塔器軸式吊耳強度計算及有限元應(yīng)力分析

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(1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2.上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518)

塔器軸式吊耳強度計算及有限元應(yīng)力分析

劉宏超1.2，謝培軍1.2，袁小勤1.2，宋啟祥1.2，張林俊1.2，宋瑞艷1.2，李志玉1.2，張微1.2，宮超1.2，張鵬1.2

(1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2.上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518)

吊耳是塔器的關(guān)鍵部件之一，在吊裝過程中吊耳的強度直接影響著塔器吊裝的安全，塔器吊耳結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是塔器順利吊裝的關(guān)鍵。對某工程柴油加氫裝置硫化氫汽提塔的本體及吊耳強度進行校核，應(yīng)用SW6-2011計算軟件對塔器吊耳進行局部應(yīng)力核算，最后運用有限元分析軟件對吊裝過程中塔器以及吊耳的受力情況進行整體分析。分析結(jié)果表明，在吊裝過程中塔器的強度和吊耳強度處于安全狀態(tài)，而在吊裝過程中，隨著吊裝角度(0°～90°)的增加，塔器一次局部薄膜應(yīng)力強度、一次加二次應(yīng)力強度以及塔器整體UY方向的位移均有先下降后上升的趨勢。

塔器； 吊耳； 強度校核； 應(yīng)力分析

在國家“十三五”規(guī)劃引導(dǎo)下，石油化工設(shè)備也向重型化、大型化以及規(guī)?；l(fā)展。大型設(shè)備能否正常、平穩(wěn)、安全吊裝，往往影響后期裝置的運行。對塔器吊裝來說，吊耳結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是塔器順利吊裝的關(guān)鍵[1]。在塔器初步設(shè)計時，除了要考慮塔器本體的強度、剛度以及結(jié)構(gòu)等因素外[2]，還要考慮設(shè)備在吊裝過程中的受力狀態(tài)，通過對相關(guān)強度的計算以及危險應(yīng)力部位的應(yīng)力分析和校核[3-5]，從而為塔器的安全就位提供必要的理論數(shù)據(jù)。文中以某工程柴油加氫裝置硫化氫汽提塔為計算模型，對軸式吊耳進行強度計算及有限元應(yīng)力分析。

1 硫化氫汽提塔基本參數(shù)

該硫化氫汽提塔結(jié)構(gòu)示意見圖1。塔體高度29 650 mm，設(shè)備重心約在距裙座底部15 500 mm處，塔器內(nèi)徑?2 000 mm、?1 800 mm、?800 mm，筒體厚度20 mm、18 mm、14 mm、10 mm。設(shè)備主體材料為Q245R(正火)，焊接接頭系數(shù)φ=0.85。設(shè)備最大吊裝總質(zhì)量為39 t，包括內(nèi)件和一部分附件的質(zhì)量。計算模型中未考慮內(nèi)件的支撐作用，這樣計算結(jié)果在一定程度上更安全。

圖1 硫化氫汽提塔結(jié)構(gòu)簡圖

塔器吊耳結(jié)構(gòu)簡圖見圖2，吊耳材料為Q245R(正火)。吊耳主體參數(shù)基本參考HG/T 21574—2008《化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求》[6]中的AXB-300-20規(guī)格，由于吊裝設(shè)備本體部位厚度為14 mm，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的吊耳設(shè)置的要求，因此需增加加強板，加強板厚度20 mm。常溫狀態(tài)下16～36 mm厚Q245R(正火)的許用應(yīng)力[σ]t=148 MPa、彈性模量Et=2.01×105MPa[7]。

圖2 塔器吊耳結(jié)構(gòu)簡圖

2 硫化氫汽提塔校核計算[8-12]

2.1設(shè)備本體強度校核

2.1.1橫截面最大拉應(yīng)力

在只考慮塔器本體重力載荷的情況下，塔器豎直方向上吊裝受力見圖3。圖中a為塔體重心距裙座底部的距離，b為吊耳位置距裙座底部的距離，c為塔器本體總高度。

圖3 塔器吊裝受力簡圖

由重力引起的作用在單個吊耳的平衡力Fa為：

(1)

式中，F(xiàn)a為單個吊耳的平衡力，G為設(shè)備自身重力，N；K為綜合影響系數(shù)，此處取1.6。

根據(jù)力矩平衡原理可以求得塔器所受最大彎矩Mmax：

Mmax=2Fa(b-a)

(2)

由機械設(shè)計手冊可知[13]，圓形筒體橫截面的抗彎截面模量W1為：

(3)

式中，W1為圓形筒體橫截面的抗彎截面模量，mm3；D為危險部位的筒體外徑，d為危險部位的筒體內(nèi)徑，mm。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)～式(3)，計算得到水平狀態(tài)設(shè)備橫截面的最大拉應(yīng)力σmax=Mmax/W1=77.2 MPa<[σ]tφ=125.8 MPa，校核計算設(shè)備本體安全。

2.1.2許用軸向壓應(yīng)力[14]

塔器圓筒的計算系數(shù)A為：

A=0.094δe/R0

(4)

式中，A為計算系數(shù)；δe為有效厚度，吊裝時筒體腐蝕裕量為0，鋼材負偏差為3 mm，δe取14.7 mm；R0為圓筒外半徑，取918 mm。經(jīng)計算，A=1.51×10-3。

查GB 150.3中對應(yīng)外壓圓筒材料的應(yīng)力系數(shù)B曲線圖，由于A值落在設(shè)計溫度下金屬材料線的右方，查圖應(yīng)力系數(shù)B取123 MPa，常溫下材料許用應(yīng)力[σ]t=148 MPa，軸向壓應(yīng)力的許用應(yīng)力[σ]cr取B與[σ]tφ的較小值，故[σ]cr=123 MPa。

筒體所受最大壓應(yīng)力與水平狀態(tài)下的應(yīng)力數(shù)值大小相等，方向相反，即│σ壓│=σmax=Mmax/W1=77.2 MPa，且│σ壓│<[σ]cr，設(shè)備軸向壓應(yīng)力核算安全。

2.2吊耳強度校核

塔器吊耳的強度校核按文獻[6]中吊耳強度計算實例3進行，吊耳計算受力簡圖見圖4。

圖4 吊耳計算受力簡圖

吊耳及墊板等材料均為Q245R(正火)，許用應(yīng)力為148 MPa，綜合影響系數(shù)K取1.65。

單個吊耳所承受豎直方向的力F1=GK/2，所承受水平方向的力F2=F1tan15°，徑向彎矩M=F1L(L為擋板內(nèi)側(cè)面到墊板外側(cè)面的距離)。

吊耳橫截面積AS計算式為：

AS=π(D1-S)S

(5)

式中，AS為吊耳橫截面積，mm2；D1為吊耳外徑，S為吊耳管厚度，mm。

吊耳抗彎端面模數(shù)W2為：

(6)

其中

式中，W2為吊耳抗彎端面模數(shù)，mm3。

吊耳拉應(yīng)力σL=F2/AS，最大彎曲應(yīng)力σW=M/W2，組合應(yīng)力σH=σL+σW，帶入數(shù)據(jù)計算可知σH=99.4 MPa<[σ]tKa=111.0 MPa(Ka為焊縫削弱系數(shù)，此處取0.75)，吊耳強度校核安全。

2.3吊耳局部應(yīng)力校核

根據(jù)文獻[6]對AXB-300-20型吊耳局部參數(shù)進行了更改，選擇2個吊耳，呈180°對稱分布，由于吊裝時不允許吊耳耳部的筒體出現(xiàn)局部變形，因此需進行局部應(yīng)力校核。

已知吊耳管外徑D1=325 mm、吊耳管壁厚t1=16 mm、擋板內(nèi)側(cè)面到墊板外側(cè)面的距離L=325 mm、加強板外徑D4=820 mm、加強板厚度t4=20 mm，吊耳受力F1=315 636.8 N，應(yīng)用SW6-2011計算軟件對塔器吊耳部位進行局部應(yīng)力計算，計算結(jié)果見表1。

表1 吊耳部位局部應(yīng)力計算結(jié)果

2.4設(shè)備有限元應(yīng)力分析

2.4.1有限元模型建立與結(jié)果

根據(jù)硫化氫汽提塔結(jié)構(gòu)特性及起重吊裝過程，需建立塔身與地面所成夾角依次為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°共7種有限元模型。0°為塔身處于水平位置，即起吊初始位置；90°為塔身處于垂直位置，即起吊最終狀態(tài)。在進行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，對應(yīng)力進行強度評定。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和載荷特性，取整體結(jié)構(gòu)進行有限元分析[15，16]。有限元局部模型見圖5，采用ANSYS軟件中的8節(jié)點三維實體單元SOLID 185結(jié)構(gòu)，根據(jù)塔器實際吊裝工程中的特點和結(jié)構(gòu)特性將其位移邊界條件簡化，主吊耳擋板內(nèi)側(cè)端面及裙座底部端面y向約束Δy均為0。另外還需考慮設(shè)備自重以及1.65的綜合影響系數(shù)。

塔器0°位置時的線性化路徑見圖5，有限元分析塔器應(yīng)力強度云圖見圖6，路徑1-1線性化應(yīng)力分布見圖7，有限元模型UY方向位移分析結(jié)果見圖8。不同吊裝角度下塔器的最大應(yīng)力強度值和UY方向的變形量見圖9和圖10。

圖5 塔器有限元局部模型及水平位置線性化路徑

圖6 水平位置塔器應(yīng)力強度云圖

圖7 塔器水平位置路徑1-1線性化應(yīng)力分布

圖8 塔器水平位置有限元模型UY方向位移分析結(jié)果

由圖6可以看出，塔器的最大應(yīng)力強度處于吊耳根部位置，最大應(yīng)力強度值達到201.088 MPa。從圖8可以看出， 位移最大點處于塔器中間位置，

UY方向最大位移達到7.83 mm。由圖9和圖10可以看到，隨著吊裝角度的增加，一次局部薄膜應(yīng)力強度、一次加二次應(yīng)力強度以及塔器整體UY方向的位移均有先下降后上升的趨勢。

圖9 塔器整體應(yīng)力強度隨吊裝角度變化曲線

圖10 塔器整體UY方向位移隨吊裝角度變化曲線

2.4.2應(yīng)力強度評定

根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認)[17]對塔器進行應(yīng)力強度評定，評定路徑為圖5中1-1截面，不同角度下吊裝的1-1截面應(yīng)力評定結(jié)果見表2，表中載荷組合系數(shù)K1=1.0。

表2 不同吊裝角度下1-1截面應(yīng)力強度評定結(jié)果

3 結(jié)語

對柴油加氫裝置中硫化氫汽提塔的本體及吊耳進行了強度校核以及有限元應(yīng)力計算分析，由分析結(jié)果可知，從塔器吊裝開始到吊裝結(jié)束的過程中，塔器及吊耳的強度是安全的，可為工程實踐提供可行的理論數(shù)據(jù)。

在工程實際中通常用于提高管軸式吊耳與筒體連接部位強度的方法主要有：增加吊耳尺寸、增加墊襯板的補強、同時增加吊耳尺寸和墊襯板的補強、增加吊耳尺寸和增加墊襯板的補強以及加設(shè)筋板，可根據(jù)實際情況相應(yīng)選擇不同的方法，以實現(xiàn)大型塔器的順利吊裝。

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(JB 4732—1995，Steel Pressure Vessels——Design by Analysis(In 2005，Confirmed)[S].)

(張編)

StrengthCalculationandFiniteElementStressAnalysisoftheShaftLug

LIUHong-chao1.2，XIEPei-jun1.2，YUANXiao-qin1.2，SONGQi-xiang1.2，ZHANGLin-jun1.2，SONGRui-yan1.2，LIZhi-yu1.2，ZHANGWei1.2，GONGChao1.2，ZHANGPeng1.2

(1.Lanpec Technologies Limited， Lanzhou 730070， China；
2.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd.， Shanghai 201518， China)

Lifting lug is one of the key parts of the tower，during the hoisting process，and the strength of the lifting lug directly affects the tower crane hoisting. The reasonable design of the tower lug structure is the key to the successful hoisting of the tower. firstly，the main body and lifting lug strength of a hydrogen sulfide hydrogenation unit are checked，and the local stress of the lifting lug is calculated by SW6-2011 software，finally，the finite element analysis software is used to analyze the lifting process results show that the strength of the tower and the strength of the lifting lug are in the safe state during the hoisting process，in the process of hoisting，with the lifting angle(0°～90°) stress intensity of the local film，the secondary stress intensity and the displacement of the whole UY direction of the tower are both decreased first and then increased.

tower； lug； intensity calculation； stress analysis

TQ053.5； TE962

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.006

1000-7466(2017)02-0029-05

2016-10-12

劉宏超(1984-)，男，遼寧凌源人，工程師，碩士，從事壓力容器設(shè)計及設(shè)備研發(fā)工作。