对小直径高耸塔器挠度控制的讨论

韦权权 杨文庭

摘      要：对于小直径高耸塔器在计算过程中由于风载荷、地震载荷造成的弯矩使塔顶产生非常大的挠度，此时如果按照常规的计算方法来设计，设备壁厚将会变得非常厚。考虑到此类高耸塔器一般放置在装置框架中，通过设置一个或多个导向支架，会使设备的风载荷、地震载荷通过导向支架传递到结构框架上，使结构框架承担其全部的风载荷和地震载荷， 能大大地降低设备的弯矩和挠度。计算总结了一种考虑导向支架作用的小直径高耸塔器的设计方法，即充分考虑导向的支撑作用，计算的复杂度又相对不高;依据塔器的设计原理，结合SW6软件、ANSYS软件，快速、合理地完成小直径高耸塔器的计算。

关  键  词：高耸塔器;挠度;控制

中图分类号：TQ053.5       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）02-0501-04

Abstract： In the calculation process of a high-rise tower with small diameter， the bending moment caused by wind load and seismic load always causes a very large deflection on the top of the tower. If the tower is designed according to the conventional calculation method， the wall thickness of the equipment will become very thick. Considering that the high-rise tower is generally placed in the unit frame， the bending moment and deflection of the equipment can be greatly reduced by setting one or more guide supports which can transmit the wind load and seismic load of the equipment to the structural frame through the guide bracket， so that the structural frame bears all its wind load and seismic load. In this paper， a design method of small diameter high-rise tower considering the action of guide supports was described. The design method considers fully the supporting function of guide bracket; the calculation complexity is relatively low. Based on the design principle of tower， combined with SW6， ANSYS software， the calculation of this kind of equipment can be solved quickly and reasonably.

Key words： high-rise tower;  deflection;  control

在化工裝置中，有许多放置在框架结构之中的直径较小，高度非常高的高耸塔器。由于塔身细长，所以设备的风、地震载荷产生的弯矩和挠度都较大。

塔器顶部挠度过大对塔器主要有以下几方面的影响：

（1）对于板式塔器而言，塔顶晃动会影响塔器内塔板工艺操作的平衡。如果挠度过大，会使塔盘倾斜，造成气液传质的不均匀，进而导致塔板效率的下降，影响最终产品的质量。

（2）会容易使接管连接出现泄漏。与塔体连接的接管因塔顶的晃动过大，连接处受到拉、压、弯、扭的综合作用，易出现泄漏，对装有易燃、易爆及有毒介质的塔器是非常危险的。

（3）会使塔体的附加弯矩增大。塔顶挠度过大，即塔器在摆动过程中产生的最大位移离塔器中心轴线的绝对距离增大，由此产生的附加偏心弯矩增加，影响塔器的使用寿命。

（4）影响现场检修工人的操作及安全。

所以为确保塔器的正常操作及安全使用，必须对塔器的顶部挠度进行适当控制。

1 方法对比

引起塔器挠度的外载荷有：均布载荷或倒三角载荷，如风载荷等;集中力，如管道产生的推力等;外弯矩作用，如塔顶附件产生的弯矩等。一般的塔式容器按照塔式容器标准设计[1]，校核塔器在各种操作工况下及各种载荷（包括压力载荷、风载荷、地震载荷等）作用下的各个截面的应力水平[2]，计算出塔器顶部的最大挠度，并将其控制在标准规范要求的许用范围内[3]。

对塔器挠度进行控制主要有以下几种方法：

（1）增加塔器直径，降低塔器总高[4]。这种方法可以增大塔器的固有频率，改变其自振周期，从而避免塔体结构产生诱导振动。但这种方法主要取决于工艺设计参数的许可情况，需要在工程设计前期充分考虑工艺条件，在工程项目的详细设计阶段很难满足工艺设计要求。

（2）增加塔体壁厚，这是工程实践常用的一种方式。但经济性相对较低，因为设备筒节的抗弯模量与壁厚存在线性关系，惯性矩与壁厚近似线性关系，即加厚设备厚度对于提高筒体的抗弯性能，降低挠度效果非常不明显， 在风和地震控制的高耸塔器，需要将下部筒节加厚到非常厚才能通过计算。

（3）在塔体周围（主要集中在塔体上部）焊接可以消除产生涡旋的一些翅片（包括螺旋式或轴向式），其可以减小风载荷产生的弯矩，降低塔顶的挠度值。但是大多数塔器有外保温层，且塔顶周围安装有众多的附件（如平台梯子、吊耳、管线支架等），所以这种方法在实际工程中相对比较复杂。

（4）在塔体上设置导向支架，高耸塔器放置在框架中设置一个或多个导向支架，会使设备的风载、地震载荷通过导向支架传递到框架上，使结构框架承担全部的风和地震载荷。设置导向支架的作用就是可以通过导向支架使风和地震载荷较为均匀地传递到框架结构上，减轻设备本体所受到的弯矩和轴向力，避免高耸塔器设备的振动，降低设备的挠度。

2  工程实例

在某石化项目的化工装置中需要新建一台闪蒸塔，其主要设计参数如表1所示，设备的主要设计尺寸如表2所示。

按照塔器的常规计算方式，满足标准规范要求并将其控制在标准范围内。通过增加壁厚的方式设备的筒节厚度将达到34 mm，裙座厚度需要42 mm，壁厚大经济性非常低。

由于闪蒸塔的保温厚度为120 mm，且塔体上部的附件比较多，所以沿塔体周围焊接一些螺旋式或轴向式翅片在实际操作中相对比较困难。

塔器的梯子、平台、管线和其他附件的位置需要满足管道专业的现场配管要求，无法满足设备专业需要达到的位置要求，所以合理安排布置塔器的附件位置，对于减少塔顶挠度的有效程度有待验证并且在实际工程中很難满足我们计算的理论要求。

综合分析，考虑到闪蒸塔放置在框架结构之中，我们可以尝试通过在塔体上部增设导向支架的方式降低塔顶的挠度，导向支架限位装置只允许塔体在轴向自由伸缩，限制了径向摆动，降低了风、地震载荷产生的弯矩和挠度，使设备受力大为改善，从而满足标准规范对塔器的设计要求。

3  理论计算

3.1  理论简述

目前对设置导向支架的塔设备没有成熟的设计方法，有的采用有限元进行塔器整体分析，优点是能够计算出结果，缺点是无法完全模拟风和地震载荷等各种工况，并且耗时长，精度低，对设计人员要求非常高，每个设计人员得到的结果都不同。有的设计方法采用公式推导的方法计算弯矩和挠度，优点是可参照塔设备进行推导，模型一致。缺点是推导太复杂，对于不变径的一个导向的设备勉强可用，多个导向公式推导非常困难。本文将介绍一种考虑导向支架的影响的塔设备的计算方法，即充分考虑导向的支撑作用，计算的复杂度又相对不高。

带导向支架的塔器的计算步骤如下：

（1）用SW6软件计算塔器，从计算书中提取每段的风载荷，地震载荷，偏心载荷;

（2）将计算模型转换成ANSYS梁单元模型，求出每个截面（节点）的反力，弯矩;

（3）将每个截面（节点）弯矩代入SW6中计算最大弯矩和弯矩引起的轴向应力;

（4）按照新的弯矩引起的轴向应力在已有的计算书中评定是否合格;

（5）如不合格调整壁厚重新计算;合格后，校核导向支架对筒体局部应力是否合格。

塔体增设导向支架的计算的核心是计算带导向支架时的风弯矩和地震弯矩。由于其模型是一个超静定结构，使求解非常困难。而这个问题用有限元梁单元来求解是相对非常简单的。将计算各个截面的弯矩的问题转换成计算有限元梁模型的各个段内部单元最大的弯矩值

为使计算结果准确，需使有限元模型等效于实际的计算模型，可按下述方法实施：

（1）对于塔器的计算模型，其每个截面处等效于有限元模型的节点处。

（2）塔器的计算规范中将每段筒节的最高处的风压作为整段的均布风载荷。设第i段的顺风向水平风力为Pi，此段的长度为Li，则在此段上施加均布载荷Pi/Li。有限元风载荷施加与规范的要求一致。

（3）塔器的裙座底部作为固支模型计算，并在导向支架位置需施加Uy=0的位移约束。载荷施加如图1所示。

3.2  计算风和地震载荷的等效载荷

风载荷和地震载荷有两种方法计算。一种是按照塔器规范的要求，每一段筒节单独计算，缺点是比较繁琐、容易出错。为了使计算更全面，更便捷，可以从SW6软件的计算书中提取风、地震载荷。不过SW6软件的计算书结果中没有风载荷水平推力的值，只有各个截面风弯矩的值，所以需要进行一些转化。不考虑横向风载荷时任意截面处的风弯矩，按照塔式容器标准中的式（35）来计算，即：

将式（3）转化成简写形式[L][P]=[ΔMw]。已知[L]和[ΔMw]，可解方程得[P]= [L]-1[ΔMw]。再将[L]-1与[ΔMw]做矩阵相乘，则可得到[P]，即各个段筒节的风载荷水平推力。将水平推力除以筒节长，可得各段的单位长度上均布风压值。由于考虑塔器带导向支架时，风载荷相当于多段均布载荷分布在简支梁上。当考虑横向风振时，简支梁的自振周期为悬臂梁的自振周期的23%，所以一般情况下均不需要考虑塔式容器的共振以及共振弯矩。

将式（4）转化成简写形式为[L][F]=[ΔMe]，并求得方程的[F]= [L]-1[ΔMe]。通过计算得出该设备的地震载荷比风载荷小得多，所以对于本文中的塔器其强度主要考虑风载荷的影响。

因此通过SW6软件的计算书得到的当组合风弯矩值由横向风载荷控制时，由于有导向支架的作用，塔器的远离共振周期，实际横向风载荷小于SW6计算的横向风载荷。再通过将各截面的组合风弯矩从上到下逐步增加的偏保守算法得到水平推力[P]，满足工程应用。

3.3  计算弯矩和反力

通过ANSYS软件进行分析计算各截面处的弯矩、反力。计算结果如图2-4所示。

通过ANSYS软件计算求解后可获得塔的各个截面上最大的弯矩值以及导向支架处的反力。将风弯矩和地震弯矩分别代入原SW6计算书，计算截面处最大的MmaxI-I并进行之后的手动完成后续的计算。导向支架处的反力可以用WRC107方法校核其对筒体的影响。

4  结语

通过增设导向支架的方式使设备?800 mm的筒节厚度由原常规计算的34 mm降为24 mm，裙座厚度由原常规计算的42 mm降低為24 mm。设备金属总重量由原来的31 330 kg降低到24 000 kg。

通过实例计算可以得到如下结果：

（1）导向支架对于高耸小直径塔器的影响不能忽略。对风弯矩来说，下部筒节段考虑导向支架作用时的风弯矩是不考虑导向支架作用时的1/6。由于风弯矩和风弯矩相关的应力呈线性关系，所以各个截面的应力值都大大降低。下弯曲应力引起的轴向力下降为原来的19.4%。经过核算，各个截面的应力值均有大幅下降，最后设备整体校核合格，并有较大的裕量。

（2）导向支架处的推力由风载荷决定，如果推力过大，可以考虑多加几个导向支架，分别核算各个导向支架处的推力。

（3）增加导向支架后设备的弯曲应力、水平推力、以及挠度都大幅度下降，能够降低设备的壁厚，实现制造、安装费用的降低，达到节能减排、经济合理的效果。

（4）从结果可以看出无论是否考虑导向支架，地震载荷相比风弯矩来说比较小，决定最大弯矩的是风弯矩。所以如果想用公式法计算，为了简化计算，忽略地震载荷的影响是合理的。

在工程中，塔器设置导向支架只是降低塔顶挠度的有效方法之一。笔者了解到，降低高耸塔器的顶部挠度也可以采用塔体设置侧向支撑的方式[3] ，侧向阻尼器支撑能够有效地增强高耸塔器的抗风性能。因此设计者应根据实际情况合理选择挠度的控制方式，在满足相关标准规范的前提下以达到安全经济的设计目的。

参考文献：

[1] NB/T 47041-2014， 塔式容器[S].

[2] 孟祥宇. 解析塔整体应力分析及评定[J]. 当代化工，2016，45 （11）：2702-2705.

[3] 李在先. 关于塔器许用挠度的探讨[J]. 压力容器，1996 （6）： 42-45.

[4] 周文清. 用经济方法控制小塔顶挠度[J]. 石油化工设备，2002 （1）： 46-47.

[5] 彭恒. 高耸塔器的风振模拟及其采用侧向支撑的减振分析[J]. 压力容器，2016（1）： 25-31.