黏度控制塔大尺寸切向接管應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403006

摘 要 為保證氣液分離效率且合理地設(shè)計(jì)塔的強(qiáng)度，利用ANSYS軟件建立設(shè)備筒體與切向接管的幾何模型，獲得了常用矩形截面和優(yōu)化結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)圓形截面、圓角矩形截面）接管的應(yīng)力分布圖。分析了接管形狀和筋板設(shè)置對(duì)切向接管處應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：圓角矩形截面接管在更好地滿足分離效率的情況下，能夠減少筒體與接管處應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使切向接管處的應(yīng)力分布更加均勻。同時(shí)，將圓角矩形截面接管按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，其計(jì)算結(jié)果滿足工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞 大尺寸切向接管 黏度控制塔 截面型式 應(yīng)力分析 ANSYS

中圖分類號(hào) TQ055.8+1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0360?08

Stress Analysis and Structural Optimization of Large?sized

Tangential Nozzle of Viscosity Control Tower

CHEN Jia?rui

（Sinopec Engineering Incorporation）

Abstract?? For purpose of ensuring efficiency of air?liquid separation and designing? tower strength reasonably， ANSYS software was used to establish geometric model of the cylinder and tangential nozzle of the device， and the stress distribution of common rectangular section and the optimized structure （oblong section， rounded rectangular section） was obtained and influence of the nozzle shape and the ribbed plate setting on the stress was analyzed. The results show that， under the condition of better satisfying separation requirements， the stress concentration between the cylinder and the pipe with the rounded rectangular section can be largely reduced and the stress distribution at the tangential opening becomes more uniform. Meanwhile， assessing stress strength of the rounded rectangular section according to the analysis and design standard indicates that the results meet the requirements specified in the standard.

Key words??? large?sized tangential nozzle， viscosity control tower，? section pattern， stress analysis， ANSYS

作者簡(jiǎn)介：陳嘉睿（1993-），工程師，從事石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作，hy6cjr@163.com。

引用本文：陳嘉睿.黏度控制塔大尺寸切向接管應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：360-367.

乙烯裝置中，急冷系統(tǒng)上承裂解爐區(qū)、下連壓縮分離區(qū)，因此急冷系統(tǒng)在乙烯工藝中起著重要作用。然而，急冷系統(tǒng)存在急冷油黏度過高的問題，為了降低急冷油黏度，常用的方法是增設(shè)黏度控制系統(tǒng)，通過采用裂解氣汽提的措施來降低急冷油黏度。黏度控制系統(tǒng)中的核心設(shè)備是黏度控制塔，其主要作用是將裂解氣和急冷油混合物實(shí)現(xiàn)高效的氣液分離。由于黏度控制塔工作時(shí)受到一定的內(nèi)壓作用，故與普通煉油廠催化裂化裝置中旋風(fēng)分離器有所不同。

黏度控制塔需要開孔安裝接管，并且為了保證塔的氣液分離效果，接管與塔體之間的連接常采用切向接管，且接管優(yōu)選方案是矩形截面[1]。但是，這種截面的切向接管不僅會(huì)破壞原有的應(yīng)力分布，而且塔體因?yàn)殚_孔以及切向接管矩形截面本身的幾何不連續(xù)，會(huì)引起塔體開孔處和切向接管截面幾何不連續(xù)處出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得大型乙烯黏度控制塔無法滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。因此，在保證黏度控制塔氣液分離效果的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)大尺寸切向開孔接管結(jié)構(gòu)，使黏度控制塔能夠長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。

通常，通過采用圓角結(jié)構(gòu)來解決因幾何不連續(xù)而引起的局部應(yīng)力集中問題。然而目前對(duì)圓柱殼開孔接管的研究主要集中在理論計(jì)算和有限元驗(yàn)證（薄殼有限元和三維有限元）[2]，利用試驗(yàn)進(jìn)行研究的則較少[3]。文獻(xiàn)[4]對(duì)壓力容器的正交接管進(jìn)行了應(yīng)力分析與強(qiáng)度計(jì)算。文獻(xiàn)[5]研究了壓力容器與切向接管的應(yīng)力分布，并分別對(duì)矩形和圓形接管進(jìn)行了計(jì)算與強(qiáng)度評(píng)定，得到了圓形接管可以減小應(yīng)力集中的結(jié)論，但該研究并未涉及對(duì)接管增設(shè)加強(qiáng)筋板的相關(guān)計(jì)算。對(duì)于大型乙烯黏度控制塔，因其介質(zhì)流量大，接管尺寸大，因此僅依靠切向矩形接管處的圓角結(jié)構(gòu)來減小應(yīng)力集中仍然無法滿足黏度控制塔工程設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

有限元技術(shù)的發(fā)展為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問題提供了強(qiáng)有力的武器，筆者利用ANSYS有限元軟件建立設(shè)備筒體與接管連接處的模型，通過減小切向矩形截面接管應(yīng)力集中以及在切向接管外周合理設(shè)置加強(qiáng)筋板的措施，使黏度控制塔的大尺寸切向接管滿足工程設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

受壓薄壁容器（圖1）由黏度控制塔筒體、封頭和相應(yīng)接管組成。

F、F、F——內(nèi)壓作用在截面上的總軸向力;

P——塔體和接管內(nèi)表面的壓力載荷

其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)備直徑 3 200 mm

工作壓力 0.071/0.076 MPa

塔頂最高工作壓力 0.250 MPa

設(shè)計(jì)壓力 0.350 MPa

最高/低工作溫度 281/275 ℃

設(shè)計(jì)溫度 350 ℃

操作介質(zhì) 裂解氣，燃料油

基本風(fēng)壓 400 Pa

抗震設(shè)防烈度 7度

場(chǎng)地土類別 Ⅱ

為便于建模和計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：

a. 取橢圓封頭以及與之相連的接管，筒體的長(zhǎng)度僅取至與錐體連接處;

b. 切向開孔的接管不考慮法蘭及其附件，根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南原理，接管長(zhǎng)度按照大于2.5（其中R為接管的半中徑，δ為管壁厚度）的邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度原則確定;

c. 忽略各接管法蘭連接處由管道本身產(chǎn)生的附加彎矩的影響。

筒體材料選用Q345R，接管材料選用10號(hào)鋼。接管定位及筒體尺寸示意圖如圖2所示。

P2為圓形截面接管，其外徑1 040 mm，厚度δ=20 mm;P1為矩形截面接管，以保證氣液分離效率。為保證黏度控制塔大尺寸切向接管高強(qiáng)度要求，在矩形截面接管P1外周設(shè)置矩形筋板，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

為提高孔邊對(duì)彎曲應(yīng)力的承載能力，在P1接管的外部距中心線2 000 mm處放置第1塊筋板并分別設(shè)置兩個(gè)對(duì)照組：

a. 對(duì)照組1，相同筋板厚度，不同筋板間距;

b. 對(duì)照組2，不同筋板厚度，相同筋板間距。

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證及網(wǎng)格劃分

從有限元分析的原理上看，網(wǎng)格劃分越細(xì)密，求解結(jié)果精度越高。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，網(wǎng)格數(shù)量的急劇增加會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間成本的大幅增加，而且當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量后，計(jì)算精度的提高并不明顯。因此，在工程應(yīng)用中，需對(duì)模型按部位的重要程度進(jìn)行區(qū)分，關(guān)鍵部位和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)需要提高計(jì)算精度，可以選擇細(xì)化網(wǎng)格，而遠(yuǎn)離約束和載荷的部位或受約束和載荷影響較小的部位，可適當(dāng)選擇較為粗糙的網(wǎng)格進(jìn)行離散。

有限元模型的網(wǎng)格無關(guān)性分析應(yīng)力值見表1。通過網(wǎng)格無關(guān)性分析可以得出，對(duì)于遠(yuǎn)離約束和載荷的部位，網(wǎng)格單元尺寸可以選擇15 mm，對(duì)于關(guān)鍵部件的網(wǎng)格劃分精度需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部加密，使計(jì)算結(jié)果滿足精度要求。

根據(jù)筒體與接管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷特性，利用ANSYS 2022R1有限元分析軟件提供的自適應(yīng)劃分方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型有1 105 143個(gè)節(jié)點(diǎn)和299 216個(gè)四邊形單元，并在接管與筒體連接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

1.3 邊界條件

1.3.1 力邊界

內(nèi)壓作用在上封頭接管橫截面上的總軸向力F==496.54 kN，其中，接管中徑D=

1344 mm。

內(nèi)壓作用在筒體截面上的總軸向力F==2838 kN，其中，筒體中徑D=3214 mm。

內(nèi)壓作用在切向入口接管橫截面上的總軸向力F==285.99 kN，其中，接管中徑d=

1020 mm。

1.3.2 位移邊界

黏度控制塔的塔底由裙座與地腳螺栓固定，所以在筒體底的0?0截面上設(shè)置軸向位移為零，并在其他剖開的對(duì)稱面上設(shè)置對(duì)稱邊界。

1.4 切向矩形截面接管應(yīng)力求解

為使常用矩形截面的切向入口接管滿足工程設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，在矩形截面接管處設(shè)置筋板，具體方式如下：

a. 組號(hào)1，取相同筋板厚度20 mm，設(shè)置4種筋板間距80、120、160、200 mm。

b. 組號(hào)2，取相同筋板間距200 mm，設(shè)置4種筋板厚度20、30、40、50 mm（此處筋板厚度的跨度取值較大，目的是為了使應(yīng)力分布的差異更加顯著，便于結(jié)果分析與討論）。

組號(hào)1中4組常用矩形截面接管隨筋板間距變化的等效應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

當(dāng)筋板厚度為20 mm時(shí)，矩形截面接管最大應(yīng)力隨筋板間距的變化情況如圖5所示。

圖5中，當(dāng)筋板間距為80 mm時(shí)，出現(xiàn)了接管最大應(yīng)力失真現(xiàn)象，其原因?yàn)椋涸诮畎迮c筒體首次接觸處，僅筋板尖端與筒體接觸，接觸面積很小，故造成了該處應(yīng)力失真。

組號(hào)2中4組常用矩形截面接管隨筋板厚度變化的等效應(yīng)力分布云圖與圖4類似，為節(jié)省篇幅，不再贅述，僅通過圖6展示最大應(yīng)力隨筋板厚度的變化情況。由圖6可以看出，切向接管最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒體與接管連接處的內(nèi)側(cè)位置，最大應(yīng)力為540.16 MPa。應(yīng)力最大值的出現(xiàn)是由于接管的大變形與筒體變形不協(xié)調(diào)造成的應(yīng)力快速增大。此處可通過細(xì)化網(wǎng)格和子模型的方法進(jìn)一步計(jì)算出精確的應(yīng)力值[6～9]。因此，在筒體與接管處的設(shè)計(jì)與安全評(píng)定中應(yīng)特別注意，同時(shí)在筒體與接管處的設(shè)計(jì)過程中，通過合理調(diào)整筋板間距實(shí)現(xiàn)筋板與筒體接觸面積達(dá)到最大值。

結(jié)合圖5、6可見，當(dāng)筋板厚度為20 mm時(shí)，隨著筋板間距的增大，模型的最大應(yīng)力值不斷增加;當(dāng)筋板間距為200 mm時(shí)，隨著筋板厚度的增大，模型的最大應(yīng)力值不斷減小?？梢姡畎彘g距和筋板厚度均對(duì)筒體的強(qiáng)度有較大影響。

2 大尺寸切向接管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

常用的切向矩形截面接管分離效率較高，雖然設(shè)置了加強(qiáng)筋板，但切向接管內(nèi)側(cè)位置最大應(yīng)力值仍高達(dá)540.16 MPa，使得在設(shè)計(jì)溫度350 ℃下的黏度控制塔的切向接管難以滿足工程設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。所以，必須從減小切向接管的矩形截面應(yīng)力集中方面考慮，在滿足分離效率的前提下，優(yōu)化切向接管截面形狀。為此，將接管的矩形截面優(yōu)化設(shè)計(jì)成長(zhǎng)圓形截面和圓角矩形截面兩種形狀，并在截面處設(shè)置相同的筋板，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖7、8所示。

在與矩形截面等效應(yīng)力計(jì)算模型及邊界條件相同的情況下，設(shè)置如前所述的組號(hào)1與組號(hào)2筋板，計(jì)算切向接管優(yōu)化為長(zhǎng)圓形截面與圓角矩形截面時(shí)的應(yīng)力分布情況。

2.1 長(zhǎng)圓形截面接管應(yīng)力計(jì)算

筋板厚度為20 mm時(shí)，長(zhǎng)圓形截面接管隨筋板間距變化的等效應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

長(zhǎng)圓形截面接管的最大應(yīng)力隨筋板間距的變化情況如圖10所示。

圖11為筋板間距為200 mm時(shí)，長(zhǎng)圓形截面接管最大應(yīng)力隨筋板厚度的變化情況。由圖11可知，長(zhǎng)圓形截面接管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在切向接管與筒體連接處附近，最大應(yīng)力為242.76 MPa。相比矩形截面接管，其最大應(yīng)力減小了55.1%。

2.2 圓角矩形截面接管應(yīng)力計(jì)算

雖然長(zhǎng)圓形截面切向接管最大應(yīng)力大幅減小，但由于此時(shí)切向接管截面類似圓形，仍導(dǎo)致黏度控制塔的分離效率大幅降低[1]。在綜合考慮分離效率和接管強(qiáng)度要求的條件下，將切向接管截面優(yōu)化成與矩形截面形狀更為接近的圓角矩形截面。同時(shí)，在計(jì)算模型、邊界條件和筋板設(shè)置條件完全相同的情況下，計(jì)算圓角矩形截面接管的應(yīng)力變化情況，結(jié)果如圖12、13所示。

由圖12、13可以看出，圓角矩形截面接管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在切向接管與筒體連接處附近，最??? 大應(yīng)力為282.98 MPa。與長(zhǎng)圓形截面接管的應(yīng)力變化情況相同，當(dāng)筋板厚度為20 mm時(shí)，隨著筋板間距的增加，切向接管的最大應(yīng)力不斷增加;當(dāng)筋板間距為200 mm時(shí)，隨著筋板厚度的不斷增加，切向接管的最大應(yīng)力不斷減小。

2.3 3種切向接管型式應(yīng)力分析

當(dāng)筋板厚度為20 mm時(shí)，3種切向接管型式的最大應(yīng)力隨筋板間距的變化如圖14所示，可以看出，3種接管的應(yīng)力最大值都隨筋板間距的增加不斷增加;在相同筋板間距下，矩形截面接管的最大應(yīng)力最大，圓角矩形截面接管次之，長(zhǎng)圓形截面接管的最大應(yīng)力最小。

當(dāng)筋板間距為200 mm時(shí)，3種不同截面接管最大應(yīng)力隨筋板厚度的變化如圖15所示，可以看出，3種截面接管的最大應(yīng)力均隨著筋板厚度的增加不斷減小。在相同筋板厚度下，長(zhǎng)圓孔截面和圓角矩形截面的最大應(yīng)力比矩形截面的低很多，可見通過優(yōu)化切向矩形截面接管形狀，減小應(yīng)力集中以提高黏度控制塔的切向接管強(qiáng)度是可行的。

此外，在相同筋板設(shè)置下，雖然圓角矩形截面接管最大應(yīng)力282.98 MPa略大于長(zhǎng)圓形截面接管，但由于切向接管為矩形截面時(shí)氣液分離效率最高[1]，因此，綜合考慮黏度控制塔氣液分離效率和強(qiáng)度要求，將黏度控制塔的切向接管截面優(yōu)化設(shè)計(jì)成與矩形截面更為接近且強(qiáng)度滿足工程設(shè)計(jì)要求的圓角矩形截面型式。

2.4 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

采用應(yīng)力分類方法設(shè)計(jì)壓力容器強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)第三強(qiáng)度理論計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：

P≤1.5KS和P+P+Q≤3S。其中，S為材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力值，P為結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的一次薄膜應(yīng)力，P為平衡壓力或其他機(jī)械載荷所需沿厚度方向線性分布的彎曲應(yīng)力，Q為結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力（二次應(yīng)力），K為載荷組合系數(shù)。

將切向接管最優(yōu)結(jié)構(gòu)的圓角矩形截面在應(yīng)力最大情況下，即筋板間距200 mm、筋板厚度

20 mm的條件下，進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。首先過應(yīng)力最大點(diǎn)（282.98 MPa）沿厚度方向選取路徑，并進(jìn)行路徑線性化處理，其結(jié)果如圖16所示，得到的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度值（P）和一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度值（P+P+Q）見表2。按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，其應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，說明采用圓角矩形截面切向接管的黏度控制塔在滿足氣液分離效率的條件下，能夠滿足工程設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

3.1 利用ANSYS軟件對(duì)乙烯黏度控制塔3種截面的大尺寸切向接管在相同筋板布置方式下，進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比計(jì)算。結(jié)果表明，矩形截面的切向接管最大應(yīng)力為540.16 MPa，在設(shè)計(jì)溫度350 ℃下，切向接管的強(qiáng)度難以滿足工程設(shè)計(jì)要求。將切向矩形截面接管優(yōu)化設(shè)計(jì)成長(zhǎng)圓形截面和圓角矩形截面接管，優(yōu)化后的接管最大應(yīng)力降低為

200 MPa左右，圓角矩形截面接管的最大應(yīng)力略大于長(zhǎng)圓形截面接管。

3.2 隨著切向接管外周筋板間距的增大，最大應(yīng)力增大，但增幅不顯著。工程設(shè)計(jì)中可以合理設(shè)計(jì)筋板間距以降低設(shè)備重量和節(jié)省材料。但在塔體與切向接管連接處，應(yīng)使筋板與塔體接觸面積達(dá)到最大值。

3.3 隨著接管外周筋板厚度的增加，切向接管最大應(yīng)力隨之減小。在工程設(shè)計(jì)中，可適當(dāng)提高筋板厚度以降低切向接管的最大應(yīng)力。

3.4 綜合考慮氣液分離效率和工程設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，乙烯黏度控制塔的大尺寸切向接管優(yōu)化結(jié)構(gòu)為圓角矩形截面型式的接管。

3.5 對(duì)圓角矩形截面切向接管按照分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，其計(jì)算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度要求。

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（收稿日期：2023-03-29，修回日期：2024-05-08）