揮氨塔改造中薄壁橢圓封頭的加強及其外壓穩定性分析

田琳靜，楊國政，魏 峰，高炳軍

(1.河北工業大學 化工學院，天津 300130;2.北京航天萬源煤化工工程有限公司，北京 100036)

0 引言

某廠揮氨塔原為常壓操作，為了節能降耗，需將該塔改造為負壓操作，真空度為0.035 MPa。原塔由上、下兩個塔節組成，下塔節重新制造，上塔節繼續使用。上塔節材質為TA2，筒體及封頭壁厚為6 mm。由于原塔常壓操作，不存在外壓穩定性問題，而改造后需考察結構的穩定性。為了增強上塔節的抗外壓失穩能力，對于筒體可增設加強圈，并通過圖算法［1－3］確定加強圈的個數及尺寸。而對于橢圓封頭，原則上也可增設加強筋提高殼體的抗彎剛度，增強結構的抗失穩能力［4］，但遺憾的是目前標準中并無現成的算法。為此，筆者利用有限元法對結構進行了特征值屈曲分析［5－6］，對橢圓封頭加強筋的合理配置進行了探討，并參照ASME B＆PVⅧ－2(2010)對結構的穩定性進行評價，保證了揮氨塔安全可靠地運行。

1 揮氨塔橢圓封頭主要技術參數

揮氨塔橢圓封頭主要技術參數見表1。

表1 橢圓封頭主要技術參數

2 橢圓封頭加強筋配置方案及穩定性分析

2.1 加強筋配置方案

由于橢圓封頭受外壓作用時，過渡區環向應力為拉應力［7］，不考慮該區域的外壓失穩，為此加強筋可僅在橢圓封頭的非過渡區布置。環向加強筋設置3道、經向加強筋設置6道(沿圓周均布)，加強筋為扁鋼，尺寸為80 mm×12 mm，材質為TA2。加強筋的配置情況如圖1所示。

圖1 橢圓封頭加強筋的配置

2.2 特征值屈曲分析

采用ANSYS軟件對結構進行特征值屈曲分析。考慮到封頭厚度的加工減薄［8］，有限元模型中封頭厚度取5.1 mm。計算中TA2的彈性模量取 1.075 ×105MPa［9］，泊松比取 0.3。

有限元模型中殼體采用殼單元shell 63，加強筋采用beam 188單元。結構剖分殼單元25740個，梁單元954個。網格剖分情況如圖2所示。

圖2 網格剖分

結構的外壁施加0.1 MPa的面載荷P，接管端部施加軸向平衡線載荷Pc，Pc按式(1)計算:

結構下端線施加軸向的位移約束，下端線及接管上端線上的節點通過旋轉節點坐標系施加圓周方向的位移約束，以保證截面形狀為圓形。

有限元模型的約束及加載情況如圖3所示。

結構的屈曲模態如圖4所示，屈曲載荷系數5.82，即結構臨界外壓力 Pcr=0.582 MPa。

2.3 許用外壓力計算

參照 ASME B＆PV Ⅷ － 2(2010)［10］，對結構進行彈性特征值屈曲分析，最小設計載荷系數ΦB按式(2)計算:

對于橢圓封頭，承載折減系數βcr=0.124。

故最小設計載荷系數為:

于是，結構的許用外壓力為:

可滿足－0.035 MPa設計壓力的要求。

圖3 約束與加載

圖4 失穩模態

按圖算法計算，無加強筋的原橢圓封頭的許用外壓力僅為0.02 MPa。可見，通過合理配置加強筋可有效地提高其抗外壓失穩能力。

2.4 分析討論

為了優化加強筋的配置，按如下方案進行調整(見圖5)。n組經向加強筋沿圓周均布，3組環向加強筋分別布置在直徑D2，D3及D4的位置上，D2，D3及 D4按下式確定。

令:

圖5 加強筋配置

當n=6時，結構的屈曲載荷系數Freq隨α的變化規律如圖6所示。可見3組環向加強筋布置得太向外分散或太向內集中都不利于提高結構的抗外壓失穩能力。當α=0.93時，加強效果最好，此時的屈曲載荷系數為6.111。

圖6 屈曲載荷系數與α的關系

當α=0.93時，結構的屈曲載荷系數Freq隨n的變化規律如圖7所示。可見只有當經向加強筋的數量大于5時，結構的抗外壓失穩能力才會階躍式地增加。而當n大于8時，隨著n的增大，結構的抗外壓失穩能力增加緩慢。對于80 mm×12 mm的扁鋼加強筋，可以認為α=0.93，n=8是合理的加強筋配置方案。

圖7 屈曲載荷系數與n的關系

當α=0.93，n=8時，結構的屈曲模態如圖8所示，屈曲載荷系數為6.4，許用外壓力為0.04 MPa。

圖8 α=0.93，n=8時結構的屈曲模態

當然橢圓封頭的壁厚確定也需同時考慮結構在內壓作用下過渡區的穩定性，對于外壓容器也應考慮到水壓試驗時過渡區穩定性的要求。不過只要標準橢圓封頭有效厚度不小于0.15%Di，即可滿足過渡區的穩定性要求［1］。

3 結語

通過合理增設環向及經向加強筋，可有效提高薄壁橢圓封頭的抗外壓失穩能力。通過優化加強筋的配置可使加強效果達到最佳。

［1］GB 150—1998，鋼制壓力容器［S］.

［2］邢曉林.基于MATLAB算法的外壓容器環向加強圈優化設計［J］.化工機械，2008，35(4):202－206.

［3］唐超.帶矩形加強圈的外壓圓筒的優化與直接求解［J］.化工設備設計，1996，33(3):49－50.

［4］GAO Bingjun，WANG Honghai，YANG Guozheng，et al.Stability Analysis of Large Absorption Tower in Wet Fuel Gas Desulphurization［A］.Batra R C.Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering and Mechanics［C］，US Hwy:Scienece Press USA Inc，2007:431 －436.

［5］陳詩曉，高增梁，金偉婭，等.大開孔外壓圓筒失穩行為的有限元分析［J］.壓力容器，2010，27(12):33 －39.

［6］李金科，張賢福，劉韞硯.外壓圓筒的計算及數值計算穩定性分析［J］.壓力容器，2011，28(7):35 －39，54.

［7］丁伯民，黃正林.化工設備設計全書——化工容器［M］.北京:化學工業出版社，2003:12－15.

［8］GB/T 25198—2010，壓力容器封頭［S］.

［9］JB/T 4745—2002，鈦制焊接容器［S］.

［10］The American Society ofMechanicalEngineers.ASME，Boiler and Pressure Vessel Code:SectionⅧ，Division 2［S］.New York:American Society of Mechanical Engineers，2010.