MMA萃取塔結構設計與應力分析

張新建 姚佐權 顧玉鋼 張雅莉

(1. 合肥通用機械研究院；2. 上海森松化工成套裝備有限公司)

MMA萃取塔結構設計與應力分析

張新建*1姚佐權1顧玉鋼1張雅莉2

(1. 合肥通用機械研究院；2. 上海森松化工成套裝備有限公司)

根據某甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取塔的工藝操作要求，對萃取塔的整體結構進行優化設計，并采用有限元應力分析方法對塔體在設計工況、工作工況和水壓試驗工況的整體結構與結構不連續部位的應力進行分析，從而確定了萃取塔主體的最終結構尺寸，保證了塔體的結構安全和工藝性能。

MMA萃取塔 結構設計 應力分析

甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取塔作為MMA裝置中的關鍵設備之一，具有結構復雜、動靜結合及設計計算難度大等特點，為了確保該設備的安全使用，筆者采用有限元應力分析方法對該設備的整體結構進行了詳細校核，為類似設備的設計提供參考。

1 MMA萃取塔結構設計

1.1設計參數

萃取塔的關鍵設計參數如下：

設計壓力 0.20MPa

工作壓力 0.18MPa

設計溫度 100℃

工作溫度 50℃

水壓試驗壓力 0.43MPa(臥置)、0.25MPa(立置)

主體材料 S31608

介質 MMA、庚烷、水

介質特性 易爆、中毒危害

焊縫系數 1.0

腐蝕裕度 0mm

設備容積 77.2m3

塔體總高度 21 400mm

設備凈重 23 020kg

設備充水重 98 020kg

操作重量 81 520kg

保溫層材料 硅酸鋁纖維

保溫層厚度 90mm

基本風壓值 550N/m2

設計地震分組 第一組

地震設防烈度 7度/0.10g

場地土地類別 Ⅳ類

地面粗糙度類別 A類

設計準則 分析設計

容器類別 Ⅰ類

1.2材料參數

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見表1、力學性能指標見表2。

表1 S31608與Q345R的物理性能參數

表2 S31608與Q345R的力學性能指標

塔頂電機和吊在塔頂的塔內設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介質的總量折算到塔體上。

1.3主體結構尺寸確定

根據設計條件的要求并按照JB 4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》(2005年確認)進行初步計算[1]，確定了萃取塔的主體結構尺寸(表3)。

表3 萃取塔的主體結構尺寸

由于塔頂有電機和驅動機構，需考慮各種工況下電機和驅動機構對塔體應力分析的影響，為簡化有限元模型，使用φ1000mm×30mm、高度為2 322mm的筒體模擬電機和驅動機構，萃取塔結構尺寸如圖1所示。

2 應力分析方案的確定

根據設計要求，對萃取塔結構進行整體應力計算，分析計算塔體在內壓、自重、地震和風載載荷作用下塔體不連續處和裙座局部的應力分布并進行應力評定[2]。由于整個塔體設計溫度不高且溫度分布較為均勻，因此可不考慮由溫差產生的應力。根據JB 4732-1995規定，結構在進行應力分析計算時，一般需要設置3種載荷工況進行應力計算、分類與評定，即：設計載荷工況、工作載荷工況和水壓試驗載荷工況[3]。由于設計載荷工況比工作載荷工況要惡劣，當設備沒有疲勞載荷且不考慮溫差應力時，可以不考慮工作載荷工況，僅考慮設計載荷工況和水壓試驗載荷工況。

由于萃取塔所受的載荷較多，為了計算分析與應力評定的簡便，需要對塔體若干設計載荷工況(內壓、自重、地震和風載)進行單獨和組合計算。水壓試驗載荷工況為：常溫下，整體結構在水壓試驗壓力下的第三類應力強度計算、分類和評定，水壓試驗壓力按JB 4732-1995確定。

圖1 萃取塔結構尺寸

3 應力計算、分類和評定

3.1結構有限元模型

萃取塔塔體結構整體三維實體有限元計算模型如圖2所示，圖2b為塔體與裙座連接結構模型圖，為典型的堆焊型結構[4]。

a. 整體結構

b. 塔體與裙座連接結構

采用ANSYS的六面體二階單元Solid95對模型進行網格劃分。其中Solid95單元有48 302個，節點260 484個，邊界條件為裙座底部固支，萃取塔結構的有限元模型如圖3所示。

a. 整體結構

b. 錐段結構

作用在塔體上的載荷有內壓、自重、地震和風載。為了保證計算分析與應力評定的精確，需要對塔體在內壓、自重、地震和風載單獨作用時進行應力分析，并對內壓+自重+風載(組合載荷一)和內壓+自重+地震(組合載荷二)兩種組合載荷工況進行應力分析。

3.2應力計算結果

3.2.1設計載荷工況

以彩色等級圖的方式來表示結構的第三強度當量應力分布。萃取塔在地震、風載、自重和內壓載荷單獨作用下的計算結果如圖4所示。

a. 地震載荷

b. 風載荷

c. 自重載荷

d. 內壓載荷

各載荷單獨作用下的最大應力值及其位置如下：

地震載荷 151.0MPa(錐段小端)

風載荷 88.6MPa(裙座局部)

自重載荷 87.7MPa(裙座局部)

內壓載荷 87.4MPa(裙座局部)

由以上計算結果可知，在對各種載荷單獨作用于萃取塔結構產生的應力進行評定時，應力最大的危險位置主要在錐段小端和裙座局部，因此，需對萃取塔這些位置的應力分別進行評定。

在對各種載荷單獨作用時進行應力分析之后還要對萃取塔在內壓+自重+風載(組合載荷一)和內壓+自重+地震(組合載荷二)兩種組合載荷工況進行應力分析。根據JB 4732-1995，不同時考慮地震載荷和風載荷。圖5為兩種組合載荷的有限元應力分布結果，在組合載荷一工況下，最大應力為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水壓試驗工況

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

圖6 水壓試驗載荷作用下萃取塔結構應力分布

3.3應力分類與評定

依據JB 4732-1995標準中關于應力分類與評定的定義和塔式容器的結構特點，選取萃取塔上危險部位(應力較大)的應力進行線性化處理，分離出的平均應力為一次局部壓縮薄膜應力，分離出的壓縮薄膜應力+壓縮彎曲應力為二次應力。

萃取塔結構中二次彎曲應力所占份額較小，基于偏保守的考慮，對應力進行線性化處理后，“一次局部薄膜+彎曲”應力用1.5K倍的設計應力強度來評定。自重和內壓載荷作用下的組合系數K取1.00，風載和地震載荷作用下K取1.20，水壓試驗載荷工況下K取1.25。由于萃取塔在各載荷工況下的最大應力均小于該工況下1.5K倍的設計應力強度值，因此，該萃取塔應力計算合格。

4 結論

4.1萃取塔塔體結構在自重、內壓、風載、地震和水壓試驗的單獨或組合載荷作用下的應力皆能滿足各自的許用應力強度要求。

4.2萃取塔塔體結構安全可靠，目前該設備已安全運行三年多，為MMA裝置的正常運行提供了有力保障。

[1] JB 4732-1995(2005年確認)，鋼制壓力容器—分析設計標準[S].北京：新華出版社，2005.

[2] 溫靜，張銥鈖，宋強.基于ANSYS對氨合成塔支座的應力分析[J].化工機械，2011，38(6)：746～748．

[3] 孟德文，李志軍.PSA吸附塔的結構設計及應力分析[J].石油化工設備，2010，39(6)：33～36．

[4] 談永明，邵東亮.焦炭塔裙座與筒體連接區域應力分析[J].化工機械，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)