固支梁自支撐式頂蓋數(shù)值模擬分析

張芳　李紅星　楊國(guó)政　楊寬利　王守杰　田艷龍

摘 要 為減小熱蒸汽對(duì)桁架行人安全的影響并滿足環(huán)保要求，國(guó)內(nèi)新建煤化工項(xiàng)目均提出了沉降槽加蓋的要求，同時(shí)，早期項(xiàng)目的沉降槽設(shè)備也亟需優(yōu)化。早期項(xiàng)目中沉降槽設(shè)備改造時(shí)，頂蓋布置空間有限是主要難點(diǎn)。利用ANSYS軟件對(duì)固支梁受均布和集中載荷工況時(shí)進(jìn)行有限元分析，通過分析比較不同型號(hào)工字鋼支撐梁的作用，判別其變形和受力情況，得到滿足該工程條件的設(shè)備優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞 沉降槽 頂蓋 自支撐 板梁結(jié)構(gòu) 優(yōu)化改造

中圖分類號(hào) TQ051.8? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 0254?6094（2023）02?0220?06

沉降槽是煤制天然氣生產(chǎn)過程中渣和灰水處理工段的重要設(shè)備，主要作用是利用重力沉降達(dá)到固液分離的目的，可靠、合理的結(jié)構(gòu)是安全生產(chǎn)的基本要求［1］。沉降槽通常直徑較大，為常壓設(shè)備，常因操作上的各種失誤出現(xiàn)沉降槽“跑渾”、“垮塌”等事故［2］，因此保證設(shè)備的剛度尤為重要，但沉降槽設(shè)置頂蓋勢(shì)必對(duì)槽體上部筒體剛度造成影響，另外，槽體內(nèi)部設(shè)有長(zhǎng)期工作的攪拌槳，需要定期觀測(cè)，且黑水被界定為輕度危害介質(zhì)，故大多項(xiàng)目中并未設(shè)計(jì)頂蓋結(jié)構(gòu)。而熱蒸汽對(duì)桁架行人安全和環(huán)境均有影響，隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益提高，防治生產(chǎn)建設(shè)過程中產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢渣等工作也備受關(guān)注，故沉降槽加蓋勢(shì)在必行。

沉降槽頂蓋結(jié)構(gòu)有固支梁自支撐式結(jié)構(gòu)和拱形結(jié)構(gòu)兩種。早期項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)大多未考慮加蓋空間，設(shè)備桁架底部距離筒體上端部空間僅1 500 mm，拱形結(jié)構(gòu)不符合高徑比要求，因此只能選擇固支梁自支撐式結(jié)構(gòu)。頂蓋采用固支梁自支撐錐頂設(shè)計(jì)時(shí)，在筒體和頂蓋的支撐梁連接部位徑向應(yīng)力較大，存在筒體撕裂失穩(wěn)的隱患，使得沉降槽的頂蓋設(shè)計(jì)難度較大。另外，進(jìn)料系統(tǒng)是沉降槽最關(guān)鍵的部位，中心筒的直徑和高度均對(duì)料液進(jìn)入槽體的流速有較大影響［3］，整個(gè)進(jìn)料系統(tǒng)處于中心筒內(nèi)，因此沉降槽頂蓋的設(shè)計(jì)必須考慮中心筒的結(jié)構(gòu)和布置方式。

筆者所在公司早期某項(xiàng)目中，直徑23 000 mm的沉降槽亟需進(jìn)行加蓋改造，利用ANSYS軟件，驗(yàn)證沉降槽頂蓋結(jié)構(gòu)的合理性，并建立受限空間下，主梁、次梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型建立

1.1 頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)沉降槽的加蓋改造，以滿足環(huán)保要求為前提，在考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性的基礎(chǔ)上，最終確定槽體上端筒體外壁面增加槽鋼加固（圖1），選用25a和30a兩個(gè)規(guī)格；頂蓋支撐采用主梁、環(huán)梁相結(jié)合的方案形式，主梁均布16根（圖2），規(guī)格選用工字鋼10，16，20b，25b，30a，40c；次梁僅起到支撐頂板的作用，故不列入有限元模型建立范疇；環(huán)梁選用工字鋼10，16，20b；中心筒采用H型鋼。

1.2 有限元模型

有限元模型采用兩種單元建立（圖3），沉降槽筒體采用殼單元SHELL181，支撐主梁、中心筒和沉降槽筒體加固結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧狟EAM188［4，5］。

邊界條件：沉降槽的筒體長(zhǎng)度大于集中應(yīng)力的衰減長(zhǎng)度，在筒體底部施加全約束；支撐主梁施加節(jié)點(diǎn)力，其中力的總和為錐頂板的重量、中間環(huán)梁及次主梁的重量和當(dāng)?shù)匮┹d荷；施加重力。

所建立的頂蓋結(jié)構(gòu)為梁殼單元模型，分為主梁和環(huán)梁。因沉降槽為大型設(shè)備（直徑23 000 mm），故采用梁殼單元可有效減少網(wǎng)格數(shù)目，網(wǎng)格質(zhì)量較高，節(jié)約計(jì)算機(jī)算力。徑向主梁?jiǎn)卧叽邕x用統(tǒng)一尺寸80 mm，不同直徑處環(huán)梁長(zhǎng)度不同，為保證單元密度，單元尺寸從外到內(nèi)依次選用60、50、40、30 mm。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格在上述尺寸的基礎(chǔ)上加密一倍進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果幾乎不變。頂蓋梁、殼單元模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2 結(jié)果分析及評(píng)定

沉降槽槽體采用Q235B鋼板，不同型號(hào)加固槽鋼（25a、30a）、主梁工字鋼、環(huán)梁工字鋼采用Q235A型鋼。經(jīng)ANSYS計(jì)算，將最大應(yīng)力和最大位移結(jié)果列于表1～4。Q235A型鋼、Q235B鋼板在100 ℃條件下，許用應(yīng)力均為120 MPa。

通過表1、2可以看出，主梁工字鋼10的模型中，最大應(yīng)力值為200 MPa左右，最大應(yīng)力發(fā)生在環(huán)梁和主梁連接部位，位于環(huán)梁上下腹板邊緣，其值超過了1.5倍設(shè)計(jì)溫度下工字鋼材料的許用應(yīng)力值；此處局部應(yīng)力較大是由于該處與主梁結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)導(dǎo)致的，由此可以得出環(huán)梁工字鋼型號(hào)不易選取大于主梁工字鋼。另外，主梁的最大應(yīng)力發(fā)生在和筒體連接處的下腹板上，其值為179.7 MPa，約等于工字鋼材料的1.5倍許用應(yīng)力值，屬于彎曲應(yīng)力。由于以上應(yīng)力均具有局部性，工字鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，滿足強(qiáng)度要求，并不會(huì)導(dǎo)致頂蓋結(jié)構(gòu)的垮塌，可根據(jù)工程需要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和計(jì)算。

通過表3、4可以看出，不同型號(hào)的主梁工字鋼和環(huán)梁工字鋼模型中，筒體的軸向位移值均處于0.1～0.2 mm之間，徑向位移值均處于4.9～6.3 mm之間；中心環(huán)的軸向位移值處于51～63 mm之間，徑向位移值大多處于0.2～0.4 mm之間，主梁選擇工字鋼30a時(shí)，其值較大，約為0.6 mm，在工程應(yīng)用中不予考慮。

通過上述分析可知，筒體應(yīng)力屬于一次局部薄膜應(yīng)力，其最大應(yīng)力小于1.0［Sm］t；型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力均屬于一次局部彎曲應(yīng)力范疇，最大應(yīng)力小于1.5［Sm］t［6］。

通過上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性和安全性的討論，最終確定改造時(shí)采用加固槽鋼30a、主梁工字鋼20b、環(huán)梁工字鋼20b的方案，應(yīng)力評(píng)定和位移分析過程如下。

2.1 應(yīng)力分析及評(píng)定

通過沉降槽頂蓋的應(yīng)力云圖（圖5）可以看出，應(yīng)力最大值發(fā)生在加固筒體剛度的槽鋼上（主梁支撐處），其值為135.3 MPa，屬于一次局部彎曲應(yīng)力。

槽鋼加固筒體部位的強(qiáng)度，決定著沉降槽設(shè)備安全，該處的應(yīng)力為一次應(yīng)力，應(yīng)力值需小于1.0倍的應(yīng)力強(qiáng)度，58.3 MPa<1.0×120=120 MPa，強(qiáng)度滿足要求；筒體加固槽鋼與主梁的連接處，應(yīng)力為一次彎曲應(yīng)力，應(yīng)力值需小于1.5倍的應(yīng)力強(qiáng)度，135.3 MPa<1.5×120=180 MPa，強(qiáng)度滿足要求；主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度會(huì)直接影響頂蓋結(jié)構(gòu)的安全，屬于全局范圍，其應(yīng)力為一次彎曲應(yīng)力，應(yīng)力值需小于1.5倍的應(yīng)力強(qiáng)度，60.4 MPa<1.5×120=180 MPa，強(qiáng)度滿足要求。由此可知，沉降槽頂蓋結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上滿足要求。

2.2 位移分析

通過沉降槽頂蓋的位移云圖（圖6a，整體位移云圖）可以看出，位移最大值出現(xiàn)在頂蓋的中心部位，相對(duì)位移值為53.6-3.53=50.1 mm，主要為軸向沉降，滿足筒體軸向變形空間要求；對(duì)比中心環(huán)總位移云圖和徑向位移云圖（圖6c、d）可以看出，沉降槽頂蓋的位移量軸向沉降占比較大，徑向位移值可忽略不計(jì)，中心環(huán)整體軸向沉降，其值約為53 mm，滿足變形空間要求；中心環(huán)徑向相對(duì)位移約為0.3 mm，變形后，亦滿足壓力容器對(duì)其圓度的要求［7］，保證了耙料機(jī)中心軸填料函密封的的安全性；通過加固槽鋼位移云圖（圖6e）可以看出，最大位移發(fā)生在與主梁連接部位，其值為6.59 mm，主要為徑向位移，因設(shè)備直徑為23 000 mm，故徑向位移百分比為6.59÷23000×100%=0.029%，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求；同上，通過筒體位移云圖（圖6f）可以看出，筒體最大位移也發(fā)生在與主梁連接部位，其值為5.36 mm，主要為徑向位移，因設(shè)備直徑為23 000 mm，故徑向位移百分比為5.36÷23000×100%=0.023%，筒體剛度滿足要求。通過主梁和筒體的軸向位移云圖（圖6g、h）可以看出，沉降槽設(shè)備在頂蓋重量、一般雪載共同作用下，不會(huì)造成設(shè)備筒體軸向的垮塌。

由以上分析可知，使用加固槽鋼30a、主梁工字鋼20b、環(huán)梁工字鋼20b的方案，沉降槽頂蓋結(jié)構(gòu)在剛度上滿足要求，滿足了行人在頂蓋行走、查看內(nèi)部情況的需求。

3 結(jié)論

3.1 沉降槽頂蓋設(shè)計(jì)中，沉降槽筒體上端部剛度需要加強(qiáng)，槽體加固槽鋼結(jié)構(gòu)和型號(hào)的選擇對(duì)筒體上端部剛度位移結(jié)果影響較大，經(jīng)計(jì)算，25b和30a槽鋼均滿足設(shè)計(jì)要求；徑向主梁工字鋼型號(hào)從10到30a對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度和總位移值的影響均較小，考慮后期頂蓋蓋板需滿足操作人員行走安全，故選用工字鋼20b；環(huán)梁對(duì)應(yīng)力評(píng)定結(jié)果的影響較小，降低了徑向主梁環(huán)向屈曲的可能性，提高了頂蓋蓋板的周邊固支作用，但環(huán)梁越重，主梁的受載越大，經(jīng)計(jì)算最終確定環(huán)梁同主梁采用統(tǒng)一型號(hào)工字鋼20b。在后續(xù)改造項(xiàng)目中，仍需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作情況、人員安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評(píng)定建模計(jì)算，確定各部位型鋼結(jié)構(gòu)和型號(hào)。

3.2 頂蓋結(jié)構(gòu)中，徑向次梁起到了支撐分塊頂蓋板的作用，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力評(píng)定影響較小，模型中并未建立該部件，在后續(xù)改造項(xiàng)目中，可綜合現(xiàn)場(chǎng)操作情況、安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮進(jìn)行建模，確定其型鋼結(jié)構(gòu)和型號(hào)。

3.3 中心環(huán)部位結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，耙料機(jī)、工藝接管多位于此處。若中心環(huán)產(chǎn)生變形，將直接影響耙料機(jī)運(yùn)行和工藝進(jìn)料，更嚴(yán)重的情況可能導(dǎo)致設(shè)備垮塌，因此對(duì)中心環(huán)剛度的要求較高，不宜產(chǎn)生較大的徑向翹曲和較大位移。此類設(shè)備改造項(xiàng)目中，中心環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)給予較高重視，適當(dāng)提高中心環(huán)的剛度。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 周恩浦.礦山機(jī)械［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1979.

［2］ 王穎.新型沉降槽及赤泥沉降性能的研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2014.

［3］ 雷波.赤泥分離沉降槽固液分離的數(shù)值模擬與優(yōu)化［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

［4］ 高秀華.有限單元法原理及應(yīng)用簡(jiǎn)明教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：108-124.

［5］ 沈鋆，劉應(yīng)華.壓力容器分析設(shè)計(jì)方法與工程應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2016.

［6］ 李建國(guó).壓力容器設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：180.

［7］ 吳志強(qiáng)，劉星.圓筒形壓力容器殼體圓度問題的理論分析［J］.沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，11（2）：55-59.

（收稿日期：2021-09-07，修回日期：2023-03-20）

Numerical Simulation Analysis of Fixed Beam Self?supporting Roof

ZHANG Fang， LI Hong?xing， YANG Guo?zheng， YANG Kuan?li，

WANG Shou?jie，TIAN Yan?long

（Changzheng Engineering Co. Limited）

Abstract? ? For purpose of reducing hot steams harm to walkers on the truss and meeting environmental protection， all new coal chemical projects ask their setting tanks to be roofed and some earlier?established setting tanks also ask for being optimized， but limited space troubles these setting tanks. In this paper， ANSYS software was adopted for finite element analysis of the fixed beam under uniform distribution and concentrated load conditions. Through analyzing and comparing the role of different types of I?beams， their deformation and stress conditions were determined， and the equipment optimization scheme which meeting the engineering conditions was obtained.

Key words? ? setting tank， roof， self?supporting， beam and slab structure， optimized reform

作者簡(jiǎn)介：張芳（1987-），工程師，從事化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研發(fā)工作，zhangfang@china?ceco.com。

引用本文：張芳，李紅星，楊國(guó)政，等.固支梁自支撐式頂蓋數(shù)值模擬分析［J］.化工機(jī)械，2023，50（2）：220-225.