張新建 姚佐權(quán) 顧玉鋼 張雅莉

(1. 合肥通用機(jī)械研究院；2. 上海森松化工成套裝備有限公司)

MMA萃取塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

張新建*1姚佐權(quán)1顧玉鋼1張雅莉2

(1. 合肥通用機(jī)械研究院；2. 上海森松化工成套裝備有限公司)

根據(jù)某甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取塔的工藝操作要求，對(duì)萃取塔的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用有限元應(yīng)力分析方法對(duì)塔體在設(shè)計(jì)工況、工作工況和水壓試驗(yàn)工況的整體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的應(yīng)力進(jìn)行分析，從而確定了萃取塔主體的最終結(jié)構(gòu)尺寸，保證了塔體的結(jié)構(gòu)安全和工藝性能。

MMA萃取塔 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 應(yīng)力分析

甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取塔作為MMA裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)靜結(jié)合及設(shè)計(jì)計(jì)算難度大等特點(diǎn)，為了確保該設(shè)備的安全使用，筆者采用有限元應(yīng)力分析方法對(duì)該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)校核，為類似設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 MMA萃取塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)參數(shù)

萃取塔的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力 0.20MPa

工作壓力 0.18MPa

設(shè)計(jì)溫度 100℃

工作溫度 50℃

水壓試驗(yàn)壓力 0.43MPa(臥置)、0.25MPa(立置)

主體材料 S31608

介質(zhì) MMA、庚烷、水

介質(zhì)特性 易爆、中毒危害

焊縫系數(shù) 1.0

腐蝕裕度 0mm

設(shè)備容積 77.2m3

塔體總高度 21 400mm

設(shè)備凈重 23 020kg

設(shè)備充水重 98 020kg

操作重量 81 520kg

保溫層材料 硅酸鋁纖維

保溫層厚度 90mm

基本風(fēng)壓值 550N/m2

設(shè)計(jì)地震分組 第一組

地震設(shè)防烈度 7度/0.10g

場(chǎng)地土地類別 Ⅳ類

地面粗糙度類別 A類

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 分析設(shè)計(jì)

容器類別 Ⅰ類

1.2材料參數(shù)

萃取塔塔體主體材料為S31608，裙座下方材料為Q345R。兩種材料的物理性能參數(shù)見表1、力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 S31608與Q345R的物理性能參數(shù)

表2 S31608與Q345R的力學(xué)性能指標(biāo)

塔頂電機(jī)和吊在塔頂?shù)乃?nèi)設(shè)備總重量使用等效密度的方法折算到塔頂筒體，使用同樣的方法將塔內(nèi)介質(zhì)的總量折算到塔體上。

1.3主體結(jié)構(gòu)尺寸確定

根據(jù)設(shè)計(jì)條件的要求并按照J(rèn)B 4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))進(jìn)行初步計(jì)算[1]，確定了萃取塔的主體結(jié)構(gòu)尺寸(表3)。

表3 萃取塔的主體結(jié)構(gòu)尺寸

由于塔頂有電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，需考慮各種工況下電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)塔體應(yīng)力分析的影響，為簡(jiǎn)化有限元模型，使用φ1000mm×30mm、高度為2 322mm的筒體模擬電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，萃取塔結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

2 應(yīng)力分析方案的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)萃取塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體應(yīng)力計(jì)算，分析計(jì)算塔體在內(nèi)壓、自重、地震和風(fēng)載載荷作用下塔體不連續(xù)處和裙座局部的應(yīng)力分布并進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定[2]。由于整個(gè)塔體設(shè)計(jì)溫度不高且溫度分布較為均勻，因此可不考慮由溫差產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)JB 4732-1995規(guī)定，結(jié)構(gòu)在進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)，一般需要設(shè)置3種載荷工況進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算、分類與評(píng)定，即：設(shè)計(jì)載荷工況、工作載荷工況和水壓試驗(yàn)載荷工況[3]。由于設(shè)計(jì)載荷工況比工作載荷工況要惡劣，當(dāng)設(shè)備沒有疲勞載荷且不考慮溫差應(yīng)力時(shí)，可以不考慮工作載荷工況，僅考慮設(shè)計(jì)載荷工況和水壓試驗(yàn)載荷工況。

由于萃取塔所受的載荷較多，為了計(jì)算分析與應(yīng)力評(píng)定的簡(jiǎn)便，需要對(duì)塔體若干設(shè)計(jì)載荷工況(內(nèi)壓、自重、地震和風(fēng)載)進(jìn)行單獨(dú)和組合計(jì)算。水壓試驗(yàn)載荷工況為：常溫下，整體結(jié)構(gòu)在水壓試驗(yàn)壓力下的第三類應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算、分類和評(píng)定，水壓試驗(yàn)壓力按JB 4732-1995確定。

圖1 萃取塔結(jié)構(gòu)尺寸

3 應(yīng)力計(jì)算、分類和評(píng)定

3.1結(jié)構(gòu)有限元模型

萃取塔塔體結(jié)構(gòu)整體三維實(shí)體有限元計(jì)算模型如圖2所示，圖2b為塔體與裙座連接結(jié)構(gòu)模型圖，為典型的堆焊型結(jié)構(gòu)[4]。

a. 整體結(jié)構(gòu)

b. 塔體與裙座連接結(jié)構(gòu)

采用ANSYS的六面體二階單元Solid95對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中Solid95單元有48 302個(gè)，節(jié)點(diǎn)260 484個(gè)，邊界條件為裙座底部固支，萃取塔結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示。

a. 整體結(jié)構(gòu)

b. 錐段結(jié)構(gòu)

作用在塔體上的載荷有內(nèi)壓、自重、地震和風(fēng)載。為了保證計(jì)算分析與應(yīng)力評(píng)定的精確，需要對(duì)塔體在內(nèi)壓、自重、地震和風(fēng)載單獨(dú)作用時(shí)進(jìn)行應(yīng)力分析，并對(duì)內(nèi)壓+自重+風(fēng)載(組合載荷一)和內(nèi)壓+自重+地震(組合載荷二)兩種組合載荷工況進(jìn)行應(yīng)力分析。

3.2應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2.1設(shè)計(jì)載荷工況

以彩色等級(jí)圖的方式來(lái)表示結(jié)構(gòu)的第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布。萃取塔在地震、風(fēng)載、自重和內(nèi)壓載荷單獨(dú)作用下的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

a. 地震載荷

b. 風(fēng)載荷

c. 自重載荷

d. 內(nèi)壓載荷

各載荷單獨(dú)作用下的最大應(yīng)力值及其位置如下：

地震載荷 151.0MPa(錐段小端)

風(fēng)載荷 88.6MPa(裙座局部)

自重載荷 87.7MPa(裙座局部)

內(nèi)壓載荷 87.4MPa(裙座局部)

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在對(duì)各種載荷單獨(dú)作用于萃取塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定時(shí)，應(yīng)力最大的危險(xiǎn)位置主要在錐段小端和裙座局部，因此，需對(duì)萃取塔這些位置的應(yīng)力分別進(jìn)行評(píng)定。

在對(duì)各種載荷單獨(dú)作用時(shí)進(jìn)行應(yīng)力分析之后還要對(duì)萃取塔在內(nèi)壓+自重+風(fēng)載(組合載荷一)和內(nèi)壓+自重+地震(組合載荷二)兩種組合載荷工況進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)JB 4732-1995，不同時(shí)考慮地震載荷和風(fēng)載荷。圖5為兩種組合載荷的有限元應(yīng)力分布結(jié)果，在組合載荷一工況下，最大應(yīng)力為119.0MPa，位于裙座與封頭的連接部位；組合載荷二工況下，最大應(yīng)力為167.0MPa，位于錐殼小端。

a. 組合載荷一

b. 組合載荷二

3.2.2水壓試驗(yàn)工況

萃取塔在水壓試驗(yàn)載荷作用下的應(yīng)力分布如圖6所示，此時(shí)，最大應(yīng)力為90.7MPa，位于裙座局部。

圖6 水壓試驗(yàn)載荷作用下萃取塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

3.3應(yīng)力分類與評(píng)定

依據(jù)JB 4732-1995標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于應(yīng)力分類與評(píng)定的定義和塔式容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取萃取塔上危險(xiǎn)部位(應(yīng)力較大)的應(yīng)力進(jìn)行線性化處理，分離出的平均應(yīng)力為一次局部壓縮薄膜應(yīng)力，分離出的壓縮薄膜應(yīng)力+壓縮彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力。

萃取塔結(jié)構(gòu)中二次彎曲應(yīng)力所占份額較小，基于偏保守的考慮，對(duì)應(yīng)力進(jìn)行線性化處理后，“一次局部薄膜+彎曲”應(yīng)力用1.5K倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度來(lái)評(píng)定。自重和內(nèi)壓載荷作用下的組合系數(shù)K取1.00，風(fēng)載和地震載荷作用下K取1.20，水壓試驗(yàn)載荷工況下K取1.25。由于萃取塔在各載荷工況下的最大應(yīng)力均小于該工況下1.5K倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值，因此，該萃取塔應(yīng)力計(jì)算合格。

4 結(jié)論

4.1萃取塔塔體結(jié)構(gòu)在自重、內(nèi)壓、風(fēng)載、地震和水壓試驗(yàn)的單獨(dú)或組合載荷作用下的應(yīng)力皆能滿足各自的許用應(yīng)力強(qiáng)度要求。

4.2萃取塔塔體結(jié)構(gòu)安全可靠，目前該設(shè)備已安全運(yùn)行三年多，為MMA裝置的正常運(yùn)行提供了有力保障。

[1] JB 4732-1995(2005年確認(rèn))，鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：新華出版社，2005.

[2] 溫靜，張銥鈖，宋強(qiáng).基于ANSYS對(duì)氨合成塔支座的應(yīng)力分析[J].化工機(jī)械，2011，38(6)：746～748．

[3] 孟德文，李志軍.PSA吸附塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析[J].石油化工設(shè)備，2010，39(6)：33～36．

[4] 談?dòng)烂鳎蹡|亮.焦炭塔裙座與筒體連接區(qū)域應(yīng)力分析[J].化工機(jī)械，2011，38(4)：457～460．

StructureDesignandStressAnalysisofMMAExtractionColumn

ZHANG Xin-jian1, YAO Zuo-quan1, GU Yu-gang1, ZHANG Ya-li2

(1.HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China；2.ShanghaiMorimatsuChemicalEquipmentCo.,Ltd.,Shanghai200127,China)

Basing on operation requirement of a methyl methacrylate (MMA) extraction column, the optimal design of its overall structure was conducted; and the finite element stress analysis method was adopted to analyze the stress on column’s overall structure and non-continuous parts under design condition, operation condition and hydraulic pressure test condition respectively so as to determine the column’s structure size and ensure its safety and process functions.

MMA extraction column, structure design, stress analysis

*張新建，男，1985年3月生，工程師。安徽省合肥市，230031。

TQ053.5

A

0254-6094(2016)03-0315-05

2015-09-11)