T-201填料塔故障分析及處理

楊昆山

（浙江工程設計有限公司， 浙江 杭州 310000）

1 裝置概述

某脂肪酸甲酯項目中，T-201塔頂有2處開孔，經管道與2個冷凝器連接，如圖1所示?？紤]運行狀況，塔身和塔頂冷凝器之間垂直方向的位移差84mm，在塔身到冷凝器之間的水平管道上設置了大拉桿橫向補償器，補償能力為111mm。

2019年3月31日，項目業(yè)主投料試車，抽真空過程中，發(fā)現T-201填料塔頂膨脹節(jié)內側螺母鎖死。項目業(yè)主指揮工人將塔體連接處的膨脹節(jié)拉桿螺母松開，避免膨脹節(jié)不起作用，松開螺母瞬間出現異響，裝置震動，地面中控室震感明顯，東面冷凝器膨脹節(jié)拉桿變形。4月1日經測量塔體向南面傾斜，拆掉保溫后，觀察在高度約20.5m及29m處塔體有變形，變形量約15mm。4月2日觀察，塔體在不斷回正階段。

2 T-201填料塔主要技術參數

塔設備內徑4800mm，厚度16mm，總高38.46m（含裙座7m）。塔體材質為S31603，塔體外側設置加強圈，加強圈規(guī)格為T120×16。設備外形結構見圖2，主要設計參數見表1。

圖1 塔系統(tǒng)布置圖

3 設備故障原因分析

3.1 設備設計剛度偏弱，外壓加強圈不能滿足要求

圖2 填料塔外形圖

表1 基本設計參數

通過查看原計算書發(fā)現，設計過程中外壓計算時塔釜處的2000mm液柱靜壓力未取消造成外壓計算壓力值為-0.08MPa，重新按-0.1MPa校核，外壓加強圈剛性校核不合格；當外壓長度L=4000mm時，許用外壓P1為0.12033MPa。根據現場情況，最大外壓長度L=2500mm，增加加強圈，得到許用外壓P2為0.16416MPa。外壓筒體及加強圈核算過程如下[1]。

3 . 1 . 1 當 外 壓 長 度L = 4 0 0 0 m m 時， 有效 厚 度S 1 = 1 6 - 0 . 3 = 1 5 . 7 m m ； 筒 體外 徑D o = 4 8 0 0 + 2 × 1 6 = 4 8 3 2 m m ； L /Do=4000/4832=0.83，Do/S1=4832/15.7=307.77；

查表得到A=0.0002993，B=37.03；

許用外壓計算： P 1 = B / ( D o /S1)=37.03×15.7/4832=0.12033MPa。

加強圈計算：加強圈規(guī)格：T120×16；加強圈面積：As=3840；

有效慣性矩：Is=28922500.00；

有效慣性矩Is小于所需慣性矩，不合格。3 . 1 . 2 當 外 壓 長 度L = 2 5 0 0 m m 時， 有效 厚 度S 1 = 1 6 - 0 . 3 = 1 5 . 7 m m ， 筒 體外 徑D o = 4 8 0 0 + 2 × 1 6 = 4 8 3 2 m m ； L /Do=2500/4832=0.52，Do/S1=4832/15.7=307.77；

查表得到A=0.0004895，B=50.52；

許用外壓計算： P 2 = B / ( D o /S1)=50.52×15.7/4832=0.16416MPa。

加強圈計算：加強圈規(guī)格：T120×16；加強圈面積：As=3840；

有效慣性矩：Is=48003908；有效慣性矩Is大于所需慣性矩，L160×14可作為外壓加強圈使用。

3.2 管道力的反作用

投料過程中，膨脹節(jié)螺栓未松，塔體外壓變形過程中給膨脹節(jié)的力的同時，膨脹節(jié)也給塔體反作用力。根據管道專業(yè)CAESAR II軟件進行模擬，對負重、溫度、壓力幾種荷載進行分析，模擬工況包括持續(xù)荷載工況、運行荷載工況和熱膨脹荷載工況。計算得到塔頂管口S1a，S1b的管口載荷，詳見表2。

表2 接管載荷

將表2中的接管載荷，導入到SW軟件中，進行管口局部應力計算。每個接管根據力和彎矩分別得到薄膜應力SII，以及薄膜應力與彎曲應力SIII，根據規(guī)范給定相應的合格標準SII≤1.5S，SIII≤3S[2]。計算結果詳見表3。

4 外壓穩(wěn)定性分析

針對在抽真空時，T-201填料塔發(fā)生局部失穩(wěn)，在塔高20.5m和29m處，設備局部向內凹陷，最大凹陷深度約為15mm。對塔體進行了外壓穩(wěn)定性分析，分析過程中采用的材料熱物理性能見表4。

表3 接管局部應力計算結果

表4 材料平均線膨脹系數

4.1分析模型

4.1.1 原設計模型

首先對原設計進行了屈曲特征值分析，分析時采用梁殼單元組合建模，其中筒體采用殼單元Shell181，加強圈采用梁單元Beam189。建立原設計模型的有限元模型，如圖3所示。分析時塔體外表面上施加單位壓力，裙座底面全約束。

圖3 原設計模型的穩(wěn)定性分析有限元模型

4.1.2 改進模型

針對設備出現局部失穩(wěn)問題，擬通過增加補強圈的方式提高設備的穩(wěn)定性。根據商定的加強圈加固方案，對改進方案模型進行了屈曲特征值分析。改進方案建模時考慮設備的局部凹陷。同樣，分析時采用梁殼單元組合建模，其中筒體采用殼單元Shell181，加強圈采用梁單元Beam189。建立有限元模型，如圖4所示。分析時塔體外表面上施加單位壓力，裙座底面全約束。

4.2 分析結果

圖4 改進模型的穩(wěn)定性分析有限元模型

原設計和改進方案模型的1階失穩(wěn)變形情況如圖5所示，從失穩(wěn)形狀看，失穩(wěn)主要發(fā)生于筒體接管位置，2個模型的臨界失穩(wěn)壓力如表5所示。從表中可以看出，改進模型的臨界失穩(wěn)壓力得到明顯提高。

表5 臨界失穩(wěn)壓力

圖5 原設計方案的外壓屈曲結果

圖6 改進方案的外壓屈曲結果

5 處理方案

針對設備已經發(fā)生的局部凹陷，對塔設備進行以下措施整改：

(1)塔設備內部填料，分布器開塔視變形情況清理。

(2)建議復位的同時，塔頂S1ab出口彎頭部分增加臨時支撐，輔助恢復塔體垂直。

(3)采用0.2MPa壓縮空氣打壓，使局部變形趨圓。

(4)制作外徑為4800，S=20mm的弧板，采用千斤頂恢復外形；設備檢查垂直度應小于等于30mm。

(5)塔體變形恢復后，在塔外壁原有加強圈之間增設角鋼加強圈L160×160×14，改造后最大外壓長度為2.5m，設備許用外壓0.164MPa。并在13m樓面、19m樓面、24.5m樓面、32.5m樓面處設置限位裝置，阻止塔的橫向位移。改造后的結構見圖7。

圖7 增加加強圈改造后設備外形圖

圖8 塔頂冷凝器鞍座改造后外形圖

(6)在膨脹節(jié)兩端增設彈簧支架，用以減少設備及管口所受力。在復位期間，應松開膨脹節(jié)兩段內外側螺母并經常觀察松開間隙。

(7)修復完畢，S1ab焊縫處及彎管臨時支撐處，冷凝器進口彎頭焊縫處做100%PT檢測。塔設備頂部管口第一道焊縫做20%RT檢測。

(8)塔頂冷凝器的鞍座底部增加圓鋼，減小冷凝器對管道的反作用力。改造后的冷凝器支座詳見圖8。

6 結束語

通過上述對T201填料塔的處理，該項目已在7月1日成功開車，并安全運行至今。通過該案例，我們在塔式外壓容器設計時，液柱靜壓力不能用來抵消外壓作用力，計算外壓時應將液柱靜壓力取消，否則會影響計算結果的準確性。要根據管道專業(yè)提供的管口載荷，核算各管口的局部應力。并將該載荷，添加到塔的整體計算中，驗證地腳螺栓的強度。

◆參考文獻

[1] GB150.1～GB150.4-2011，壓力容器[S].

[2] HG/T 20582-2011，鋼制化工容器強度計算規(guī)定[S].