分離塔地腳螺栓有限元分析

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(南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816)

塔器是石油、化工等工業生產過程中的重要設備之一，由塔體、塔附屬構筑物、塔支承基礎3部分組成。安裝時，通過預埋于基礎內的地腳螺栓將塔器固定于基礎之上，并施加適宜的螺栓預緊力確保塔體與塔的基礎緊密連接，以防塔器產生滑移、扭轉、傾斜等不利于安全高效生產的狀況。對于預緊狀態下的螺栓連接結構，國內學者已經進行了多項研究。陳泰煒[1]歸納提出了塔器地腳螺栓預緊力設定和控制的定量依據。李會勛等人[2]通過對比ANSYS模擬螺栓預緊力的預緊單元法、降溫法和滲透接觸法，發現有限元分析中預緊單元法能夠較好地模擬實際預緊力的施加情況。管建軍等人[3]研究了高溫下工作的螺栓預緊狀態的變化，并且給出了相關的應對措施。

文中以某化工廠分離塔的地腳螺栓為研究對象，通過ANSYS14.5有限元軟件建立簡化模型，在分離塔操作狀態受風載但不考慮塔附屬構筑物偏心質量引起的彎矩的條件下，施加不同大小的預緊力進行有限元計算，比較分析預緊力大小對螺栓應力以及塔體順風方向變形的影響，為塔器的安全生產提供相關依據。

1 分離塔地腳螺栓受力理論計算

分離塔由20個M30地腳螺栓與塔的基礎連接，地腳螺栓下部錨固于塔基礎之內。為了驗證模型簡化的合理性以及仿真結果的準確性，對操作狀態受風載的分離塔地腳螺栓的受力進行理論計算。分離塔理論計算簡圖見圖1。

分離塔操作總質量m0=4.95×104kg，所受風載的基本風壓q0=400 N/m2，第i計算段的順風方向水平風力為[4]：

Fi=k1k2iq0LifiDei×10-6

(1)

式中，Fi為塔式容器第i計算段的水平風力，N；k1為體型系數，k2i為塔式容器第i計算段的風振系數，fi為風壓高度變化系數；Li為塔式容器第i計算段的長度，Dei為塔式容器第i計算段的有效直徑，mm。

分離塔各計算段順風方向的水平風壓計算參數以及具體的計算結果見表1。表1中相關參數的取值參照NB/T 47041—2014《塔式容器》[4]。

圖1 分離塔理論計算簡圖

參數塔段號i1234567塔段位置/mm0～5 0005 000～10 00010 000～15 00015 000～20 00020 000～25 00025 000～26 86026 860～29 568塔段長度Li/mm5 0005 0005 0005 0005 0001 8602 708k1 0.70.70.70.70.70.70.7k2i1.071.271.521.762.062.222.29fi1.001.001.141.251.421.421.42Dei/mm2 6242 8242 8242 8242 8242 5481 632Fi/N3 9305 0206 8508 70011 6004 1804 020

塔底部截面處的風彎矩Mw、受風載時基礎環與基礎表面間虛擬最大拉應力σB以及風彎矩Mw對地腳螺栓產生的最大拉應力σ分別按式(2)、式(3)和式(6)計算：

(2)

(3)

(4)

Ab=π(Dob2-Dib2)/4

(5)

(6)

式(2)～式(6)中，Zb為基礎環的抗彎截面系數，mm3；Ab為基礎環面積，mm2；Dib為基礎環內直徑，Dib=1 800 mm；Dob為基礎環外直徑，Dob=2 330 mm；d為地腳螺栓螺紋小徑，d=26 mm；n為螺栓個數，n=20。

將各參數帶入式(2)～式(6)，得Mw=7.68×108N·mm、σB=0.46 MPa、σ=74.5 MPa。

文獻[1]中研究得出安裝時的螺栓預緊力F=(0.6～0.7)σsAs(σs為地腳螺栓材料的屈服強度，MPa；As為螺紋公稱應力截面積，mm2)，設備運行時4.6級螺栓的預緊力需按安裝時的0.6倍計算。取安裝時預緊力F=0.65σsAs，依次取運行時預緊力Fw為0.1F、0.2F、0.3F、0.4F、0.5F、0.6F，對6種大小預緊力下的地腳螺栓受力進行有限元計算。

2 分離塔地腳螺栓有限元模型

2.1 模型簡化

分離塔內部結構比較復雜，文中不考慮偏心質量導致的偏心載荷對地腳螺栓的影響，且通過求解等效密度的方法，可將操作狀態下塔的總質量等效到建立的簡化模型上，因此建模時可以省略塔的附屬構筑物。對于塔基礎部分[5]，只對錨固地腳螺栓的部分混凝土進行建模，塔基礎的外徑為Db，厚度為Hb。

分離塔結構簡化模型見圖2。

圖2 分離塔結構簡化模型

2.2 有限元前處理

采用掃略劃分網格的方法進行網格劃分，地腳螺栓和地腳螺栓座采用solid185實體單元，塔基礎混凝土采用solid65單元[6]，塔體和裙座部分采用shell181殼單元。對地腳螺栓的網格進行適當加密，以得到更加準確的結果。

分離塔有限元模型見圖3。

地腳螺栓埋深端部以直鉤式、爪狀式或錨板式等型式固定于分離塔基礎之中，以防地腳螺栓因受力從分離塔基礎中拔出，故應在地腳螺栓下端面施加全約束[7]。塔基礎的下端面認為是固定的，應施加全約束。風載荷產生的水平風力沿y軸的正方向施加在塔體外表面，塔體內部承受0.17 MPa的內壓[8]。

分離塔各部件材料力學性能參數見表2。

在劃分裙座和地腳螺栓座網格時使用了不同的單元，需要通過MPC綁定來實現實體單元和殼單元的聯結。

圖3 分離塔有限元模型

構件材料彈性模量/×103 MPa泊松比屈服強度/MPa裙座Q235200.500.3235.0地腳螺栓Q235200.500.3235.0塔體Q345R(215 ℃)187.700.3249.0塔基礎C3013.580.220.1

有限元模型中螺母和墊片、墊片和裙座蓋板以及地腳螺栓和混凝土之間采用面面接觸定義[9]，接觸分析中金屬間的摩擦因數為0.3，金屬和混凝土之間的摩擦因數為0.4。

3 分離塔地腳螺栓應力有限元分析

3.1 不施加預緊力

有限元計算求得在操作狀態和受風載情況下，地腳螺栓的最大應力為78.952 9 MPa，并且應力最大點出現的位置以及螺栓變形情況與實際情況相符。地腳螺栓應力云圖見圖4。

圖4 地腳螺栓應力云圖

通過將有限元分析計算結果與理論值進行比較，發現兩種方法求解的應力值偏差較小，說明文中的有限元模型的簡化較為合理，能夠滿足實際工程的需要。

3.2 施加不同預緊力[10-14]

對地腳螺栓施加不同大小的預緊力，計算得到螺栓應力以及塔體在y軸方向，即順風方向的變形，分別見圖5和圖6。

圖5 分離塔地腳螺栓應力隨預緊力變化曲線

圖6 分離塔塔體順風方向變形隨預緊力變化曲線

從圖5可以知道，隨著螺栓預緊力的增大，地腳螺栓的最大應力也隨之逐漸增大，更容易發生強度破壞。

從圖6可以知道，隨著螺栓預緊力的增大，塔體順風方向的變形逐漸減小，更加有利于塔體的穩定。分析圖5、圖6認為，施加適宜的預緊力對塔器穩定性比較有利。

3.3 不同傾斜率下[15]

由于地基變形等因素導致的不均勻沉降會造成塔器的傾斜[16]。分離塔是安裝有塔盤的板式塔，傾斜時塔盤上的液面深度會發生變化，雖然分離塔仍能繼續生產，但會影響生產效率。文獻[5]中對塔器的傾斜有一定的要求，但實際生產過程中大部分塔器無法達到該要求。風載雖然是一種短期載荷，但當風載方向和塔器傾斜方向一致時，對于塔器生產的影響勢必更大。

在不同傾斜程度下對分離塔依次施加不同的螺栓預緊力，計算得到了不同傾斜率下地腳螺栓的最大應力和分離塔塔體順風方向的變形，分別見圖7和圖8。

圖7 分離塔地腳螺栓最大應力隨塔傾斜率變化情況

圖8 分離塔塔體順風方向變形隨塔傾斜率變化情況

從圖7可知，當分離塔基礎發生傾斜時，地腳螺栓的最大應力有所增加，但增加趨勢不明顯，并且隨著預緊力的增加，這種增加趨勢變得更小。塔基礎的傾斜會導致塔體傾斜，塔體在傾斜的方向上會有位移的變化。

由圖8可知，塔傾斜率越大時，塔體順風方向的變形也越大，此趨勢符合實際情況。傾斜率一定時，增大預緊力可以一定程度上減小這種變形。

4 結語

利用有限元軟件對某分離塔地腳螺栓進行了模擬計算，模擬計算的結果與理論計算的數據相差不大，說明模型的簡化比較合理，此種模擬計算方法可以滿足相關工程的需要。

不同預緊力下地腳螺栓的有限元模擬計算結果表明，恰當的預緊力對減小塔體順風方向的變形從而增強塔體穩定性很有必要。同時也驗證了文獻[1]中給出的預緊力大小控制方法的有效性。分離塔塔體傾斜時，若傾斜率仍在設備能夠繼續生產的范圍內，則對地腳螺栓的應力影響很小。但塔體在傾斜方向的變形會變大，不利于塔器的安全高效生產。在不超過螺栓材料屈服強度的情況下適當增加螺栓預緊力，能夠減小塔體在傾斜方向上的變形。

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