黏度控制塔大尺寸切向接管应力分析与结构优化

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403006

摘 要 为保证气液分离效率且合理地设计塔的强度，利用ANSYS软件建立设备筒体与切向接管的几何模型，获得了常用矩形截面和优化结构（长圆形截面、圆角矩形截面）接管的应力分布图。分析了接管形状和筋板设置对切向接管处应力的影响，结果表明：圆角矩形截面接管在更好地满足分离效率的情况下，能够减少筒体与接管处应力集中的现象，使切向接管处的应力分布更加均匀。同时，将圆角矩形截面接管按分析设计标准进行应力强度评定，其计算结果满足工程设计强度要求。

关键词 大尺寸切向接管 黏度控制塔 截面型式 应力分析 ANSYS

中图分类号 TQ055.8+1   文献标志码 A   文章编号 0254?6094（2024）03?0360?08

Stress Analysis and Structural Optimization of Large?sized

Tangential Nozzle of Viscosity Control Tower

CHEN Jia?rui

（Sinopec Engineering Incorporation）

Abstract   For purpose of ensuring efficiency of air?liquid separation and designing  tower strength reasonably， ANSYS software was used to establish geometric model of the cylinder and tangential nozzle of the device， and the stress distribution of common rectangular section and the optimized structure （oblong section， rounded rectangular section） was obtained and influence of the nozzle shape and the ribbed plate setting on the stress was analyzed. The results show that， under the condition of better satisfying separation requirements， the stress concentration between the cylinder and the pipe with the rounded rectangular section can be largely reduced and the stress distribution at the tangential opening becomes more uniform. Meanwhile， assessing stress strength of the rounded rectangular section according to the analysis and design standard indicates that the results meet the requirements specified in the standard.

Key words    large?sized tangential nozzle， viscosity control tower，  section pattern， stress analysis， ANSYS

作者简介：陈嘉睿（1993-），工程师，从事石油化工设备设计工作，hy6cjr@163.com。

引用本文：陈嘉睿.黏度控制塔大尺寸切向接管应力分析与结构优化[J].化工机械，2024，51（3）：360-367.

乙烯装置中，急冷系统上承裂解炉区、下连压缩分离区，因此急冷系统在乙烯工艺中起着重要作用。然而，急冷系统存在急冷油黏度过高的问题，为了降低急冷油黏度，常用的方法是增设黏度控制系统，通过采用裂解气汽提的措施来降低急冷油黏度。黏度控制系统中的核心设备是黏度控制塔，其主要作用是将裂解气和急冷油混合物实现高效的气液分离。由于黏度控制塔工作时受到一定的内压作用，故与普通炼油厂催化裂化装置中旋风分离器有所不同。

黏度控制塔需要开孔安装接管，并且为了保证塔的气液分离效果，接管与塔体之间的连接常采用切向接管，且接管优选方案是矩形截面[1]。但是，这种截面的切向接管不仅会破坏原有的应力分布，而且塔体因为开孔以及切向接管矩形截面本身的几何不连续，会引起塔体开孔处和切向接管截面几何不连续处出现较高的应力集中现象，使得大型乙烯黏度控制塔无法满足强度设计要求。因此，在保证黏度控制塔气液分离效果的前提下，优化设计大尺寸切向开孔接管结构，使黏度控制塔能够长周期安全稳定运行显得尤为重要。

通常，通过采用圆角结构来解决因几何不连续而引起的局部应力集中问题。然而目前对圆柱壳开孔接管的研究主要集中在理论计算和有限元验证（薄壳有限元和三维有限元）[2]，利用试验进行研究的则较少[3]。文献[4]对压力容器的正交接管进行了应力分析与强度计算。文献[5]研究了压力容器与切向接管的应力分布，并分别对矩形和圆形接管进行了计算与强度评定，得到了圆形接管可以减小应力集中的结论，但该研究并未涉及对接管增设加强筋板的相关计算。对于大型乙烯黏度控制塔，因其介质流量大，接管尺寸大，因此仅依靠切向矩形接管处的圆角结构来减小应力集中仍然无法满足黏度控制塔工程设计的强度要求。

有限元技术的发展为解决复杂工程分析计算问题提供了强有力的武器，笔者利用ANSYS有限元软件建立设备筒体与接管连接处的模型，通过减小切向矩形截面接管应力集中以及在切向接管外周合理设置加强筋板的措施，使黏度控制塔的大尺寸切向接管满足工程设计的强度要求。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

受压薄壁容器（图1）由黏度控制塔筒体、封头和相应接管组成。

F、F、F——内压作用在截面上的总轴向力;

P——塔体和接管内表面的压力载荷

其相关设计参数如下：

设备直径 3 200 mm

工作压力 0.071/0.076 MPa

塔顶最高工作压力 0.250 MPa

设计压力 0.350 MPa

最高/低工作温度 281/275 ℃

设计温度 350 ℃

操作介质 裂解气，燃料油

基本风压 400 Pa

抗震设防烈度 7度

场地土类别 Ⅱ

为便于建模和计算，对模型进行简化：

a. 取椭圆封头以及与之相连的接管，筒体的长度仅取至与锥体连接处;

b. 切向开孔的接管不考虑法兰及其附件，根据弹性力学中的圣维南原理，接管长度按照大于2.5（其中R为接管的半中径，δ为管壁厚度）的边缘应力衰减长度原则确定;

c. 忽略各接管法兰连接处由管道本身产生的附加弯矩的影响。

筒体材料选用Q345R，接管材料选用10号钢。接管定位及筒体尺寸示意图如图2所示。

P2为圆形截面接管，其外径1 040 mm，厚度δ=20 mm;P1为矩形截面接管，以保证气液分离效率。为保证黏度控制塔大尺寸切向接管高强度要求，在矩形截面接管P1外周设置矩形筋板，其结构尺寸如图3所示。

为提高孔边对弯曲应力的承载能力，在P1接管的外部距中心线2 000 mm处放置第1块筋板并分别设置两个对照组：

a. 对照组1，相同筋板厚度，不同筋板间距;

b. 对照组2，不同筋板厚度，相同筋板间距。

1.2 网格无关性验证及网格划分

从有限元分析的原理上看，网格划分越细密，求解结果精度越高。但在实际工程设计和应用中，网格数量的急剧增加会导致计算时间成本的大幅增加，而且当网格数量达到一定数量后，计算精度的提高并不明显。因此，在工程应用中，需对模型按部位的重要程度进行区分，关键部位和关键节点需要提高计算精度，可以选择细化网格，而远离约束和载荷的部位或受约束和载荷影响较小的部位，可适当选择较为粗糙的网格进行离散。

有限元模型的网格无关性分析应力值见表1。通过网格无关性分析可以得出，对于远离约束和载荷的部位，网格单元尺寸可以选择15 mm，对于关键部件的网格划分精度需要在此基础上进行局部加密，使计算结果满足精度要求。

根据筒体与接管的结构特点和载荷特性，利用ANSYS 2022R1有限元分析软件提供的自适应划分方法对模型进行网格划分，该模型有1 105 143个节点和299 216个四边形单元，并在接管与筒体连接处进行网格细化。

1.3 边界条件

1.3.1 力边界

内压作用在上封头接管横截面上的总轴向力F==496.54 kN，其中，接管中径D=

1344 mm。

内压作用在筒体截面上的总轴向力F==2838 kN，其中，筒体中径D=3214 mm。

内压作用在切向入口接管横截面上的总轴向力F==285.99 kN，其中，接管中径d=

1020 mm。

1.3.2 位移边界

黏度控制塔的塔底由裙座与地脚螺栓固定，所以在筒体底的0?0截面上设置轴向位移为零，并在其他剖开的对称面上设置对称边界。

1.4 切向矩形截面接管应力求解

为使常用矩形截面的切向入口接管满足工程设计的强度要求，在矩形截面接管处设置筋板，具体方式如下：

a. 组号1，取相同筋板厚度20 mm，设置4种筋板间距80、120、160、200 mm。

b. 组号2，取相同筋板间距200 mm，设置4种筋板厚度20、30、40、50 mm（此处筋板厚度的跨度取值较大，目的是为了使应力分布的差异更加显著，便于结果分析与讨论）。

组号1中4组常用矩形截面接管随筋板间距变化的等效应力分布云图如图4所示。

当筋板厚度为20 mm时，矩形截面接管最大应力随筋板间距的变化情况如图5所示。

图5中，当筋板间距为80 mm时，出现了接管最大应力失真现象，其原因为：在筋板与筒体首次接触处，仅筋板尖端与筒体接触，接触面积很小，故造成了该处应力失真。

组号2中4组常用矩形截面接管随筋板厚度变化的等效应力分布云图与图4类似，为节省篇幅，不再赘述，仅通过图6展示最大应力随筋板厚度的变化情况。由图6可以看出，切向接管最大应力出现在筒体与接管连接处的内侧位置，最大应力为540.16 MPa。应力最大值的出现是由于接管的大变形与筒体变形不协调造成的应力快速增大。此处可通过细化网格和子模型的方法进一步计算出精确的应力值[6～9]。因此，在筒体与接管处的设计与安全评定中应特别注意，同时在筒体与接管处的设计过程中，通过合理调整筋板间距实现筋板与筒体接触面积达到最大值。

结合图5、6可见，当筋板厚度为20 mm时，随着筋板间距的增大，模型的最大应力值不断增加;当筋板间距为200 mm时，随着筋板厚度的增大，模型的最大应力值不断减小。可见，筋板间距和筋板厚度均对筒体的强度有较大影响。

2 大尺寸切向接管的结构优化

常用的切向矩形截面接管分离效率较高，虽然设置了加强筋板，但切向接管内侧位置最大应力值仍高达540.16 MPa，使得在设计温度350 ℃下的黏度控制塔的切向接管难以满足工程设计的强度要求。所以，必须从减小切向接管的矩形截面应力集中方面考虑，在满足分离效率的前提下，优化切向接管截面形状。为此，将接管的矩形截面优化设计成长圆形截面和圆角矩形截面两种形状，并在截面处设置相同的筋板，其结构尺寸如图7、8所示。

在与矩形截面等效应力计算模型及边界条件相同的情况下，设置如前所述的组号1与组号2筋板，计算切向接管优化为长圆形截面与圆角矩形截面时的应力分布情况。

2.1 长圆形截面接管应力计算

筋板厚度为20 mm时，长圆形截面接管随筋板间距变化的等效应力分布云图如图9所示。

长圆形截面接管的最大应力随筋板间距的变化情况如图10所示。

图11为筋板间距为200 mm时，长圆形截面接管最大应力随筋板厚度的变化情况。由图11可知，长圆形截面接管的最大应力出现在切向接管与筒体连接处附近，最大应力为242.76 MPa。相比矩形截面接管，其最大应力减小了55.1%。

2.2 圆角矩形截面接管应力计算

虽然长圆形截面切向接管最大应力大幅减小，但由于此时切向接管截面类似圆形，仍导致黏度控制塔的分离效率大幅降低[1]。在综合考虑分离效率和接管强度要求的条件下，将切向接管截面优化成与矩形截面形状更为接近的圆角矩形截面。同时，在计算模型、边界条件和筋板设置条件完全相同的情况下，计算圆角矩形截面接管的应力变化情况，结果如图12、13所示。

由图12、13可以看出，圆角矩形截面接管的最大应力出现在切向接管与筒体连接处附近，最    大应力为282.98 MPa。与长圆形截面接管的应力变化情况相同，当筋板厚度为20 mm时，随着筋板间距的增加，切向接管的最大应力不断增加;当筋板间距为200 mm时，随着筋板厚度的不断增加，切向接管的最大应力不断减小。

2.3 3种切向接管型式应力分析

当筋板厚度为20 mm时，3种切向接管型式的最大应力随筋板间距的变化如图14所示，可以看出，3种接管的应力最大值都随筋板间距的增加不断增加;在相同筋板间距下，矩形截面接管的最大应力最大，圆角矩形截面接管次之，长圆形截面接管的最大应力最小。

当筋板间距为200 mm时，3种不同截面接管最大应力随筋板厚度的变化如图15所示，可以看出，3种截面接管的最大应力均随着筋板厚度的增加不断减小。在相同筋板厚度下，长圆孔截面和圆角矩形截面的最大应力比矩形截面的低很多，可见通过优化切向矩形截面接管形状，减小应力集中以提高黏度控制塔的切向接管强度是可行的。

此外，在相同筋板设置下，虽然圆角矩形截面接管最大应力282.98 MPa略大于长圆形截面接管，但由于切向接管为矩形截面时气液分离效率最高[1]，因此，综合考虑黏度控制塔气液分离效率和强度要求，将黏度控制塔的切向接管截面优化设计成与矩形截面更为接近且强度满足工程设计要求的圆角矩形截面型式。

2.4 应力强度评定

采用应力分类方法设计压力容器强度时，应根据第三强度理论计算应力强度。评定标准为：

P≤1.5KS和P+P+Q≤3S。其中，S为材料的设计许用应力值，P为结构局部区域的一次薄膜应力，P为平衡压力或其他机械载荷所需沿厚度方向线性分布的弯曲应力，Q为结构不连续产生的弯曲应力（二次应力），K为载荷组合系数。

将切向接管最优结构的圆角矩形截面在应力最大情况下，即筋板间距200 mm、筋板厚度

20 mm的条件下，进行应力强度评定。首先过应力最大点（282.98 MPa）沿厚度方向选取路径，并进行路径线性化处理，其结果如图16所示，得到的一次局部薄膜应力强度值（P）和一次加二次应力强度值（P+P+Q）见表2。按分析设计标准进行应力强度评定，其应力强度计算结果满足标准规定要求，说明采用圆角矩形截面切向接管的黏度控制塔在满足气液分离效率的条件下，能够满足工程设计的强度要求。

3 结论

3.1 利用ANSYS软件对乙烯黏度控制塔3种截面的大尺寸切向接管在相同筋板布置方式下，进行应力对比计算。结果表明，矩形截面的切向接管最大应力为540.16 MPa，在设计温度350 ℃下，切向接管的强度难以满足工程设计要求。将切向矩形截面接管优化设计成长圆形截面和圆角矩形截面接管，优化后的接管最大应力降低为

200 MPa左右，圆角矩形截面接管的最大应力略大于长圆形截面接管。

3.2 随着切向接管外周筋板间距的增大，最大应力增大，但增幅不显著。工程设计中可以合理设计筋板间距以降低设备重量和节省材料。但在塔体与切向接管连接处，应使筋板与塔体接触面积达到最大值。

3.3 随着接管外周筋板厚度的增加，切向接管最大应力随之减小。在工程设计中，可适当提高筋板厚度以降低切向接管的最大应力。

3.4 综合考虑气液分离效率和工程设计的强度要求，乙烯黏度控制塔的大尺寸切向接管优化结构为圆角矩形截面型式的接管。

3.5 对圆角矩形截面切向接管按照分析设计标准进行应力强度评定，其计算结果满足标准规定的强度要求。

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（收稿日期：2023-03-29，修回日期：2024-05-08）