基于PV Elite软件的塔器校核计算注意事项分析

朱 辉 魏东波 王明国

（中国五环工程有限公司 武汉 430223）

塔器是石油、化工工业生产装置中经常采用且不可或缺的单元操作设备，其工艺性能的好坏对整个生产装置的产品质量的优劣、生产能力大小以及能耗高低等都有着极为重大的影响，而塔器的强度设计及刚度设计则对其工艺性能有着直接或间接的影响，相对于其他化工设备，塔器的强度计算较为复杂，尤其是高径比较大的细高塔器，不仅要考虑内/外压和温度等对塔体材料强度的计算的影响，还要考虑风载荷、地震载荷以及管道载荷等外载荷对塔器设备强度的影响，甚至有时还要考虑水压试验、吊装和运输等因素对塔体厚度的影响。因此，对塔器进行可靠且合理的设计则显得尤为重要。

PV Elite 是一款专业的压力容器设计软件，其不仅融合了当今美标与欧标压力容器设计体系中的主流设计规范（如ASME Ⅷ-1 &Ⅷ-2，PD 5500 和EN 13445 等），而且其因丰富的数据库、完整的计算方法、可靠的分析计算结果以及响应规范更新及用户反馈及时等诸多优势而被全球广大业主、制造单位及工程公司等所认可。

本文结合相关标准规范及使用经验，介绍了几个对于使用PV Elite 软件并采用ASME 标准规范进行建造的塔器进行建模和校核计算时应当着重注意和考虑的问题，以便提醒和指导设计人员能够更全面完整地进行塔式容器的校核计算，保证塔器操作的稳定性和安全性。

1 基于PV Elite 软件进行塔器校核计算应注意的问题

1.1 裙座支撑地脚螺栓计算方法的选择

塔器一般是由塔体和支座两部分组成，对于塔器的支撑一般有裙座、腿式支座、耳式支座以及支撑式支座等形式。而相比其他支座，裙座因其结构性能更好，与塔体连接处产生的局部应力最小，是塔器（和大型立式容器）广泛采用的支撑形式。裙座主要用于支撑塔体，即用来正确地固定塔的位置，并通过地脚螺栓与基础/结构相连接，防止塔在风载荷、地震载荷或其他附加载荷的作用下倾倒，进而防止造成塔器整体的操作失效。因此，地脚螺栓座的设计对保证塔器正常运转是很重要的因素。

PV Elite 软件中关于裙座地脚螺栓的校核计算主要有简化法（Simplified）和中性轴偏移法（Neutral Axis Shifted），其中简化法计算的基本原理与文献[1-2]中所介绍的维赫曼法类似，即将地脚螺栓化作同面积的当量圆筒，并假设基础截面为完全的混凝土环形截面。该方法形式简单，计算方便，适用于设备基础为混凝土和钢结构，但计算结果较为保守，计算出所需的地脚螺栓面积、基础环板厚度以及混凝土压力等值都较大。我国NB/T 47041—2014《塔式容器》中的关于地脚螺栓的校核计算也是借鉴简化法。中性轴偏移法即文献[1-2]中所提到的泰勒法，该方法把基础截面看成是钢与混凝土的组合界面，并考虑到钢与混凝土弹性模量的不同来确定在倾覆力矩作用下中性轴的位置。相比简化法，中性轴偏移法所计算得出的地脚螺栓面积、基础环板厚度以及混凝土压力等值都较小，但该方法并不适用于设备基础为钢基础的地脚螺栓的校核计算。

对于矮胖型（H/D≤5）塔器，其结构立面比较规则，刚度和质量沿高度分布均匀，受风和地震载荷影响较小，上述2 种方法的计算结果相差不大；但是对于细高型（H/D＞5）塔器，受风和地震载荷影响较大，建议选用中性轴偏移法。PV Elite 软件里所提供的Brn.&Young Analysis 计算方法其原理也是基于中性轴偏移法，该方法理论相对系统和完善，考虑到裙座筒体与地脚螺栓座的刚性协调，对裙座筒体的最小厚度有一定要求，也被国外广大用户推荐使用，特别是对于高径比H/D＞15 且H＞30 m 的塔器推荐使用。

1.2 注意塔器筒体/裙座建模计算时的合理分段

当对塔器进行校核计算时，一般要考虑对塔器筒体/裙座进行分段，尤其是受风和地震载荷影响较大的细高塔。而其分段的主要原因：1）因为塔体不等截面（如不等直径和不等壁厚）的结构分段；2）自振周期、风载荷和地震载荷计算时需要考虑塔体的计算分段。

对于不等壁厚的结构分段，通常是当塔体壁厚受风或地震载荷控制时，因为风或地震载荷引起的弯矩随着塔体的高度而自下而上递减，因此从等强度、结构设计的合理性和经济性考虑，将塔体分为自下而上逐段递减的厚度段，如塔体存在不等直径筒体，则变径壳体应单独分为一段或多段[3]。对于计算分段，不管是等截面筒体（筒体内径和壁厚相同）还是不等截面筒体（不等直径或不等壁厚），一般都要结合结构分段再将塔体合理地分成若干个计算段，以提高计算的精确度。然而结构分段也不是越多越好，因为要考虑制造和经济因素，计算分段也并不是分段越多计算差别越大或精度越高。

为了验证计算分段数对于塔器校核计算的大致影响，笔得使用PV Elite 软件对某国外项目中1 台直径为φ2 800 mm，壁厚为40 mm，塔体长度为50 m 的塔器进行建模核算，在其他条件均一致的情况下，对筒体分别进行不同等长度分段，其裙座基础风弯矩、地震弯矩和自振周期计算对比结果见表1。

表1 塔体不同分段数相关计算参数对比

从表中可以看出，当筒体分为5 段时，风弯矩较仅1 段筒体时约降低4.63%，地震弯矩较仅1 段时约增加17%，自振周期较仅1 段时约减小14.15%；而当筒体分段超过10 段之后，上述3 个参数基本没有太大变化。

由此可见，筒体的计算分段在一定个数内对于塔器的校核计算有较大影响，但是当超过一定分段数后，再增加分段数对于计算结果的影响程度却越来越小。而且对于高径比较小的塔器，因为风和地震载荷对其影响较小，也没必要对其进行过多分段。还有在使用PV Elite 软件进行建模计算时，过多的分段也会增加建模的复杂性和模型调整修改的难度，尤其是高塔并带有塔盘或填料、较多接管以及平台爬梯等附属元件的情况，而且对于高径比较小的塔器也没必要过多分段。因此在使用PV Elite 软件进行塔器校核计算时应结合塔器本身的结构特点进行合理的建模分段，以便提高设计计算效率和计算精度。

1.3 建议考虑轴向应力对开孔补强的影响

开孔补强设计计算是压力容器设计中非常重要的一部分，然而按标准规范进行开孔补强设计时，一般只考虑压力载荷的作用，但是对于塔器来说，除了压力载荷外，还要考虑风载荷、地震载荷、附加外载荷以及偏心载荷等对其所造成的影响，尤其是对于低压高塔。这些载荷作用于塔体将会产生较大的轴向应力，当叠加以后的轴向应力超过筒体环向应力时，此时筒体所需的厚度并不是由内压引起的环向应力决定的，而是由风载荷、地震载荷及内压等共同作用引起的轴向应力决定的。因此，对于采用等面积法进行开孔补强计算时就需要考虑可能由轴向应力所控制的厚度来进行计算，而只考虑内压作用进行等面积补强设计是不充分且不安全的，李燕平等人[4-7]也曾对该问题做了相关的研究和说明。

目前国内应用于辅助设计的计算软件SW6 并没有考虑轴向应力对于开孔补强计算的影响，然而PV Elite软件则考虑到这一点，可以通过勾选软件Load Cases界面中的Consider External Loads for Nozzle Tr 来实现，如图1 中标红所示。勾选后，软件会根据由内压或轴向应力所控制的筒体厚度对其上接管进行开孔补强校核计算。因此建议设计人员在使用PV Elite 软件进行校核计算时对此项进行勾选，以便考虑轴向应力对开孔补强计算的影响，提高开孔补强设计的安全性。

图1 PV Elite Load Cases 选项

下面将以实际的计算案例进行验证说明：某塔器采用ASME Ⅷ-1 规范进行设计建造，塔器结构尺寸为φ4 400 mm×49 600 mm（T-T），相关参数见表2。塔体距下封头切线1 200 mm 处有一公称直径为DN600的接管，采用PV Elite 软件对该接管进行开孔补强计算。

表2 设计参数

经核算，当不考虑由风载荷所引起轴向应力时，开孔处所需的补强面积为4 182.19 mm2，而当考虑由风载荷所引起的轴向应力时，此时开孔处所需补强面积为8 191.32 mm2。由此可见，计算结果相差较大，此时若按照前得所需的补强面积进行补强设计是不安全的。

1.4 尽可能确保模型建立的完整性和全面性

PV Elite 软件不仅可以实现设备主体结构整体3D模型的建立，而且对于大部分塔体附件及附加载荷等也可以根据相关参数于模型中呈现，如：操作介质、附塔管线、塔盘或填料、保温层、平台爬梯以及集中载荷等。这些附属元件/载荷在对塔器的强度/刚度和基础进行多工况（操作工况、安装工况以及水压试验工况等）校核时有较大影响，因此设计人员在对塔器进行建模校核计算时，应根据设备工艺参数和结构特点更加全面地考虑上述因素的影响，以保证塔器受力分析的完整性和安全性。

在实际的项目执行过程中，有时因为专业进度的原因，有些对于高塔设备有影响的专业条件一般反馈较晚，如各平台爬梯位置以及与附塔管线角度等，这对于风载荷计算有一定影响。PV Elite 软件里可以通过调整每个计算单元的迎风直径放大系数k（Wind Diameter Multiplier）来计算风载荷中筒体有效直径De，De=kD，其中D=筒体外径+2×保温层厚度[8]。

在初步校核计算时，可按表3 中的数值来调整PV Elite 模型中各主体计算单元的k以省略附塔管线、平台和爬梯模型的建立。

表3 有效直径De

2 结论

塔器相比其他化工容器，需要考虑的影响因素较多，致使其强度计算较为复杂，本文提出了几个在使用PV Elite 软件进行塔器校核计算时应注意的问题，如合理选择地脚螺栓的计算方法、对塔器进行合理分段建模计算以及考虑轴向应力对于开孔补强的影响等，以便提示和指导相关设计人员能够全面考虑对塔器设计计算的影响因素，确保塔器设计的可靠性、合理性和安全性。