揮氨塔改造中薄壁橢圓封頭的加強及其外壓穩(wěn)定性分析

田琳靜，楊國政，魏 峰，高炳軍

(1.河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130;2.北京航天萬源煤化工工程有限公司，北京 100036)

0 引言

某廠揮氨塔原為常壓操作，為了節(jié)能降耗，需將該塔改造為負(fù)壓操作，真空度為0.035 MPa。原塔由上、下兩個塔節(jié)組成，下塔節(jié)重新制造，上塔節(jié)繼續(xù)使用。上塔節(jié)材質(zhì)為TA2，筒體及封頭壁厚為6 mm。由于原塔常壓操作，不存在外壓穩(wěn)定性問題，而改造后需考察結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了增強上塔節(jié)的抗外壓失穩(wěn)能力，對于筒體可增設(shè)加強圈，并通過圖算法［1－3］確定加強圈的個數(shù)及尺寸。而對于橢圓封頭，原則上也可增設(shè)加強筋提高殼體的抗彎剛度，增強結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力［4］，但遺憾的是目前標(biāo)準(zhǔn)中并無現(xiàn)成的算法。為此，筆者利用有限元法對結(jié)構(gòu)進行了特征值屈曲分析［5－6］，對橢圓封頭加強筋的合理配置進行了探討，并參照ASME B＆PVⅧ－2(2010)對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行評價，保證了揮氨塔安全可靠地運行。

1 揮氨塔橢圓封頭主要技術(shù)參數(shù)

揮氨塔橢圓封頭主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 橢圓封頭主要技術(shù)參數(shù)

2 橢圓封頭加強筋配置方案及穩(wěn)定性分析

2.1 加強筋配置方案

由于橢圓封頭受外壓作用時，過渡區(qū)環(huán)向應(yīng)力為拉應(yīng)力［7］，不考慮該區(qū)域的外壓失穩(wěn)，為此加強筋可僅在橢圓封頭的非過渡區(qū)布置。環(huán)向加強筋設(shè)置3道、經(jīng)向加強筋設(shè)置6道(沿圓周均布)，加強筋為扁鋼，尺寸為80 mm×12 mm，材質(zhì)為TA2。加強筋的配置情況如圖1所示。

圖1 橢圓封頭加強筋的配置

2.2 特征值屈曲分析

采用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進行特征值屈曲分析。考慮到封頭厚度的加工減?。?］，有限元模型中封頭厚度取5.1 mm。計算中TA2的彈性模量取 1.075 ×105MPa［9］，泊松比取 0.3。

有限元模型中殼體采用殼單元shell 63，加強筋采用beam 188單元。結(jié)構(gòu)剖分殼單元25740個，梁單元954個。網(wǎng)格剖分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格剖分

結(jié)構(gòu)的外壁施加0.1 MPa的面載荷P，接管端部施加軸向平衡線載荷Pc，Pc按式(1)計算:

結(jié)構(gòu)下端線施加軸向的位移約束，下端線及接管上端線上的節(jié)點通過旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標(biāo)系施加圓周方向的位移約束，以保證截面形狀為圓形。

有限元模型的約束及加載情況如圖3所示。

結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)如圖4所示，屈曲載荷系數(shù)5.82，即結(jié)構(gòu)臨界外壓力 Pcr=0.582 MPa。

2.3 許用外壓力計算

參照 ASME B＆PV Ⅷ － 2(2010)［10］，對結(jié)構(gòu)進行彈性特征值屈曲分析，最小設(shè)計載荷系數(shù)ΦB按式(2)計算:

對于橢圓封頭，承載折減系數(shù)βcr=0.124。

故最小設(shè)計載荷系數(shù)為:

于是，結(jié)構(gòu)的許用外壓力為:

可滿足－0.035 MPa設(shè)計壓力的要求。

圖3 約束與加載

圖4 失穩(wěn)模態(tài)

按圖算法計算，無加強筋的原橢圓封頭的許用外壓力僅為0.02 MPa?？梢?，通過合理配置加強筋可有效地提高其抗外壓失穩(wěn)能力。

2.4 分析討論

為了優(yōu)化加強筋的配置，按如下方案進行調(diào)整(見圖5)。n組經(jīng)向加強筋沿圓周均布，3組環(huán)向加強筋分別布置在直徑D2，D3及D4的位置上，D2，D3及 D4按下式確定。

令:

圖5 加強筋配置

當(dāng)n=6時，結(jié)構(gòu)的屈曲載荷系數(shù)Freq隨α的變化規(guī)律如圖6所示?？梢?組環(huán)向加強筋布置得太向外分散或太向內(nèi)集中都不利于提高結(jié)構(gòu)的抗外壓失穩(wěn)能力。當(dāng)α=0.93時，加強效果最好，此時的屈曲載荷系數(shù)為6.111。

圖6 屈曲載荷系數(shù)與α的關(guān)系

當(dāng)α=0.93時，結(jié)構(gòu)的屈曲載荷系數(shù)Freq隨n的變化規(guī)律如圖7所示。可見只有當(dāng)經(jīng)向加強筋的數(shù)量大于5時，結(jié)構(gòu)的抗外壓失穩(wěn)能力才會階躍式地增加。而當(dāng)n大于8時，隨著n的增大，結(jié)構(gòu)的抗外壓失穩(wěn)能力增加緩慢。對于80 mm×12 mm的扁鋼加強筋，可以認(rèn)為α=0.93，n=8是合理的加強筋配置方案。

圖7 屈曲載荷系數(shù)與n的關(guān)系

當(dāng)α=0.93，n=8時，結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)如圖8所示，屈曲載荷系數(shù)為6.4，許用外壓力為0.04 MPa。

圖8 α=0.93，n=8時結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)

當(dāng)然橢圓封頭的壁厚確定也需同時考慮結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下過渡區(qū)的穩(wěn)定性，對于外壓容器也應(yīng)考慮到水壓試驗時過渡區(qū)穩(wěn)定性的要求。不過只要標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭有效厚度不小于0.15%Di，即可滿足過渡區(qū)的穩(wěn)定性要求［1］。

3 結(jié)語

通過合理增設(shè)環(huán)向及經(jīng)向加強筋，可有效提高薄壁橢圓封頭的抗外壓失穩(wěn)能力。通過優(yōu)化加強筋的配置可使加強效果達到最佳。

［1］GB 150—1998，鋼制壓力容器［S］.

［2］邢曉林.基于MATLAB算法的外壓容器環(huán)向加強圈優(yōu)化設(shè)計［J］.化工機械，2008，35(4):202－206.

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［5］陳詩曉，高增梁，金偉婭，等.大開孔外壓圓筒失穩(wěn)行為的有限元分析［J］.壓力容器，2010，27(12):33 －39.

［6］李金科，張賢福，劉韞硯.外壓圓筒的計算及數(shù)值計算穩(wěn)定性分析［J］.壓力容器，2011，28(7):35 －39，54.

［7］丁伯民，黃正林.化工設(shè)備設(shè)計全書——化工容器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:12－15.

［8］GB/T 25198—2010，壓力容器封頭［S］.

［9］JB/T 4745—2002，鈦制焊接容器［S］.

［10］The American Society ofMechanicalEngineers.ASME，Boiler and Pressure Vessel Code:SectionⅧ，Division 2［S］.New York:American Society of Mechanical Engineers，2010.