基于抱箍吊裝技術(shù)的大噸位薄壁筒屈曲穩(wěn)定性研究*

謝大帥 黃松和 楊高傳

(1. 西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院；2. 中鐵四局集團有限公司工管中心)

在化工行業(yè)中，對一些無吊裝吊耳或頂層吊蓋的薄壁筒(如吸收塔、造粒塔等)常采用摩擦抱箍法進行吊裝。薄壁筒在使用抱箍吊裝時不僅受到來自箍身均勻的外壓載荷，而且受到來自牛腿因偏載力產(chǎn)生的局部外壓載荷，對于直徑與厚度比大于20的薄壁圓筒來說，在外壓載荷下容易周向屈曲失穩(wěn)[1]。而隨著科技的發(fā)展，吸收塔、造粒塔等化工設(shè)備正向著高產(chǎn)能、大直徑、大噸位的方向發(fā)展，因此傳統(tǒng)的單抱箍結(jié)構(gòu)已不能滿足吊裝要求。為了滿足大噸位、大直徑薄壁筒吊裝的要求，提出了一種新型的雙抱箍結(jié)構(gòu)，通過對單、雙抱箍作用下薄壁筒的受力進行分析，推導(dǎo)出了薄壁筒穩(wěn)定性計算公式，并通過300t硝酸吸收塔吊裝實例用有限元的方法加以驗證。通過對比分析表明：雙抱箍結(jié)構(gòu)在大噸位薄壁筒的吊裝施工工藝中具有較大優(yōu)勢，為大噸位薄壁筒的吊裝提供新思路。

1 摩擦抱箍法

圖1為傳統(tǒng)的單抱箍結(jié)構(gòu)示意圖。抱箍主要結(jié)構(gòu)為兩個折彎成略小于半圓形的鋼板，鋼板上焊接有箱型結(jié)構(gòu)的牛腿和預(yù)緊螺栓板。通過預(yù)緊螺栓使兩半圓形鋼板對薄壁筒產(chǎn)生正壓力，從而產(chǎn)生克服豎向載荷的摩擦力。

圖1 單抱箍結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為雙抱箍的結(jié)構(gòu)示意圖。雙抱箍由上、下兩個單抱箍組成，上、下抱箍的牛腿通過連接梁由抗摩擦型高強度螺栓組連接。單個抱箍的寬度小便于加工，而且在運輸時可將上、下抱箍和連接梁拆卸便于運輸。

圖2 雙抱箍結(jié)構(gòu)示意圖

2 穩(wěn)定性計算公式推導(dǎo)

2.1單抱箍作用下薄壁筒穩(wěn)定性計算公式

薄壁筒在抱箍吊裝時,一方面受到來自箍身抱緊薄壁筒產(chǎn)生的外壓,可近似認為這種外壓力沿周向均勻分布[2]，對薄壁筒穩(wěn)定性影響不大。另一方面如圖1、2所示，作用在牛腿上的豎向載荷由于距牛腿根部有一定的距離h形成偏載，偏載的豎向力會產(chǎn)生較大的彎矩，從而對薄壁筒表面產(chǎn)生較大的局部外壓，是引起薄壁筒失穩(wěn)的主要原因。因此在計算抱箍作用下薄壁筒屈曲穩(wěn)定性時，可以只考慮來自牛腿的局部外壓作用。

對于單抱箍牛腿可以將其簡化為簡支梁模型，在單邊豎向力的作用下所產(chǎn)生的彎矩為：

(1)

式中h——豎向力作用點到牛腿根部的距離；

P——吊裝時所需克服的豎向載荷。

圖3 單抱箍牛腿在箍身上的應(yīng)力分布

由于抱箍的厚度相對于其直徑尺寸較小，可將抱箍視為柔性彈體[3]，作用在抱箍上的壓應(yīng)力可認為直接作用在薄壁筒上。因此可將薄壁筒的受力看作兩段沿周向相距很遠的間斷式集中外壓載荷，如圖4所示。載荷的平均值pd為：

(2)

當在殼的一段上沿周向受均勻分布的壓力作用時，其臨界外壓載荷pkp為[4]：

(3)

式中a——外壓載荷作用寬度；

E——薄壁筒材料的彈性模量；

k——薄壁筒的形狀缺陷系數(shù)，由于此處載荷為兩段沿周向相距很遠的間斷式集中外壓載荷，因此k值可取為0.5；

圖4 單抱箍牛腿在薄壁筒上的應(yīng)力分布

pkp——周向臨界外壓載荷；

R——薄壁筒的半徑；

α——和約束有關(guān)的系數(shù)，此處由于抱箍的寬度相對于薄壁筒長度較小，α可取0.5；

δ——薄壁筒的厚度。

單抱箍作用下要使薄壁筒不屈曲失穩(wěn)，應(yīng)滿足：

pd≤pkp

(4)

由式(1)～(4)可以求得薄壁筒不失穩(wěn)的情況下單抱箍所能承受的最大豎向力為：

(5)

式中Pd——單抱箍所能承受的最大豎向力。

2.2雙抱箍作用下穩(wěn)定性計算

對于雙抱箍結(jié)構(gòu)，上、下抱箍的牛腿與連接梁之間的連接可視為剛性，組成一門架結(jié)構(gòu)。由于上、下抱箍與薄壁筒間墊有橡膠層，使得抱箍與薄壁筒之間允許有一定的轉(zhuǎn)動，且在豎向力的作用下使抱箍和薄壁筒有分離趨勢，下抱箍與薄壁筒之間沒有較大的摩擦力作用，因此下抱箍可以簡化為移動鉸支座。而上抱箍對薄壁筒有正壓力作用且產(chǎn)生了較大的摩擦力來克服起吊力，可以將上抱箍處牛腿簡化為固定鉸支座。因此雙抱箍吊裝的力學(xué)模型可簡化如圖5a所示的靜定門架式結(jié)構(gòu)，其受力分析如圖5b所示。

圖5 雙抱箍牛腿簡化模型

根據(jù)力學(xué)平衡原理，可以求出上抱箍牛腿與箍身之間的作用力：

(6)

式中Fs——上抱箍牛腿處的支反力；

l——上下抱箍寬度中心的距離。

由于牛腿作用在箍身上的力可近似認為作用在薄壁筒上，因此薄壁筒的應(yīng)力分布仍可看成是沿周向分布的兩段相距很遠的集中外壓載荷。 因此牛腿在薄壁筒表面產(chǎn)生的正壓力平均值ps為：

(7)

式中as——雙抱箍結(jié)構(gòu)的上抱箍寬度。

要使薄壁筒在雙抱箍作用下不發(fā)生屈曲失穩(wěn)，應(yīng)滿足：

ps≤pkp

(8)

由式(1)、(6)、(7)、(8)可以得出在雙抱箍作用下，薄壁筒所能承受的最大豎向力：

(9)

由式(5)、(9)可以看出，當薄壁筒結(jié)構(gòu)和尺寸確定時能夠影響薄壁筒穩(wěn)定性的尺寸參數(shù)有豎向力距牛腿根部的距離h、抱箍寬度a、兩抱箍之間的距離l和抱箍的周向作用范圍2θ。對于單抱箍而言，尺寸參數(shù)有豎向力距牛腿根部的距離h和抱箍的周向作用范圍θ，因為結(jié)構(gòu)自身的原因無法做出大范圍調(diào)整。要想提高單抱箍作用下的薄壁筒的穩(wěn)定性就必須增加抱箍的寬度，但這樣勢必增加了加工運輸?shù)碾y度和成本，因此單抱箍吊裝時其承載能力有限。而對于雙抱箍而言，在其他條件都一樣的情況下其吊裝能力是單抱箍的3～4倍，而且可以通過增加上下抱箍間的距離來提高承載能力。因此抱箍在薄壁筒吊裝作業(yè)中具有很大的優(yōu)勢。

3 有限元算例驗證

3.1公式計算結(jié)果

某化工公司總質(zhì)量為275t的硝酸吸收塔采用雙抱箍法成功吊裝。吸收塔塔體和所設(shè)計抱箍的相關(guān)尺寸如下：

硝酸吸收塔質(zhì)量 275t

吸收塔壁厚δ25mm

吸收塔總長L57m

吸收塔外徑R4.5m

彈性模量E2.1GPa

上抱箍寬度 1.4m

下抱箍寬度 1.3m

上、下抱箍中線間距離l3.2m

吊點距牛腿根部距離h0.65m

抱箍周向作用范圍2θ19rad

抱箍厚度 20mm

抱箍外徑 4.469m

抱箍自重 15.5t

可以看出若采用單抱箍吊裝，將抱箍寬度設(shè)計為雙抱箍上、下抱箍的寬度和仍不能滿足吊裝要求。要使單抱箍達到雙抱箍的吊裝能力，須將單抱箍的寬度增加到約9.6m，這樣會給抱箍的加工和運輸帶來很大的難度。

3.2有限元驗證

ANSYS有限元分析軟件有專門的分析計算模塊分析結(jié)構(gòu)承受外壓時的屈曲狀況，即特征值屈曲分析[5]，其分析過程為：首先建立有限元模型，對模型施加一極小的單位載荷進行一般靜力分析；然后退出靜力分析求解器，進入屈曲分析求解器進行屈曲分析；最后對計算結(jié)果進行模態(tài)擴展求得屈曲時的失穩(wěn)模態(tài)頻率和失穩(wěn)形態(tài)。所求得的失穩(wěn)模態(tài)頻率乘以單位載荷即模型失穩(wěn)時的臨界載荷。

3.2.1有限元模型簡化

屈曲穩(wěn)定性分析主要是針對吸收塔自身進行分析，為了節(jié)約內(nèi)存空間和計算時間，可將抱箍的牛腿和連接梁簡化為箱梁結(jié)構(gòu)，且當薄壁筒計算長度較長時可忽略薄壁筒兩端封頭等部件的約束作用[6]。簡化后的模型如圖6所示。

圖6 抱箍簡化模型

3.2.2計算結(jié)果

將吸收塔底面全約束，在模型預(yù)緊螺栓板位置處施加單位的面載荷作為螺栓預(yù)緊力，相應(yīng)施加的單位豎向力為101.74kN進行屈曲分析。得到的屈曲系數(shù)λd=32.25、λs=108.75，相應(yīng)地求出單、雙抱箍吊裝時薄壁筒不屈曲失穩(wěn)時的最大豎向載荷Pd′=λd×101.74=3281.1kN、Ps′=λs×101.74=11064kN，單、雙抱箍作用下薄壁筒屈曲模態(tài)如圖7所示。

圖7 抱箍作用下屈曲模態(tài)

將公式和數(shù)值計算的結(jié)果統(tǒng)計于表1。

表1 計算結(jié)果對比

由表1可以看出，數(shù)值計算計算結(jié)果與所推導(dǎo)公式計算比較接近，有限元計算將結(jié)果略為偏大，因此所推導(dǎo)公式可作為抱箍吊裝時薄壁筒穩(wěn)定性計算的參考。

4 結(jié)論

4.1針對大噸位薄壁筒的吊裝提出了一種新型的雙抱箍結(jié)構(gòu)，并介紹了其結(jié)構(gòu)特點。與傳統(tǒng)的單抱箍相比雙抱箍具有單個抱箍寬度較小、加工難度小、運輸時可以拆卸及便于運輸?shù)葍?yōu)點。

4.2分析比較了單、雙抱箍作用下薄壁筒的力學(xué)模型，推導(dǎo)出了計算抱箍作用下薄壁筒穩(wěn)定性的計算公式。通過有限元方法的驗證，該公式計算結(jié)果可作為抱箍作用下薄壁筒屈曲穩(wěn)定性計算的參考，為抱箍的設(shè)計計算提供方便。

4.3與單抱箍相比，雙抱箍可大大改善薄壁筒在抱箍作用下的受力情況，而且可以通過增加雙抱箍牛腿間連接梁的長度，方便、有效地提高了抱箍的承載能力。

參考文獻

[1] 李金科，張賢福，劉韞硯.各國壓力容器標準中外壓圓筒的計算及數(shù)值計算屈曲和彈塑性分析[J].化工機械，2010，37(6)：794～798.

[2] 董中亞，劉艷琛，郭雪.鋼抱箍結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析與計算[J].水運工程，2010，(6)：19～25.

[3] 張存玉.蓋梁雙抱箍掛籃設(shè)計與施工[J].巖土工程界，2005，8(11)：79～80.

[4] B T利津，B A皮亞特金.薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1983.

[5] 徐文根，趙延靈，蔣文春，等.帶加強筋的儲罐罐頂穩(wěn)定性和強度有限元分析[J].化工機械，2012，39(4)：475～477.

[6] 陳盛秒.薄壁外壓容器的圖解法與解析公式法[J].石油化工設(shè)備，2009，38(1)：37～40.