基于ANSYS的直立塔局部塔體更換加固結構方案設計

， ， ， (南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816)

設計計算

基于ANSYS的直立塔局部塔體更換加固結構方案設計

張維，董金善，范森，顧付偉
(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816)

針對直立塔設備局部塔體更換問題，設計了加固結構方案，采用有限元法對加固結構進行強度性能研究，比較了5種工況及加固元件組數(shù)對塔體結構應力分布的影響。研究結果表明，風載、地震載荷從180°方向作用于塔體為最危險工況，塔體結構的強度性能隨加固元件組數(shù)減少而增大，加固元件減少至4組時，應力顯著增加。提出了加固元件組數(shù)為4的加固結構改進方案，改進后塔體結構滿足強度要求，且抗失穩(wěn)能力是標準規(guī)定的1.56倍，滿足施工要求，降低了施工成本，具有實際工程參考價值。

塔體； 加固結構； 更換； 強度； 穩(wěn)定性； 有限元法； 改進

在石油、化肥、化工等生產(chǎn)過程中，大型直立塔的應用極為廣泛。對于長期運行的塔設備，由于介質的腐蝕或者介質對塔體的長期沖刷，導致塔體局部厚度減薄，塔的承載能力降低。亦或在苛刻的工況條件下，介質、壓力和溫度的共同作用導致局部塔體鼓脹變形，甚至泄漏，極易發(fā)生安全事故。為了保證塔的安全使用，需要對不滿足要求的塔體段進行更換。

直立塔局部塔體的現(xiàn)場更換方案主要有局部塔體的整體更換以及局部塔體的逐片分割、逐片吊裝、逐片焊接更換方案。陳海峰、劉望軍、楊青山等詳細介紹了局部塔體整體更換的現(xiàn)場施工方案[1-3]，采用大型吊裝設備吊起塔體上端，并搭建操作平臺，將所需更換的塔體切割移除，然后對局部塔體進行整體更換。此更換方案適合于內徑比較小的塔，內徑較大、塔體較高的大型塔對大型吊裝設備的承載能力要求則極高，對施工場地要求也較高，并且存在耗資巨大、維修費用昂貴和施工工期長等缺點。采用逐片分割、逐片吊裝、逐片焊接的施工方案則不受操作空間的限制，可以在狹窄的空間內施工操作，無需大型吊裝設備，操作簡單方便，而且維修成本低。唐慶武、謝仁慶詳細介紹了逐片分割、逐片吊裝、逐片焊接的現(xiàn)場施工方案，將更換段塔體按施工要求分割成片進行吊裝焊接[4，5]。

逐片分割塔體相當于對更換段筒體進行開孔[6，7]，開孔會破壞塔體結構的連續(xù)性，削弱塔體的承載能力，需要在更換段設置加固支撐結構。王大新、徐建華提到在塔體現(xiàn)場更換中臨時加固支撐結構，但未考慮局部塔體加固結構受風載、地震載荷、重力等復雜載荷的影響[8，9]?，F(xiàn)有文獻中多采用有限元分析軟件ANSYS對塔體強度和穩(wěn)定性進行分析[10-15]，而對塔體局部加固結構的有限元分析幾乎沒有。

為此，筆者借助ANSYS軟件，考慮風載、地震載荷以及重力組合載荷作用，對某精制塔塔體局部更換加固結構進行改進設計，同時研究各工況下加固元件組數(shù)對塔體加固結構應力分布的影響。在滿足強度和穩(wěn)定性要求下，提出了加固元件組數(shù)為4的加固結構，對直立塔塔體的現(xiàn)場施工具有一定的參考價值。

1 精制塔局部加固結構尺寸及參數(shù)

某長期運行的精制塔為直立設備，塔體材質Q345R，質量349 044 kg，塔高50 300 mm，精制塔所在地區(qū)地震烈度7級，所在地區(qū)場地土類型為Ⅱ類，基本風壓400 Pa。由于介質的沖刷，局部塔體厚度減薄。為確保塔的安全運行，在停工檢修時需對1 500 mm長的?3 900 mm×18 mm局部塔體進行現(xiàn)場更換。

根據(jù)現(xiàn)場施工要求，采用逐片分割、逐片吊裝、逐片焊接的方案進行施工。更換塔體處開孔尺寸為1 500 mm×1 500 mm，對更換塔體段的垂直方向采用牛腿、支撐管的形式進行加固。加固元件初步設定為8組，沿塔體周向均勻布置，具體加固結構見圖1。

1.支撐管 2.塔體開孔 3.牛腿底板 4.牛腿筋板 5.牛腿墊板圖1 精制塔局部塔體更換加固結構

加固結構部件中除了牛腿墊板材質為Q345R之外，其余部件的材質均為Q235B，支撐管材質為20鋼。不考慮腐蝕裕量，考慮板材厚度的負偏差為0.3 mm，支撐管厚度負偏差12.5%，由此得到的加固支撐各部件的實際尺寸和計算尺寸見表1，材料的力學性能見表2。

表1 加固結構部件尺寸

表2 加固結構部件材料性能參數(shù)

2 精制塔局部塔體加固結構有限元分析

2.1 有限元計算工況

根據(jù)檢修施工操作、塔體開孔(保守取缺口長度為圓周長的1/8)與加固結構的相對位置以及結構和載荷的對稱性，在有限元計算中，默認風載荷和地震載荷作用于同一方向，同時考慮不同載荷方向對結構的影響，設置了5種計算工況，即風載、地震載荷分別從0°、45°、90°、135°、180°方向作用于塔體，見圖2。

圖2 風載、地震載荷對塔體作用方向

2.2 有限元模型及邊界條件

選取塔體裙座、開孔塔體部分、牛腿及支撐管進行有限元建模?？紤]到塔體內徑很大，如果采用實體單元建模，網(wǎng)格數(shù)過于巨大，計算較為困難。鑒于殼單元模擬結果與實體單元模擬結果一致[16]，為提高計算效率，對計算模型中的塔體，加固結構中的墊板、筋板、底板及支撐管采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，得到的塔體局部加固支撐結構有限元模型見圖3。

圖3 塔體局部加固支撐結構有限元模型

精制塔塔體承受自身重力、風載以及地震載荷組成的組合載荷的作用?？紤]組合載荷的施加，在塔體上端面創(chuàng)建剛性區(qū)，將精制塔349 044 kg質量產(chǎn)生的重力施加主控點。將風載荷和地震載荷等效成彎矩，根據(jù)NB/T 47041—2014《塔式容器》[17]，在塔正常運行或停工檢修時計算截面的最大彎矩為5.656×109N·mm，將該最大彎矩施加在剛性區(qū)主控節(jié)點上。在塔體裙座底部端面施加全約束。

2.3 計算結果分析

塔體加固結構有限元計算結果表明，最危險工況為風載、地震載荷同時從180°方向作用于塔體，最危險工況下塔體加固結構的最大應力分布云圖見圖4。圖4中最大應力出現(xiàn)在內表面，最大應力點位于開孔下端牛腿筋板與塔體的連接處，其數(shù)值為123.43 MPa。

圖4 最危險工況下塔體加固結構最大應力強度云圖

根據(jù)JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》[18]中的應力分類方法，將應力分為一次總體薄膜應力Pm、一次局部薄膜應力PL、一次彎曲應力Pb、二次應力Q和峰值應力F，并根據(jù)不同的組合對應力進行評定。根據(jù)有限元計算結果，各工況下薄膜應力、薄膜應力加彎曲應力的最大應力點均在開孔塔體上，塔體加固結構的評定結果見表3。

表3 不同工況下塔體加固結構危險點應力評定結果

從表3所示的應力評定結果看，使用8組加固元件的加固結構具有足夠的安全裕量，強度完全滿足要求。但是從施工角度考慮，加固結構數(shù)量越少，成本越低，施工越方便。為此，對加固元件進行改進，將加固元件分別減少至6組、4組，并沿著塔體周向布置，見圖5。

圖5 不同組數(shù)加固元件周向布置示圖

2.4 加固結構改進結果分析

利用ANSYS軟件分別對4組、6組加固元件結構進行建模，在5種工況下進行應力求解。計算結果表明，最危險工況均為工況5，即風載、地震載荷同時從180°方向作用于塔體。加固元件組數(shù)不同時塔體最大應力分布云圖見圖6。

圖6 加固元件組數(shù)不同時塔體最大應力分布云圖

從圖6看出，設置6組加固元件時，最大應力點位于塔體開孔下端牛腿筋板與塔體連接處，其數(shù)值為124.48 MPa；設置4組加固元件時，最大應力點位于塔體開孔下邊緣，其數(shù)值為163.26 MPa。按照JB/T 4732—1995應力評定方法對設置4組、6組加固元件的結構分別進行應力評定，均滿足強度要求。

為了分析加固元件組數(shù)對塔體加固結構應力分布的影響，提取不同加固元件組數(shù)的加固結構在各工況下的最大薄膜應力值和薄膜應力加彎曲應力值繪制成曲線，見圖7。

圖7 各工況下加固元件組數(shù)對塔體結構應力分布影響

從圖7中各曲線可以看出，塔體加固支撐結構的最大薄膜應力和薄膜應力加彎曲應力均出現(xiàn)在工況5，并且從工況1到工況5的應力值總體呈遞增的趨勢。當加固元件由8組減少至6組時，最大薄膜應力為119.4 MPa，相比增加3.2%；最大薄膜應力加彎曲應力為124.5 MPa，相比增加了0.9%。而當加固結構由8組減少至4組時，最大薄膜應力為140.7 MPa，相比增加21.0%；最大薄膜應力加彎曲應力為163.3 MPa，相比增加32.3%。數(shù)據(jù)表明，加固元件設置為6組或8組時，塔體加固結構的應力分布相差不大；當加固元件減少至4組時，薄膜應力和彎曲應力都有明顯提高。

通過塔體加固結構強度性能研究發(fā)現(xiàn)，最危險工況均出現(xiàn)在工況5，采用4組加固元件時塔體強度仍滿足要求?；诮档褪┕こ杀?、方便操作的原則，對最危險工況下改進后的加固結構進行穩(wěn)定性分析。

3 精制塔塔體開孔加固結構穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性評定方法

塔體的加固結構在施工操作時主要承受重力的垂直壓縮和彎矩的聯(lián)合作用，結構受壓側存在著較大的壓縮應力場，因此存在失穩(wěn)的可能性。根據(jù)ASME Ⅷ-2(2015)《鍋爐及壓力容器規(guī)范》[19]，采用基于載荷系數(shù)的直接分析設計法對結構進行分析，防止由失穩(wěn)引起的垮塌。

載荷系數(shù)法即根據(jù)不同的載荷組合，引入載荷系數(shù)并將載荷適當放大，對壓力容器及部件進行彈塑性分析，單調地逐步施加載荷。若計算中每步均能收斂到平衡，則表明結構的抗力足以承受經(jīng)載荷系數(shù)放大的載荷，設計是合格的。

3.2 穩(wěn)定性分析過程及結果

考慮重力與風載、重力與地震載荷引起彎矩的組合作用，其載荷系數(shù)分別為2.1和2.7。將組合載荷分別乘以相應的載荷系數(shù)對塔體加固結構進行特征值屈曲分析，得到的特征值屈曲分析第一階模態(tài)見圖8。

圖8 塔體加固結構特征值屈曲分析第一階模態(tài)

將特征值屈曲分析第一階模態(tài)變形的10%作為初始幾何缺陷對加固結構進行非線性屈曲分析。當載荷達到結構臨界承載能力時，微小載荷的增加都會使結構發(fā)生失穩(wěn)變形，使得非線性屈曲分析計算結束并退出。經(jīng)計算，塔體加固結構失穩(wěn)時的最大變形為92.4 mm，見圖9。

圖9 最大承載能力下塔體加固結構失穩(wěn)變形

根據(jù)穩(wěn)定性評定要求，只要現(xiàn)有加固結構的承載能力大于經(jīng)載荷系數(shù)放大的組合載荷，結構即滿足穩(wěn)定性要求。改進后加固結構的載荷-位移關系曲線見圖10，圖10縱坐標代表結構承載荷載與組合載荷的比值。從圖10可以看出，現(xiàn)有加固結構下塔體最大承載能力是所要求承載能力的1.56倍，表明改進后加固結構的穩(wěn)定性仍滿足要求。

圖10 改進后加固結構載荷-位移關系曲線

4 結語

采用有限元法對精制塔塔體加固結構進行強度性能研究，表明風載、地震載荷從180°方向作用于塔體時為最危險工況，對各工況進行應力評定，均滿足強度要求。

通過改變加固元件組數(shù)，發(fā)現(xiàn)塔體的強度性能隨加固元件組數(shù)減少而增大，加固元件從初步設定的8組減少至6組、4組，塔體最大薄膜應力分別提高3.2%和21.0%，最大薄膜應力加彎曲應力分別提高0.9%和32.3%。表明6組和8組加固元件對塔體結構應力分布影響相差不大，4組加固元件時塔體應力顯著增大。提出了加固元件組數(shù)為4的改進方案并進行了穩(wěn)定性分析，改進后塔體結構滿足強度要求，抗失穩(wěn)能力是要求承載能力的1.56倍。采用改進加固方案可節(jié)省施工材料，降低施工成本，具有實際應用參考價值。

[1] 陳海峰，郝曉東，王成林.入塔氣預熱器第三節(jié)筒節(jié)整體更換方案[J].化工機械，2015，42(1)：133-135.

(CHEN Hai-feng，HAO Xiao-dong，WANG Cheng-lin. The Whole Replacement for the Third Cylinder of Tower Gas Preheater[J]. Chemical Engineering & Machinery，2015，42(1)：133-135.)

[2] 劉望軍，李秀明，傘曉旭，等.脫硫塔部分筒體的現(xiàn)場更換[J].中氮肥，2011(4)：46-48.

(LIU Wang-jun，LI Xiu-ming，SAN Xiao-xu，et al. Field Replacement for Partial Cylinder of Desulfurizer[J]. M-Sized Nitrogenous Fertilizer Progress，2011(4)：46-48.)

[3] 楊青山，李元軍，姚洪.CO2吸收塔變徑段更換小結[J].小氮肥，2008，36(1)：11-12.

(YANG Qing-shan，LI Yuan-jun，YAO Hong. Brief Summary of Replacement for Reducer Cylinder of CO2Absorption Tower[J]. Small Nitrogenous Fertilizer Plant，2008，36(1)：11-12.)

[4] 唐慶武，佟成忠.整體穩(wěn)定逐片更換高大塔體的施工方法[J].石油化工設備，1988，27(4)：40-42.

(TANG Qing-wu，TONG Cheng-zhong. Construction Method of Overall Stability Replacement One by One Piece for Tall Tower’s Cylinder[J]. Petro-chemical Equipment，1988，27(4)：40-42.)

[5] 謝仁慶.二氧化碳吸收塔上段中部筒體現(xiàn)場更換方案[J].小氮肥，2016，44(7)：6-7.

(XIE Ren-qing. Field Replacement for Middle Cylinder of CO2Absorption Tower[J]. Small Nitrogenous Fertilizer Plant，2016，44(7)：6-7.)

[6] 陳孫藝.塔器檢修施工用臨時矩形大開孔的安全性分析[J].化工建設工程，2003，25(4)：18-20.

(CHEN Sun-yi. The Safety Analyses of the Temporary Big Rectangle Hole for Tower Test and Repairing[J]. Chemecal Engineering Construction，2003，25(4)：18-20.)

[7] 車怡蕾.煙氣脫硫吸收塔現(xiàn)場大開孔的安全性分析[J].煉油技術與工程，2015，45(4)：60-63.

(CHE Yi-lei. Safety Analysis of Flue Gas Desulfurization Tower with Large Openings in Site[J].Petroleum Refinery Engineering，2015，45(4)：60-63.)

[8] 王大新.高塔中段筒節(jié)更換改造施工技術[J].安裝，2001(3)：5-6.

(WANG Da-xin. An Operation Technique for Replace and Reform of Nodal of Segment Barrel in High Tower[J]. Installation，2001(3)：5-6.)

[9] 徐建華. 煉油裝置塔器錐段筒體更換施工技術研究[J].機電一體化，2014，20(1)：147-148.

(XU Jian-hua. Study on Construction Technology for Replacement of Conical Cylinder of Refining Tower[J]. Mechatronics，2014，20(1)：147-148.)

[10] 楊剛，經(jīng)樹棟.合成塔的應力分析及評定[J].石油化工設備，2007，36(5)：38-42.

(YANG Gang，JING Shu-dong. Stress Analysis and Evaluation for Vertical Slender Vessel Producing Polyurethane[J]. Petro-chemical Equipment，2007，36(5)：38-42.)

[11] 李明慧.高聳塔體結構的有限元分析[J].金陵科技學院學報，2007，23(2)：30-33.

(LI Ming-hui. Finite Element Analysis of High-rise Tower Structure[J]. Journal of Jinling Institute of Technology，2007，23(2)：30-33.)

[12] 張云杰，程小齊.脫硫塔結構有限元分析[J].建筑結構，2012，42(S1)：420-423.

(ZHANG Yun-jie，CHENG Xiao-qi. Finite Element Analysis of the Flue Gas Desufurization Tower Structure[J]. Building Structures，2012，42(S1)：420-423.)

[13] 劉錦，高炳軍，趙慧磊.脫硫塔的強度和穩(wěn)定性有限元分析[J].遼寧工程技術大學學報，2008，27(Z1)：104-106.

(LIU Jin，GAO Bing-jun，ZHAO Hui-lei.FEM of Strength and Stability Analysis of Desulfurizer[J]. Journal of Liaoning Technical University(Natural Science Edition)，2008，27(Z1)：104-106.)

[14] 李明惠，時文忠，劉德宏，等.大直徑薄壁大開孔塔結構的有限元分析[J].壓力容器，2005，22(2)：14-17.

(LI Ming-hui，SHI Wen-zhong，LIU De-hong，et al. Finite Element Analysis on the Tower with Thin Thickness and Large Opening[J]. Pressure Vessel Technology，2005，22(2)：14-17.)

[15] 徐淵函，沈國輝，張堅，等.表面風壓分布對冷卻塔風致響應和局部穩(wěn)定性的影響[J].振動與沖擊，2016，35(20)：63-69.

(XU Yuan-han，SHEN Guo-hui，ZHANG Jian，et al. Influence of Wind Pressure Distribution on Wind-induced Responses and Local Stability of a Cooling Tower[J]. Journal of Vibration and Shock，2016，35(20)：63-69.)

[16] 盧艷玲，董金善，朱星榜，等.殼單元和實體單元在矩形壓力蒸汽滅菌器有限元分析中的應用[J].化工機械，2016，43(4)：495-499.

(LU Yan-ling，DONG Jin-shan，ZHU Xing-bang，et,al. Application of Shell Element and Solid Element in Finite Element Analysis of Rectangular Steam-heated Sterilizer[J]. Chemical Engineering & Machinery，2016，43(4)：495-499.)

[17] NB/T 47041—2014，塔式容器[S].

(NB/T 47041—2014，Vertical Vessel[S].)

[18] JB/T 4732—1995，鋼制壓力容器——分析設計標準[S].

(JB/T 4732—1995，Steel Pressure Vessels——Design by Analysis[S].)

[19] ASME Ⅷ-2(2015)，鍋爐及壓力容器規(guī)范[S].

(ASME Ⅷ-2(2015)，Boiler and Pressure Vessel Code[S].)

DesignofReinforcedStructureforLocalCylinder’sReplacementofTowerBasedonANSYS

ZHANGWei，DONGJin-shan，F(xiàn)ANSen，GUFu-wei
(College of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 211816， China)

The reinforced structure was designed for local cylinder’s replacement of the tower. Intensity performance study for reinforced structure was carried out through finite element method and influences on stress distribution of the tower structure were analyzed by comparing with five design conditions and different number of strengthen components. The results showed that most dangerous working condition of the tower was happened when wind loads and earthquake loads were applied from 180° direction. Moreover，structure strength of tower increases with the decrease of reinforced components and the stress significantly increases while the number of strengthen components reduced to 4. Therefore，the reinforced structure improved with 4 strengthen components was put forward，which satisfied the requirement of strength. And the buckling resistance was 1.56 times of standard rules，which meet construction requirements. So construction cost was reduced and it was meaningful for actual engineering.

tower； reinforced structure； replacement； strength； stability； finite element method; improvement

1000-7466(2017)06-0024-06

2017-06-01

張 維(1990-)，男，江蘇徐州人，在讀碩士研究生，研究方向為過程裝備現(xiàn)代設計方法。

TQ053.5；TE962

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.005

(張編)