丙烯塔運(yùn)輸鞍座設(shè)計(jì)與分析

陳 坤

中海油能源物流有限公司渤海運(yùn)輸中心，天津 300452

1 丙烯塔運(yùn)輸鞍座概述

丙烯塔是100 萬(wàn)t/年乙烯裝置區(qū)核心設(shè)備，在此項(xiàng)目中該塔采取了整體制造出廠、運(yùn)輸、安裝的工藝，丙烯塔參數(shù)見(jiàn)表1。從制造車間到安裝施工現(xiàn)場(chǎng)，采取了水陸聯(lián)運(yùn)方式運(yùn)輸，包括車間至碼頭的倒運(yùn)、滾裝裝船、海運(yùn)、滾卸卸船、碼頭至現(xiàn)場(chǎng)公路運(yùn)輸以及現(xiàn)場(chǎng)就位。為滿足各種運(yùn)輸限制條件，在運(yùn)輸過(guò)程中，需要多次改變運(yùn)輸工況。為滿足吊裝工藝要求，該塔的主吊耳應(yīng)靠近重心位置；為滿足丙烯塔就位要求，需要改變鞍座擺放位置；工況和位置的變化，使運(yùn)輸鞍座受力情況發(fā)生變化，運(yùn)輸鞍座的設(shè)計(jì)需滿足各工況使用及受力要求。

表1 設(shè)備參數(shù)表

2 鞍座使用工況

丙烯塔在運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)就位過(guò)程中多次改變鞍座使用工況，公路運(yùn)輸使用三種車型，海運(yùn)和現(xiàn)場(chǎng)就位兩種支墊方式，見(jiàn)圖1 ～圖5。

3 鞍座設(shè)計(jì)及校核

3.1 鞍座設(shè)計(jì)

根據(jù)丙烯塔在運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)就位過(guò)程中各種工況的需要，丙烯塔運(yùn)輸共需使用12 個(gè)鞍座，鞍座材質(zhì)選用Q345 鋼，單重約20t，鞍座結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

3.2 校核分析軟件

在鞍座的設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了ANSYS 軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了校核和優(yōu)化。ANSYS 軟件是美國(guó)ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件。ANSYS 因其功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)已成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA 評(píng)比中都名列第一。其中，結(jié)構(gòu)靜力分析用來(lái)求解外荷載引起的位移、應(yīng)力。鞍座設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了ANSYS 靜力分析。

圖1 車型一配車圖

圖2 車型二配車圖

圖3 車型三配車圖

圖4 海運(yùn)支墊示意圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)就位支墊示意圖

圖6 鞍座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（單位：mm）

3.3 相當(dāng)應(yīng)力值σr 的概念

計(jì)算使用的是ANSYS 軟件模擬計(jì)算，采用的是應(yīng)力單元法，得出的是構(gòu)件每點(diǎn)在三維方向的最大應(yīng)力和應(yīng)變值，也可理解為折算應(yīng)力，因此需要將電算的折算應(yīng)力與許用應(yīng)力進(jìn)行量化比較。根據(jù)第四強(qiáng)度理論σr＜[σ]，折算應(yīng)力值σr的計(jì)算公式如下所示。

折算應(yīng)力是按畸變能密度準(zhǔn)則得出的應(yīng)力，即對(duì)某一點(diǎn)應(yīng)力：

3.4 有限元計(jì)算

（1）有限元模型的加載方式。根據(jù)弧形接觸理論，在使用ANSYS 模擬時(shí)，將荷載沿弧板底部半徑長(zhǎng)范圍內(nèi)均布加載，同時(shí)考慮到荷載是由腹板和筋板向下傳遞，因此加載位置選取在腹板和筋板的正上方，而且因?yàn)楣摅w強(qiáng)度和剛度都很大，所以在ANSYS 模型中可將設(shè)備視為剛體。ANSYS 力學(xué)計(jì)算模型采用在鞍座上口加耦合可讓鞍座上口處相對(duì)位置保持不變。有限元模型見(jiàn)圖7。

圖7 ANSYS 軟件模型示意圖

（2）確定計(jì)算荷載。在運(yùn)輸過(guò)程中，丙烯塔最少使用10 個(gè)鞍座支墊，理論上設(shè)備重量在10 只鞍座上均勻分布，每只鞍座承重2273÷10=227.3t，但在現(xiàn)場(chǎng)最終就位時(shí)，丙烯塔由9 只鞍座共同支撐，非對(duì)稱擺放，單只鞍座的模型計(jì)算荷載取426t。同時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中，將鞍座的自重也考慮進(jìn)去，進(jìn)行加載。約束時(shí)，將鞍座的底板進(jìn)行簡(jiǎn)支約束，約束點(diǎn)間距為8.7m。

（3）確定許用應(yīng)力值和折算應(yīng)力值σr。鞍座設(shè)計(jì)主要采用厚度為40mm 和20mm 的Q345B 碳素結(jié)構(gòu)鋼板整體焊接加工制造。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003），該型號(hào)鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可取265MPa，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范σr＜[σ]=265MPa。

（4）鞍座自卸工況承壓計(jì)算結(jié)論。根據(jù)ANSYS 計(jì)算結(jié)果，鞍座最大應(yīng)力值出現(xiàn)在耦合和約束的位置，數(shù)值約為190MPa，而在實(shí)際情況中，由于應(yīng)力的重分布，最大應(yīng)力小于計(jì)算值。同時(shí)根據(jù)計(jì)算可知，鞍座的弧板、腹板、底板、下部梁結(jié)構(gòu)的翼緣板、腹板強(qiáng)度基本上在160MPa 以下，因此鞍座強(qiáng)度是安全的，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8 ～圖11。鞍座變形量約為2.6mm，符合規(guī)范規(guī)定的撓度值必須小于11000÷500=22mm 的剛度要求，因此鞍座剛度也是安全的。

4 結(jié)論

圖8 運(yùn)輸主鞍座自卸工況整體應(yīng)力云圖

圖9 運(yùn)輸主鞍座自卸工況弧板應(yīng)力云圖

圖10 運(yùn)輸主鞍座自卸工況腹板應(yīng)力云圖

圖11 運(yùn)輸主鞍座自卸工況底板應(yīng)力云圖

該方案中設(shè)計(jì)的運(yùn)輸鞍座無(wú)論是強(qiáng)度還是剛度都是安全可靠的。在實(shí)際使用過(guò)程中，此次設(shè)計(jì)的鞍座各方面均與理論計(jì)算相符，因此該設(shè)計(jì)在運(yùn)輸過(guò)程中既能滿足各種工況的要求，又能保障運(yùn)輸安全。