與塔直連塔頂冷凝器的大開(kāi)孔分析設(shè)計(jì)實(shí)例

曾 賀

（山東華魯恒升集團(tuán)德化設(shè)計(jì)研究有限公司，山東 德州 253024）

近年來(lái)，隨著過(guò)程裝備行業(yè)的快速發(fā)展，容器的開(kāi)孔逐步向大開(kāi)孔的方向發(fā)展，給壓力容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來(lái)了一系列的技術(shù)問(wèn)題，如開(kāi)孔附近的應(yīng)力集中系數(shù)、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的方法、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。本文利用應(yīng)力計(jì)算分析軟件對(duì)本公司設(shè)計(jì)的一臺(tái)與塔直連塔頂冷凝器的大開(kāi)孔設(shè)計(jì)來(lái)介紹分析設(shè)計(jì)過(guò)程。

換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下表2 所示。

1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

表1 壓力容器基本參數(shù)

換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)材質(zhì)為S30408。換熱器殼程筒體壁厚18mm，內(nèi)徑950mm；精餾塔與換熱器連接處的筒體壁厚也為18mm，內(nèi)徑為800mm。

2 計(jì)算方案

（1）換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)承受的載荷有：介質(zhì)壓力、結(jié)構(gòu)自重、環(huán)境溫度等。本方案考慮了三種載荷工況：設(shè)計(jì)載荷、液壓試驗(yàn)載荷和風(fēng)載工況。

（2）載荷組合及計(jì)算工況的設(shè)置。根據(jù)JB4732-1995 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和NB/T 47041-2014 塔式容器的規(guī)定和換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)的具體情況，本設(shè)計(jì)在對(duì)換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中，考慮到地震載荷對(duì)連接的開(kāi)孔部位影響較小，因此對(duì)上述地震影響不作考慮。方案共按照“設(shè)計(jì)工況”、“液壓試驗(yàn)工況”、“風(fēng)載工況”三種計(jì)算工況來(lái)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算、分類(lèi)與評(píng)定。

①設(shè)計(jì)工況。設(shè)計(jì)溫度下，換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壓力、靜壓頭、自重、溫差造成的筒體軸向應(yīng)力等載荷作用下的第三應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算、分類(lèi)與評(píng)定。②液壓試驗(yàn)工況。常溫下，換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)在液壓試驗(yàn)壓力、靜壓頭、自重等載荷作用下的第三應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算、分類(lèi)與評(píng)定。③風(fēng)載工況。設(shè)計(jì)溫度下，換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壓力、靜壓頭、風(fēng)載荷、自重、溫差造成的筒體軸向應(yīng)力等載荷作用下的第三應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算、分類(lèi)與評(píng)定。

3 連接部位結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力計(jì)算與評(píng)定

（1）連接部位結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算模型。①建立有限元模型。（過(guò)程略）。②在模型的對(duì)稱(chēng)面設(shè)置對(duì)稱(chēng)約束，在精餾塔底部設(shè)置軸向和環(huán)向約束。③換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)各工況下力載荷和溫度載荷如下表2 所示。④在風(fēng)載工況中，風(fēng)載已均布?jí)毫Φ男问郊虞d于兩端封頭迎風(fēng)面上，兩端風(fēng)載大小相等，方向相反，數(shù)值為0.0044MPa。

表2 換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)載荷表

（2）換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)有限元加載模型。

圖1 為設(shè)計(jì)工況下有限元加載模型圖

（3）換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)在各種工況下的應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖（圖2）。

圖2 換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

（4）根據(jù)計(jì)算各種工況下的應(yīng)力：①設(shè)計(jì)工況下，應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在相貫線相交處，應(yīng)力最大值為281.16MPa。②液壓試驗(yàn)工況下，應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在斜相貫線附近，應(yīng)力最大值為54.29MPa。③風(fēng)載工況下，應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在相貫線相交處，應(yīng)力最大值為287.85MPa。

（5）根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及工程實(shí)際，針對(duì)應(yīng)力最大值附近的危險(xiǎn)部位，選擇若干條路徑進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定路徑見(jiàn)圖3所示。液壓試驗(yàn)工況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度不高，因此不對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)與評(píng)定。下表3 ～表4 為應(yīng)力分析與評(píng)定結(jié)果。

圖3 連接部位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力評(píng)定路徑

表3 正壓設(shè)計(jì)工況下強(qiáng)度應(yīng)力分類(lèi)與評(píng)定結(jié)果

表4 風(fēng)載工況下強(qiáng)度應(yīng)力分類(lèi)與評(píng)定結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)前面對(duì)連接部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行了所有工況的有限元應(yīng)力計(jì)算、分析與評(píng)定，逐步得出結(jié)論，最終確定了換熱器與精餾塔連接部位結(jié)構(gòu)尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。