常减压塔管式吊耳及其相关结构的计算校核

2018-03-21刘莎莎磊朱磊何述熠

石油化工建设 2018年5期

刘莎莎邹磊朱磊何述熠

1.大连益利亚工程机械有限公司辽宁大连 116024；2.中石化重型起重运输工程有限责任公司北京 101599 3.大连理工大学机械工程学院辽宁大连 116024

随着国内炼油化工行业的不断发展成长,以及工业设备不断地趋向大型化与集成化的改变,尤其是兴建炼油厂所必须的常减压塔等装置的单体重量越来越大,甚至超过上千吨,这些重量大、长度长、体积大的设备的安全吊装问题也就越来越复杂,且更加受到重视［1］。同以前对我国老式吊耳进行传统的计算不同,应对具有新的结构形式且更贴近国际化设计的管式吊耳,在简化模型进行解析计算的基础上,配以ANSYS有限元分析来满足安全吊装的需要。下文以国内某石化公司1000万t/a常减压蒸馏装置在垂直吊装工况下,其管式吊耳及相关结构的危险截面、主要焊缝截面的强度解析计算和有限元强度分析为例,不仅为该公司的安全吊装工作提供可靠的依据,还对其他同类大型炼化设备在安全吊装之前,其主吊耳的设计校核提供了一种可靠的计算验证方法。

1 常减压塔基本参数及载荷工况

1.1 常减压塔基本参数

常减压塔吊装重量均为790t,主吊耳采用管式吊耳,直径940mm,壁厚30mm,材料为Q345R。吊耳内外挡板(图1中4号件、7号件)的间距为300mm,即吊耳受载面宽度为300mm。

由于常减压塔的管式吊耳材料相同,工况相同,所以两塔选取相同材料的屈服极限σs和强度极限σb,分别为 325MPa 和 500MPa［2］。根据起重机设计规范［3］,单次吊装属于载荷组合C工况,因此选取材料安全系数n=1.22,常减压塔的材料许用应力［σ］=266MPa。常减压塔的角焊缝的许用应力［τh］=188MPa［4］。

1.2 单个管式吊耳结构及所受载荷

本文不同于国内管式吊耳的常用设计方式,参照国际常用的管式吊耳的结构［5］,选择增加管径和管轴壁厚、在管轴外设计立筋板以及减少管轴内腔筋板的复杂程度的方式,设计了常减压塔的主吊耳,又由于两塔的结构、尺寸及主吊耳的结构、尺寸均相似,下面计算分析均以常压塔为例,常压塔单个管式吊耳具体结构尺寸如图1所示。

图1 常压塔主吊耳结构形式

因常减压塔为立式设备,吊装的起始状态为水平状态,塔两端分别由主起重机同溜尾起重机共同合作,提升并使其从水平状态翻转至直立状态,在整个过程中,管式吊耳在设备就位即直立状态所受载荷最大,因此,选取对主吊耳最危险的垂直吊装工况为计算工况。

常压塔起吊重量790t,根据大型设备吊装工程施工工艺标准［6］,选取动载系数ndy1=1.1,不平衡载荷系数ndy2=1.1,单个吊耳计算载荷F为:

式中:

m——起吊重量,t;

G——重力加速度,g=9.8m/s2;

ndy1——动载系数,ndy1=1.1;

ndy2——不平衡系数,ndy2=1.1。

2 管式吊耳强度解析计算

大型塔设备在较大载荷垂直吊装时,管式吊耳的受力区域为最危险截面［7］,如图1所示,管式吊耳内挡板的P-P截面为危险截面,以此截面为强度校核截面。吊耳计算载荷F距P-P截面的距离LF为吊耳受载面宽度的一半,即LF=150mm。

根据图1尺寸结构对P-P截面进行计算得:

管式吊耳的截面积A1=8.57×104mm2。

管式吊耳的抗弯截面系数W1=1.89×107mm3。

式中,F——单个吊耳计算载荷,见公式(1—1),N;

根据参考文献［3］的5.4.1.3节,管式吊耳P-P截面的复合应力σ:

管式吊耳的危险截面应力小于材料许用应力,满足吊装要求。

3 主要焊缝强度解析计算

对吊耳的相关结构(垫板及补强圈筒体)的焊缝强度进行解析计算,而为准确反映吊耳的受力特点,下节对吊耳的其余焊缝进行了有限元分析。

吊耳相关结构的角焊缝均为普通焊缝,计算厚度按0.7hf取值,计算得:

垫板角焊缝计算厚度δf1=16.8mm;

补强圈筒体角焊缝计算厚度δf2=11.2mm。

焊缝计算长度按四周环缝的形式计算得:

垫板焊缝长度lf1=7742mm;

补强圈筒体焊缝长度lf2=7742mm。

焊缝强度计算公式［4］:

式中:

F——单个吊耳计算载荷,见公式(1—1),N;

Af——角焊缝的计算截面面积,mm2;

δf——角焊缝的计算厚度,mm;

lf——焊缝的计算长度,mm。

综上,垫板的焊缝应力τN1、补强圈筒体的焊缝应力τN2分别为:

吊耳的相关结构(垫板及补强圈筒体)的焊缝强度均小于许用应力,满足吊装要求。

4 管式吊耳及其相关结构有限元计算

4.1 有限元模型建立

对模型进行简化,仅建立吊耳及吊耳连接处设备局部实体模型,网格划分采用四面体单元,则常压塔实体模型如图2所示,吊耳处网格如图3所示。

图2 常压塔整体模型图

图3 常压塔吊耳局部网格

垂直吊装工况时,需要在常压塔壁上下边缘施加全位移约束,同时需要在管式吊耳外壁下侧施加载荷。如图4所示,管式吊耳下侧所承受的外力F是以沿弧长分布压力p的形式传给吊耳外壁,此处选取吊耳管壁下侧接触角度范围、以正弦曲线分布的径向载荷进行计算,计算得出正弦面载荷的最大值为21.16MPa。

图4 施加载荷图

4.2 有限元强度分析

垂直吊装工况时,常压塔两侧受力情况相似,故有限元分析选取其中一侧为例(下同)。

由图5所示的应力云图可以看出,常压塔整体应力基本小于许用应力,但是,垫板的上部焊缝中有约100mm长度的焊缝超过许用应力,有约30mm长度的焊缝大于屈服极限,最大应力为376MPa,小于强度极限,又由于垫板上部该段焊缝较短,所以进入强化阶段后不会产生破坏;最大应力点499MPa发生在垫板上方的塞焊孔位置,为一个单元,其周边单元的应力迅速衰减,同时存在形状突变,因此产生应力集中,实际吊装工况不会发生,可忽略。圈筒体交接处上下部焊缝均小于许用应力,管轴内部有两段分别约120mm长的区域大于许用应力,但小于屈服极限,最大应力为287MPa。管轴外部也有两段分别约60mm长的区域大于许用应力,但小于屈服极限,最大应力为283MPa。由于管轴内外部只有极小区域的应力值略微超过许用应力,所以单次吊装并不会产生破坏。此外,外筋板与垫板交接焊缝处存在个别筋板端部有约30mm长度区域大于许用应力,极个别筋板有约10mm长度区域大于屈服极限,最大应力为334MPa,小于强度极限。需要注意的是,外筋板个别超限区域属于结构形状突变所产生的应力集中,导致数值偏大,有限元分析中应剔除,并且此处实际存在焊缝会降低应力,现场吊装也不会发生破坏。