裙座與塔式容器不同連接型式的對(duì)比分析

趙 菲

(中國石化工程建設(shè)有限公司,北京100101)

塔式容器(簡(jiǎn)稱塔器)是石油化工行業(yè)重要的單元操作設(shè)備【1】.塔器的主要作用是實(shí)現(xiàn)氣液相或液液相的充分接觸,從而達(dá)到傳質(zhì)及傳熱的目的.因此,塔器廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、洗滌和冷卻等重要單元中,其操作的好壞,直接影響著整個(gè)裝置的質(zhì)量.

塔器高度和質(zhì)量都較大,通常需要采用裙座支撐.裙座與塔式容器的連接可采用對(duì)接或搭接等型式來實(shí)現(xiàn).對(duì)接焊縫必須采用全熔透的連續(xù)焊,焊縫的承載能力好;搭接接頭為角焊縫,工程中使用較少.標(biāo)準(zhǔn)【2G3】中給出了幾種裙座與塔體連接的型式,如圖1(a)~圖1(c)所示.

圖1 裙座與塔式容器的不同連接型式示意

圖1所示的結(jié)構(gòu)中,圖1(a)是最簡(jiǎn)單的對(duì)接型式.當(dāng)塔器符合下列情形時(shí),宜采用圖1(b)的型式:

1)塔體高度H＞30 m,且高徑比H/D＞15的塔器(D為塔體平均直徑);

2)低溫操作的塔器或CrGMo鋼塔器;

3)裙座與下封頭焊縫處可能產(chǎn)生熱疲勞的塔器;

4)裙座筒體名義厚度δns≥16 mm的塔器.

對(duì)于厚壁容器,根據(jù)需要可采用圖1(c)所示的有托板的連接型式.使用時(shí),裙座與筒體中徑對(duì)齊,先將6 mm的托板點(diǎn)焊到裙座筒體和封頭上,待托板下部堆焊完成后鏟掉托板,再堆焊上部焊縫.

當(dāng)選用圖1(a)和圖1(b)的型式時(shí),可根據(jù)裙座筒體和下封頭的厚度差選用不同的對(duì)齊方式:

1)當(dāng)裙座筒體和下封頭的厚度差＜8 mm時(shí),裙座宜與塔體內(nèi)徑對(duì)齊;

2)當(dāng)裙座筒體和下封頭的厚度差≥8 mm時(shí),裙座宜與塔體外徑對(duì)齊;

3)當(dāng)塔體下封頭厚度≥60 mm時(shí),裙座宜與塔體中徑對(duì)齊.

對(duì)于中低壓的塔式容器,雖然并不是厚壁容器,但在同時(shí)承受多種載荷(如內(nèi)壓、重力及彎矩、溫度載荷、循環(huán)載荷)時(shí),下封頭與裙座連接處可能會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變形和組合高應(yīng)力,此時(shí)是否也能選用圖1(c)的型式呢?

本文針對(duì)上述問題,采用有限元方法,主要討論裙座與塔體的不同連接型式在各種載荷下的強(qiáng)度和剛度的區(qū)別,同時(shí)考慮了不同對(duì)齊方式對(duì)連接處的影響.

1 基本參數(shù)

以某裝置中的1臺(tái)塔器為例進(jìn)行討論,其主要技術(shù)參數(shù)見表1.

本文利用有限元軟件 ANSYS 18．2進(jìn)行分析研究.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式,建立3個(gè)對(duì)比模型.

表1 塔器主要技術(shù)參數(shù)

A模型:裙座與塔體采用帶托板的連接型式,裙座與塔體中徑對(duì)齊,見圖2(a);

B模型:裙座與塔體采用無托板的連接型式,裙座與塔體中徑對(duì)齊,見圖2(b);

C模型:裙座與塔體采用無托板的連接型式,裙座與塔體外徑對(duì)齊,見圖2(c).

圖2 裙座與塔體不同連接型式的對(duì)比模型示意

本文主要考察裙座與塔體不同連接型式的區(qū)別,因此不考慮周邊接管等部件.此時(shí)塔器是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu).為提高計(jì)算效率,選用軸對(duì)稱模型進(jìn)行模擬,利用高階二維8節(jié)點(diǎn)單元,計(jì)算模型中厚度扣除腐蝕裕量.

需要說明的是,橢圓形封頭建模采用JB 4732—1995(2005年確認(rèn))第7．6．3節(jié)公式計(jì)算部分的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭,即采用球殼和過渡段環(huán)殼兩圓相切的結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱兩圓相切處),球殼內(nèi)半徑Ri＝0．9Di＝2 340 mm,過渡段環(huán)殼內(nèi)半徑r＝0．17Di＝442 mm,3個(gè)對(duì)比模型的有限元模型示意見圖3(a)~圖3(c).模型的材料性能數(shù)據(jù)見表2.

圖3 對(duì)比模型的有限元模型示意

表2 材料性能數(shù)據(jù)

對(duì)3個(gè)模型分別施加內(nèi)壓、重力、溫度載荷,對(duì)比各個(gè)模型在相同載荷下的變形和應(yīng)力分布.

2 內(nèi)壓計(jì)算

對(duì)各模型施加內(nèi)壓進(jìn)行計(jì)算,A模型的位移分布云圖見圖4.

圖4 內(nèi)壓載荷下A模型的位移分布云圖(50×)

由圖4可以看出:A模型在內(nèi)壓的作用下,筒體徑向膨脹,橢圓形封頭發(fā)生“趨圓”現(xiàn)象,連接處由于焊縫填充金屬較多,截面大、剛度大,與附近殼體的變形產(chǎn)生較大差異,因變形協(xié)調(diào)而導(dǎo)致封頭上兩圓相切處產(chǎn)生較大應(yīng)力.B模型與C模型的位移趨勢(shì)和應(yīng)力最大點(diǎn)位置與A模型相似.

在連接處周圍取路徑1－1′~3－3′,過應(yīng)力最大點(diǎn)取路徑4－4′進(jìn)行對(duì)比,3個(gè)模型的應(yīng)力分布及路徑示意如圖5(a)~圖5(c)所示,具體數(shù)值見表3.由表3可以看出:由于A模型比其他模型連接處的截面更大,強(qiáng)度和剛度更大,所以在內(nèi)壓載荷作用下的最大總應(yīng)力值最低,變形最小,路徑4－4′上的值也最小;B模型與C模型的最大總應(yīng)力值相差不大.

在連接處周圍的路徑中,由于C模型的焊縫位置更靠近封頭邊緣,此處封頭在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的經(jīng)向應(yīng)力和周向應(yīng)力都小于A、B模型,因此各路徑的值明顯小于其他模型.A模型的1－1′和3－3′兩條路徑數(shù)值都小于B模型,但對(duì)于2－2′路徑,A模型在此處因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的局部應(yīng)力大于B模型.

3 重力載荷計(jì)算

對(duì)于本文研究的塔式容器,還需要核算連接結(jié)構(gòu)在重力和外力矩作用下的強(qiáng)度.由于重力和外力矩在連接處產(chǎn)生的是沿裙座軸向的應(yīng)力,因此本文只在模型筒體的頂截面施加豎直向下的等效重力載荷100 t(包括設(shè)備金屬重、介質(zhì)總重、外力矩的等效力).計(jì)算出的應(yīng)力分布云圖見 圖6(a)~圖6(c),具體數(shù)值見表4.

圖5 內(nèi)壓載荷作用下3個(gè)模型的應(yīng)力分布云圖及路徑示意

表3 內(nèi)壓載荷作用下3個(gè)模型的應(yīng)力數(shù)值

圖6 重力載荷作用下3個(gè)模型的變形(500×)及應(yīng)力分布云圖

由圖6和表4可以發(fā)現(xiàn):在重力載荷的作用下,各模型的位移最大值相差不大.A、B模型的變形趨勢(shì)相似,最大總應(yīng)力出現(xiàn)的位置都在連接處焊縫底面與裙座內(nèi)表面的交點(diǎn).由于C模型是外徑對(duì)齊,重力載荷在裙座頂截面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩,使裙座頂面向設(shè)備內(nèi)彎曲變形,因此最大總應(yīng)力出現(xiàn)在連接處焊縫底面與下封頭外表面的交點(diǎn).A模型連接處的截面最大,總應(yīng)力值最小;B模型和C模型的總應(yīng)力值相差不大.

對(duì)于本文研究的設(shè)備,重力載荷產(chǎn)生的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于內(nèi)壓載荷作用下的應(yīng)力值,連接處周圍的路徑應(yīng)力值相差不大,此處不再羅列數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.

4 溫度場(chǎng)分析

該塔器工作溫度為150℃,最冷月平均溫度－16．3℃,操作工況下,裙座與塔體連接處存在溫度梯度,會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,需要進(jìn)行溫度場(chǎng)分析.各模型的溫度分布見圖7,應(yīng)力分布云圖見圖8,具體數(shù)值見表5.

表4 重力載荷作用下3個(gè)模型的應(yīng)力數(shù)值

圖7 3個(gè)模型的溫度分布云圖

圖8 溫度載荷作用下3個(gè)模型的應(yīng)力分布云圖

表5 3個(gè)模型的熱應(yīng)力數(shù)值

計(jì)算結(jié)果顯示,3個(gè)模型的應(yīng)力最大點(diǎn)都出現(xiàn)在連接處焊縫底面與下封頭外表面的交點(diǎn).A模型連接處截面大,當(dāng)下封頭受熱膨脹時(shí),對(duì)連接處周邊的約束也較大,所以產(chǎn)生的熱應(yīng)力也遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)模型.C模型的熱應(yīng)力略小于B模型.

5 疲勞分析

按照本塔器的工藝條件(即工作內(nèi)壓0．03~2．15 MPa、重力載荷100 t、介質(zhì)工作溫度150℃),計(jì)算各模型在工作載荷下的循環(huán)次數(shù),其應(yīng)力分布云圖見圖9,具體數(shù)值見表6.

由圖9可以看出:3個(gè)模型的應(yīng)力最大點(diǎn)位置與內(nèi)壓載荷作用下的位置相似,都出現(xiàn)在封頭內(nèi)表面,說明在這3種載荷中,內(nèi)壓載荷引起的應(yīng)力占了主要成分;各模型的變形與應(yīng)力值差別也與內(nèi)壓載荷作用時(shí)相似.

圖9 工作內(nèi)壓、重力和溫度載荷共同作用下3個(gè)模型的應(yīng)力分布云圖

表6 工作內(nèi)壓、重力和溫度載荷下3個(gè)模型的應(yīng)力數(shù)值

該塔器的總工作循環(huán)次數(shù)是1．5×105次,忽略開、停工工況和水壓試驗(yàn)工況的循環(huán).對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行疲勞計(jì)算,計(jì)算過程見表7.

按照標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行評(píng)估,3個(gè)模型都可以滿足疲勞工況的要求.由于此工況中內(nèi)壓占主要成分,所以選用有托板連接結(jié)構(gòu)的A模型更好,同樣,對(duì)于無托板的連接型式,B模型與C模型差別不大.

表7 疲勞載荷作用下3個(gè)模型的計(jì)算過程

6 結(jié)論

對(duì)裙座與塔式容器的不同連接型式進(jìn)行了對(duì)比分析,并考察了不同對(duì)齊方式在各種載荷下的區(qū)別.所得結(jié)論如下:

1)有托板連接結(jié)構(gòu)的連接處截面大,強(qiáng)度和剛度好,在內(nèi)壓和重力等機(jī)械載荷作用下的受力情況較好,但在溫度載荷的作用下,熱應(yīng)力比無托板的連接型式更大;

2)無托板的連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工方便,焊接工作量較小,在塔器介質(zhì)溫度較高,尤其是熱應(yīng)力占主要成分(如低壓高溫塔器)時(shí),宜選用無托板的連接結(jié)構(gòu);

3)若選用無托板的連接結(jié)構(gòu),外徑對(duì)齊的方式在連接區(qū)域產(chǎn)生的熱應(yīng)力較低;

4)無托板的連接結(jié)構(gòu)在重力載荷作用下,中徑對(duì)齊比外徑對(duì)齊的方式連接區(qū)域的受力更好.

在實(shí)際工程中,有托板連接結(jié)構(gòu)工序復(fù)雜,焊接量大,但可以保證焊縫尺寸,且焊接質(zhì)量更好.無托板連接結(jié)構(gòu)由于裙座內(nèi)表面與封頭間隙太小,無法打磨,焊態(tài)很難保證圓滑過渡.設(shè)計(jì)裙座與塔體的連接型式時(shí),不僅要考慮本文的分析結(jié)論,還要結(jié)合塔器的大小、載荷工況、制造難度、成本等因素綜合考慮.