利舊塔器中間球冠封頭優化設計的有限元分析

田 震

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

1 整體描述

圖1 減壓汽提塔中間球冠封頭

隨著某些煉化企業裝置的改造升級，塔器的利舊使用是設計中經常遇到的問題，尤其塔器在同裝置中不同位置及不同裝置中使用是設備設計計算的重要內容。具有中間球冠封頭的減壓汽提塔利舊使用中，中間球冠封頭的穩定性核算是利舊計算中的重要內容，尤其中間球冠封頭在原裝置中未承受負壓(常壓工作)，在利舊使用的裝置中會出現負壓工況的情況。本文采用有限元法對減壓汽提塔中間球冠封頭的利舊方案進行分析以保證方案的安全可靠[1]。優化方案為a筋板與筒體不相焊，b筋板與筒體相焊。

圖1為生產實際中利舊的減壓汽提塔中間球冠封頭。

球冠封頭負壓工況取0.1MPa。材質為不銹鋼，腐蝕裕量為0mm。

2 中間球冠封頭穩定性分析

2.1 有限元模型分析參數設置[2-3]

單元選擇shell181單元，泊松比均取0.3，彈性模量取1.87e5MPa。

2.2 網格劃分及邊界條件施加

由于為對稱結構，選取1/4建立網格模型，如圖2所示，邊界條件如圖3所示。

圖2 網格

圖3 邊界條件

球冠封頭負壓工況(0.1MPa)下，限制筒體上端縱向位移，限制上端一端端點全位移，上端一端端點水平位移。對結構進行失穩計算分析，得到兩個方案的失穩分析結果，如圖4，圖5所示。

圖4 方案a載荷步與應變曲線

圖5 方案b載荷步與應變曲線

2.3 結果評定

如圖4與圖5所示，球冠封頭在負壓作用下，兩個方案失穩的最大壓力保守為18MPa×0.2(其實可以取到0.3)=3.6MPa，所以中間球冠封頭利用兩個方案中的任意方案都是安全可靠的。

對比與方案a，方案b的穩定性更好，所以從分析結果來看，方案b是更優的方案，但是在方案b實施過程中應注意筒體與球冠封頭焊縫的位置，在筋板焊接過程中應減少筋板焊縫對其的影響。

3 結語

本文利用有限元法分析了利舊減壓汽提塔中間球冠封頭在承受負壓工況下優化方案的穩定性，基于分析結果，確定了兩個優化方案的安全可靠性，并且論證了筋板與球冠封頭和筒體同時焊接的結構具有更好的穩定性。

本文對中間球冠封頭外壓失穩的計算分析，彌補了常規設計無法對帶筋球冠負壓工況進行計算設計的不足。

[1] 王志文.化工容器設計[M].2版.北京:化學工業出版社,1998.

[2] 王國強.實用數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社,1999.

[3] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機械與化工設備中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.