述，管板上开孔削弱的影响通过降低管板的材料系数来考虑，根据ASMEⅧ中强制性的规定，管板部分的弹性模量修改为92 GPa，泊松比修改为 0.27.除管板外，其它部分的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3.所有材料的密度均为7 850 kg/m3.

网格划分：单元类型选用SOLID45八节点三维实体单元，模型建立了 303 390个节点，226 206个网格单元，网格如图3所示。

图3 网格图

3 模型的有限元分析及结果评定

模型应力分布图建立的模型如图4所示。

图4 筒体模型应力分布图

最大应力出现在从碳化塔下部开始数第二个换热器与下部塔体的连接处。在换热器管箱与塔体的连接处，由于结构的不连续出现应力集中现象，最大应力点附近应力衰减严重。本次评定保守地在管箱、塔体上取出含最大应力附近的部分单元进行评定。图5为管箱部分应力云图。

图5 筒体管箱局部应力图

线性化结果如图6所示。

图6 M2模型路径1线性化结果

由图6可知，一次局部薄膜应力数值基本保持不变，一次加二次应力数值随着应变的增大而逐渐减小，总应力数值也随着应变的增大而逐渐减小。（结果分析）

将路径1的线性化结果和应力强度许用极限值列于表1.

表1 线性应力结果

由表1可知，该路径处的线性化结果满足强度要求。

4 结束语

综上所述，含大开孔的Φ3000/3500碳化塔在考虑了重力载荷、管程压力、壳程压力和2种方向的风载荷的作用下，筒体采用 30 mm，其最大应力为 403 MPa，按JB4732应力分类方法，一次应力和二次应力均满足应力强度许用值的要求。因此，该碳化塔结构强度满足要求。

[1]梅 明，陈 涛.联碱碳化塔洗水制备轻质碳酸钙[J].工业用水与废水，2013（06）：27-30.

[2]沙朝建.φ3000筛板碳化塔的使用和操控要点[J].纯碱工业，2016（05）：10-13.

[3]王 远，丁超然.大型筛板碳化塔的研究与应用[J].纯碱工业，2014（06）：3-11.

[4]罗惠敏.焦炭塔自动底盖机系统的设计分析与研究 [D].北京：北京化工大学，2015.

[5]缪飞飞.旋风分离器大开孔的有限元分析[D].上海：华东理工大学，2015.

Stress Analysis and Strength Evaluation of Opening Structure of Carbonized Tower

WANG Zai-liang1，CHANG Hao-hao2，GUO Jian-zhi2，GOU Ming-song2，CHEN Peng2，XV Zhao-mei2
（1.Jiangsu Keshen Chemical Machinery Co.，Ltd.，Huai’an Jiangsu 223002，China；2.Department of Chemical Engineering，Huai yin Institute of Technology，Huai’an Jiangsu 223003，China）

In view of the structure of the Φ3000/3500 carbonization tower，the lower part of the tower is 3000 mm in diameter，and a rectangle hole of 2200 × 1250 mm is opened.The structure is very special，so the finite element simulation of the rectangular hole is carried out by ANSYS software，and the stress analysis and strength evaluation of the opening structure of the carbonization tower are carried out.By linearization of the calculated results，according to the JB4732 analysis design standard，it can be found that the pore structure of the carbonization tower meets the requirements.

stress analysis；strength evaluation；finite element simulation；linearization

TQ053.5

A

1672-545X（2017）10-0217-03

2017-07-25

王在良（1972-），男，江苏淮安人，本科，高级工程师，研究方向：节能环保化工装备、压力容器产品。