對(duì)小直徑高聳塔器撓度控制的討論

韋權(quán)權(quán) 楊文庭

摘 ? ? ?要：對(duì)于小直徑高聳塔器在計(jì)算過程中由于風(fēng)載荷、地震載荷造成的彎矩使塔頂產(chǎn)生非常大的撓度，此時(shí)如果按照常規(guī)的計(jì)算方法來設(shè)計(jì)，設(shè)備壁厚將會(huì)變得非常厚?？紤]到此類高聳塔器一般放置在裝置框架中，通過設(shè)置一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)向支架，會(huì)使設(shè)備的風(fēng)載荷、地震載荷通過導(dǎo)向支架傳遞到結(jié)構(gòu)框架上，使結(jié)構(gòu)框架承擔(dān)其全部的風(fēng)載荷和地震載荷， 能大大地降低設(shè)備的彎矩和撓度。計(jì)算總結(jié)了一種考慮導(dǎo)向支架作用的小直徑高聳塔器的設(shè)計(jì)方法，即充分考慮導(dǎo)向的支撐作用，計(jì)算的復(fù)雜度又相對(duì)不高;依據(jù)塔器的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合SW6軟件、ANSYS軟件，快速、合理地完成小直徑高聳塔器的計(jì)算。

關(guān) ?鍵 ?詞：高聳塔器;撓度;控制

中圖分類號(hào)：TQ053.5 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）02-0501-04

Abstract： In the calculation process of a high-rise tower with small diameter， the bending moment caused by wind load and seismic load always causes a very large deflection on the top of the tower. If the tower is designed according to the conventional calculation method， the wall thickness of the equipment will become very thick. Considering that the high-rise tower is generally placed in the unit frame， the bending moment and deflection of the equipment can be greatly reduced by setting one or more guide supports which can transmit the wind load and seismic load of the equipment to the structural frame through the guide bracket， so that the structural frame bears all its wind load and seismic load. In this paper， a design method of small diameter high-rise tower considering the action of guide supports was described. The design method considers fully the supporting function of guide bracket; the calculation complexity is relatively low. Based on the design principle of tower， combined with SW6， ANSYS software， the calculation of this kind of equipment can be solved quickly and reasonably.

Key words： high-rise tower; ?deflection; ?control

在化工裝置中，有許多放置在框架結(jié)構(gòu)之中的直徑較小，高度非常高的高聳塔器。由于塔身細(xì)長，所以設(shè)備的風(fēng)、地震載荷產(chǎn)生的彎矩和撓度都較大。

塔器頂部撓度過大對(duì)塔器主要有以下幾方面的影響：

（1）對(duì)于板式塔器而言，塔頂晃動(dòng)會(huì)影響塔器內(nèi)塔板工藝操作的平衡。如果撓度過大，會(huì)使塔盤傾斜，造成氣液傳質(zhì)的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致塔板效率的下降，影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

（2）會(huì)容易使接管連接出現(xiàn)泄漏。與塔體連接的接管因塔頂?shù)幕蝿?dòng)過大，連接處受到拉、壓、彎、扭的綜合作用，易出現(xiàn)泄漏，對(duì)裝有易燃、易爆及有毒介質(zhì)的塔器是非常危險(xiǎn)的。

（3）會(huì)使塔體的附加彎矩增大。塔頂撓度過大，即塔器在擺動(dòng)過程中產(chǎn)生的最大位移離塔器中心軸線的絕對(duì)距離增大，由此產(chǎn)生的附加偏心彎矩增加，影響塔器的使用壽命。

（4）影響現(xiàn)場(chǎng)檢修工人的操作及安全。

所以為確保塔器的正常操作及安全使用，必須對(duì)塔器的頂部撓度進(jìn)行適當(dāng)控制。

1 方法對(duì)比

引起塔器撓度的外載荷有：均布載荷或倒三角載荷，如風(fēng)載荷等;集中力，如管道產(chǎn)生的推力等;外彎矩作用，如塔頂附件產(chǎn)生的彎矩等。一般的塔式容器按照塔式容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1]，校核塔器在各種操作工況下及各種載荷（包括壓力載荷、風(fēng)載荷、地震載荷等）作用下的各個(gè)截面的應(yīng)力水平[2]，計(jì)算出塔器頂部的最大撓度，并將其控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的許用范圍內(nèi)[3]。

對(duì)塔器撓度進(jìn)行控制主要有以下幾種方法：

（1）增加塔器直徑，降低塔器總高[4]。這種方法可以增大塔器的固有頻率，改變其自振周期，從而避免塔體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng)。但這種方法主要取決于工藝設(shè)計(jì)參數(shù)的許可情況，需要在工程設(shè)計(jì)前期充分考慮工藝條件，在工程項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段很難滿足工藝設(shè)計(jì)要求。

（2）增加塔體壁厚，這是工程實(shí)踐常用的一種方式。但經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較低，因?yàn)樵O(shè)備筒節(jié)的抗彎模量與壁厚存在線性關(guān)系，慣性矩與壁厚近似線性關(guān)系，即加厚設(shè)備厚度對(duì)于提高筒體的抗彎性能，降低撓度效果非常不明顯， 在風(fēng)和地震控制的高聳塔器，需要將下部筒節(jié)加厚到非常厚才能通過計(jì)算。

（3）在塔體周圍（主要集中在塔體上部）焊接可以消除產(chǎn)生渦旋的一些翅片（包括螺旋式或軸向式），其可以減小風(fēng)載荷產(chǎn)生的彎矩，降低塔頂?shù)膿隙戎怠５谴蠖鄶?shù)塔器有外保溫層，且塔頂周圍安裝有眾多的附件（如平臺(tái)梯子、吊耳、管線支架等），所以這種方法在實(shí)際工程中相對(duì)比較復(fù)雜。

（4）在塔體上設(shè)置導(dǎo)向支架，高聳塔器放置在框架中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)向支架，會(huì)使設(shè)備的風(fēng)載、地震載荷通過導(dǎo)向支架傳遞到框架上，使結(jié)構(gòu)框架承擔(dān)全部的風(fēng)和地震載荷。設(shè)置導(dǎo)向支架的作用就是可以通過導(dǎo)向支架使風(fēng)和地震載荷較為均勻地傳遞到框架結(jié)構(gòu)上，減輕設(shè)備本體所受到的彎矩和軸向力，避免高聳塔器設(shè)備的振動(dòng)，降低設(shè)備的撓度。

2 ?工程實(shí)例

在某石化項(xiàng)目的化工裝置中需要新建一臺(tái)閃蒸塔，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，設(shè)備的主要設(shè)計(jì)尺寸如表2所示。

按照塔器的常規(guī)計(jì)算方式，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求并將其控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。通過增加壁厚的方式設(shè)備的筒節(jié)厚度將達(dá)到34 mm，裙座厚度需要42 mm，壁厚大經(jīng)濟(jì)性非常低。

由于閃蒸塔的保溫厚度為120 mm，且塔體上部的附件比較多，所以沿塔體周圍焊接一些螺旋式或軸向式翅片在實(shí)際操作中相對(duì)比較困難。

塔器的梯子、平臺(tái)、管線和其他附件的位置需要滿足管道專業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)配管要求，無法滿足設(shè)備專業(yè)需要達(dá)到的位置要求，所以合理安排布置塔器的附件位置，對(duì)于減少塔頂撓度的有效程度有待驗(yàn)證并且在實(shí)際工程中很難滿足我們計(jì)算的理論要求。

綜合分析，考慮到閃蒸塔放置在框架結(jié)構(gòu)之中，我們可以嘗試通過在塔體上部增設(shè)導(dǎo)向支架的方式降低塔頂?shù)膿隙龋瑢?dǎo)向支架限位裝置只允許塔體在軸向自由伸縮，限制了徑向擺動(dòng)，降低了風(fēng)、地震載荷產(chǎn)生的彎矩和撓度，使設(shè)備受力大為改善，從而滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)塔器的設(shè)計(jì)要求。

3 ?理論計(jì)算

3.1 ?理論簡述

目前對(duì)設(shè)置導(dǎo)向支架的塔設(shè)備沒有成熟的設(shè)計(jì)方法，有的采用有限元進(jìn)行塔器整體分析，優(yōu)點(diǎn)是能夠計(jì)算出結(jié)果，缺點(diǎn)是無法完全模擬風(fēng)和地震載荷等各種工況，并且耗時(shí)長，精度低，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求非常高，每個(gè)設(shè)計(jì)人員得到的結(jié)果都不同。有的設(shè)計(jì)方法采用公式推導(dǎo)的方法計(jì)算彎矩和撓度，優(yōu)點(diǎn)是可參照塔設(shè)備進(jìn)行推導(dǎo)，模型一致。缺點(diǎn)是推導(dǎo)太復(fù)雜，對(duì)于不變徑的一個(gè)導(dǎo)向的設(shè)備勉強(qiáng)可用，多個(gè)導(dǎo)向公式推導(dǎo)非常困難。本文將介紹一種考慮導(dǎo)向支架的影響的塔設(shè)備的計(jì)算方法，即充分考慮導(dǎo)向的支撐作用，計(jì)算的復(fù)雜度又相對(duì)不高。

帶導(dǎo)向支架的塔器的計(jì)算步驟如下：

（1）用SW6軟件計(jì)算塔器，從計(jì)算書中提取每段的風(fēng)載荷，地震載荷，偏心載荷;

（2）將計(jì)算模型轉(zhuǎn)換成ANSYS梁單元模型，求出每個(gè)截面（節(jié)點(diǎn)）的反力，彎矩;

（3）將每個(gè)截面（節(jié)點(diǎn)）彎矩代入SW6中計(jì)算最大彎矩和彎矩引起的軸向應(yīng)力;

（4）按照新的彎矩引起的軸向應(yīng)力在已有的計(jì)算書中評(píng)定是否合格;

（5）如不合格調(diào)整壁厚重新計(jì)算;合格后，校核導(dǎo)向支架對(duì)筒體局部應(yīng)力是否合格。

塔體增設(shè)導(dǎo)向支架的計(jì)算的核心是計(jì)算帶導(dǎo)向支架時(shí)的風(fēng)彎矩和地震彎矩。由于其模型是一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu)，使求解非常困難。而這個(gè)問題用有限元梁單元來求解是相對(duì)非常簡單的。將計(jì)算各個(gè)截面的彎矩的問題轉(zhuǎn)換成計(jì)算有限元梁模型的各個(gè)段內(nèi)部單元最大的彎矩值

為使計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，需使有限元模型等效于實(shí)際的計(jì)算模型，可按下述方法實(shí)施：

（1）對(duì)于塔器的計(jì)算模型，其每個(gè)截面處等效于有限元模型的節(jié)點(diǎn)處。

（2）塔器的計(jì)算規(guī)范中將每段筒節(jié)的最高處的風(fēng)壓作為整段的均布風(fēng)載荷。設(shè)第i段的順風(fēng)向水平風(fēng)力為Pi，此段的長度為Li，則在此段上施加均布載荷Pi/Li。有限元風(fēng)載荷施加與規(guī)范的要求一致。

（3）塔器的裙座底部作為固支模型計(jì)算，并在導(dǎo)向支架位置需施加Uy=0的位移約束。載荷施加如圖1所示。

3.2 ?計(jì)算風(fēng)和地震載荷的等效載荷

風(fēng)載荷和地震載荷有兩種方法計(jì)算。一種是按照塔器規(guī)范的要求，每一段筒節(jié)單獨(dú)計(jì)算，缺點(diǎn)是比較繁瑣、容易出錯(cuò)。為了使計(jì)算更全面，更便捷，可以從SW6軟件的計(jì)算書中提取風(fēng)、地震載荷。不過SW6軟件的計(jì)算書結(jié)果中沒有風(fēng)載荷水平推力的值，只有各個(gè)截面風(fēng)彎矩的值，所以需要進(jìn)行一些轉(zhuǎn)化。不考慮橫向風(fēng)載荷時(shí)任意截面處的風(fēng)彎矩，按照塔式容器標(biāo)準(zhǔn)中的式（35）來計(jì)算，即：

將式（3）轉(zhuǎn)化成簡寫形式[L][P]=[ΔMw]。已知[L]和[ΔMw]，可解方程得[P]= [L]-1[ΔMw]。再將[L]-1與[ΔMw]做矩陣相乘，則可得到[P]，即各個(gè)段筒節(jié)的風(fēng)載荷水平推力。將水平推力除以筒節(jié)長，可得各段的單位長度上均布風(fēng)壓值。由于考慮塔器帶導(dǎo)向支架時(shí)，風(fēng)載荷相當(dāng)于多段均布載荷分布在簡支梁上。當(dāng)考慮橫向風(fēng)振時(shí)，簡支梁的自振周期為懸臂梁的自振周期的23%，所以一般情況下均不需要考慮塔式容器的共振以及共振彎矩。

將式（4）轉(zhuǎn)化成簡寫形式為[L][F]=[ΔMe]，并求得方程的[F]= [L]-1[ΔMe]。通過計(jì)算得出該設(shè)備的地震載荷比風(fēng)載荷小得多，所以對(duì)于本文中的塔器其強(qiáng)度主要考慮風(fēng)載荷的影響。

因此通過SW6軟件的計(jì)算書得到的當(dāng)組合風(fēng)彎矩值由橫向風(fēng)載荷控制時(shí)，由于有導(dǎo)向支架的作用，塔器的遠(yuǎn)離共振周期，實(shí)際橫向風(fēng)載荷小于SW6計(jì)算的橫向風(fēng)載荷。再通過將各截面的組合風(fēng)彎矩從上到下逐步增加的偏保守算法得到水平推力[P]，滿足工程應(yīng)用。

3.3 ?計(jì)算彎矩和反力

通過ANSYS軟件進(jìn)行分析計(jì)算各截面處的彎矩、反力。計(jì)算結(jié)果如圖2-4所示。

通過ANSYS軟件計(jì)算求解后可獲得塔的各個(gè)截面上最大的彎矩值以及導(dǎo)向支架處的反力。將風(fēng)彎矩和地震彎矩分別代入原SW6計(jì)算書，計(jì)算截面處最大的MmaxI-I并進(jìn)行之后的手動(dòng)完成后續(xù)的計(jì)算。導(dǎo)向支架處的反力可以用WRC107方法校核其對(duì)筒體的影響。

4 ?結(jié)語

通過增設(shè)導(dǎo)向支架的方式使設(shè)備?800 mm的筒節(jié)厚度由原常規(guī)計(jì)算的34 mm降為24 mm，裙座厚度由原常規(guī)計(jì)算的42 mm降低為24 mm。設(shè)備金屬總重量由原來的31 330 kg降低到24 000 kg。

通過實(shí)例計(jì)算可以得到如下結(jié)果：

（1）導(dǎo)向支架對(duì)于高聳小直徑塔器的影響不能忽略。對(duì)風(fēng)彎矩來說，下部筒節(jié)段考慮導(dǎo)向支架作用時(shí)的風(fēng)彎矩是不考慮導(dǎo)向支架作用時(shí)的1/6。由于風(fēng)彎矩和風(fēng)彎矩相關(guān)的應(yīng)力呈線性關(guān)系，所以各個(gè)截面的應(yīng)力值都大大降低。下彎曲應(yīng)力引起的軸向力下降為原來的19.4%。經(jīng)過核算，各個(gè)截面的應(yīng)力值均有大幅下降，最后設(shè)備整體校核合格，并有較大的裕量。

（2）導(dǎo)向支架處的推力由風(fēng)載荷決定，如果推力過大，可以考慮多加幾個(gè)導(dǎo)向支架，分別核算各個(gè)導(dǎo)向支架處的推力。

（3）增加導(dǎo)向支架后設(shè)備的彎曲應(yīng)力、水平推力、以及撓度都大幅度下降，能夠降低設(shè)備的壁厚，實(shí)現(xiàn)制造、安裝費(fèi)用的降低，達(dá)到節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)合理的效果。

（4）從結(jié)果可以看出無論是否考慮導(dǎo)向支架，地震載荷相比風(fēng)彎矩來說比較小，決定最大彎矩的是風(fēng)彎矩。所以如果想用公式法計(jì)算，為了簡化計(jì)算，忽略地震載荷的影響是合理的。

在工程中，塔器設(shè)置導(dǎo)向支架只是降低塔頂撓度的有效方法之一。筆者了解到，降低高聳塔器的頂部撓度也可以采用塔體設(shè)置側(cè)向支撐的方式[3] ，側(cè)向阻尼器支撐能夠有效地增強(qiáng)高聳塔器的抗風(fēng)性能。因此設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇撓度的控制方式，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下以達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] NB/T 47041-2014， 塔式容器[S].

[2] 孟祥宇. 解析塔整體應(yīng)力分析及評(píng)定[J]. 當(dāng)代化工，2016，45 （11）：2702-2705.

[3] 李在先. 關(guān)于塔器許用撓度的探討[J]. 壓力容器，1996 （6）： 42-45.

[4] 周文清. 用經(jīng)濟(jì)方法控制小塔頂撓度[J]. 石油化工設(shè)備，2002 （1）： 46-47.

[5] 彭恒. 高聳塔器的風(fēng)振模擬及其采用側(cè)向支撐的減振分析[J]. 壓力容器，2016（1）： 25-31.