立式加壓反應釜攪拌裝置振動分析及解決方法探討

佟立軍

(中國恩菲工程技術有限公司 冶金化工事業部，北京 100038)

0 前言

有色金屬冶煉工程特別是濕法冶煉工程項目中，攪拌設備被大量使用。隨著礦源的變化、礦品位的波動以及冶煉工藝的發展和創新，區別于常規機械攪拌槽的加壓反應釜得到了更為廣泛的應用。

常規機械攪拌槽通常為常壓，攪拌裝置安裝在無密封的型鋼橋架上，允許一定范圍內的振動，且設備受力較為簡單。加壓反應釜為高溫、帶壓的壓力容器[1]，設計規范嚴格，攪拌裝置安裝在釜體法蘭支撐面上，通常帶有機械密封裝置，對振動引起的攪拌軸跳動要求十分嚴格，攪拌裝置的支撐法蘭受力較為復雜。本文從工程實際入手，對立式加壓反應釜攪拌裝置振動問題進行力學分析并探討解決方法。

1 反應釜在實際運行中的問題

國內某大型冶煉廠正在使用的5臺立式帶攪拌裝置的加壓反應釜(如圖1所示)，釜體由兩端橢圓封頭和中間直筒段組成，直筒段環形支座支撐，攪拌裝置安裝在釜頂部橢圓封頭正中支撐法蘭上，攪拌軸沿釜體軸線伸入釜體內部，密封形式為雙端面機械密封。設計者使用SW6計算軟件對釜體進行設計計算，根據攪拌裝置載荷數據對攪拌支撐處封頭、補強圈、法蘭的應力進行了應力校核，應力評定為合格，即：

Smax≤3Sa且Sm≤1.5Sa

式中Smax——最大表面應力，MPa；

Sm——最大膜應力，MPa；

Sa——殼體許用應力，MPa。

1.電機法蘭 2.支撐法蘭 3.支撐管 4.筋板 5.補強圈 6.橢圓封頭 7.攪拌裝置 8.環形支座圖1 立式加壓反應釜簡圖

考慮到SW6為靜力學計算和校核，設計者又在支撐法蘭處增加了5塊筋板進行加強。

在項目現場以水代料試車過程中，發現機架以及支撐法蘭處振動很大，人員站在頂部橢圓封頭上可感覺到明顯振動，實測數據顯示攪拌裝置振動速度和振幅均超標。數據如表1所示。

表1 振動數據統計表

停止運行后開釜，先后對緊固件、密封件、攪拌槳的安裝以及連接面水平度進行檢查，均沒有問題。數據反饋給攪拌裝置供應商，結合現場檢測結果，最終一致認為振動已經超過機械密封允許的幅度，以水代料尚且如此，正式投料生產后有可能加劇，因此需要使用有限元軟件ANSYS對設備進行應力分析[2]。

2 有限元分析計算條件及假定

根據JB4732—1995(R2005)的要求，ANSYS分析軟件設置如下：

(1)計算軟件為ANSYS15.0，單位使用N、mm、MPa單位制。

(2)網格采用六面體Solid 186單元[3]。

(3)網格劃分原則：對結構有突變區域，局部加密網格以獲得更精確的結果，其余區域稍微疏一些，在模型中避免使用四面體單元。

(4)根據容器的結構特征，均采用全模型進行計算，考慮最嚴格的設計組合條件。

(5)接管端部載荷使用等效壓力加載，接管高度建到法蘭密封面處。

(6)應力評定線取所有的危險截面。

(7)操作工況用設計工況代替評定，設備外有保溫不考慮溫差。

3 對原設計的應力分析

3.1 約束和載荷

(1)約束：模型支座支撐面約束所有位移(如圖2所示)。

圖2 原設計模型網格

(2)載荷：

①釜體下端平衡載荷：輸入設計壓力、液柱壓力、釜體內徑和外徑求得；

②攪拌口支撐端面平衡載荷：輸入設計壓力、液柱壓力、連接件參數、法蘭伸出高度、支撐管內徑和外徑求得；

③攪拌口局部載荷(攪拌裝置供貨商提供)：軸向力、徑向力、彎矩、扭矩等。

3.2 強度評定

如圖3所示，根據JB 4732—1995(R2005)規定，需根據實際情況考慮以下4種應力強度：

圖3 原設計應力

Pm：一次總體薄膜應力強度(控制值KSm)；

PL：一次局部薄膜應力強度(控制值1.5KSm)；

PL(Pm)+Pb：一次薄膜加一次彎曲應力強度(控制值1.5KSm)；

PL(Pm)+Pb+Q：一次加二次應力強度(控制值3Sm)。

其中Sm為釜體材料應力強度值，系數K在本設備計算中取值為1。

圖示最大應力出現在攪拌支撐口補強圈和橢圓封頭焊接處以及橢圓封頭內轉角處，數值為112.22 MPa，遠小于釜體材料應力強度和上述4種應力強度，故模型部件可免除路徑劃分，其應力是合格的。

3.3 剛度評定

如圖4所示，攪拌口在載荷下發生偏轉：(最大位移—最小位移)/位移截面直徑=0.000 8，根據分析設計的經驗，該數值一般應小于0.000 5，因此可以認為此攪拌支撐口剛度不足。此外，本設備支座支撐面距離攪拌口密封面較遠，且位于設備重心以下，攪拌口在載荷下產生了一定的水平位移，在攪拌晃動上存在不利影響，所以需要進一步對攪拌支撐口處進行局部加強。

圖4 原設計攪拌口的軸向位移和水平位移

4 對加強方案的應力分析

4.1 加強方案的設計模型

從ANSYS軟件對立式反應釜原設計進行的應力分析可以看出，盡管使用SW6計算軟件對釜體進行了強度計算和校核并滿足強度要求，但設備剛度仍有不足。雖然設計時考慮了這個問題，在攪拌支撐口處增加了筋板，但筋板只是與法蘭、支撐管、補強圈進行焊接，并未對橢圓封頭進行加強，導致局部最大應力出現在攪拌支撐口補強圈和橢圓封頭焊接處，橢圓封頭的受力變形增大了攪拌口的變形量。因此，加強方案提出延長原有5塊筋板長度(3倍于原設計)，并另外增加5塊筋板，得到建模如圖5所示。

圖5 加強方案模型網格

圖6 加強方案應力

4.2 強度評定

如圖6所示，應力評定方法與1.3.2相同。圖示最大應力位置有了明顯變化，出現在10塊筋板與橢圓封頭焊接尖端處，由于應力比之原設計有所集中，故數值有些增大，為142.04 MPa，但同樣遠小于釜體材料應力強度和4種應力強度，故模型部件可免除路徑劃分，其應力是合格的。

4.3 剛度評定

如圖7所示，攪拌口在載荷下發生偏轉：(最大位移—最小位移)/位移截面直徑=0.000 21，是原設計的1/4且小于0.000 5，因此可以認為此攪拌支撐口剛度足夠。此外，比較圖4和圖7還可以看出，加強后的攪拌口在載荷下產生的水平位移只有不到原設計的1/8，說明遠端支座引起的變形量也明顯減小。

圖7 加強方案攪拌口的軸向位移和水平位移

5 結論

項目現場按照上述分析對反應釜攪拌管口進行了加強，同時考慮動載荷的不可預測性，適當增加了加強筋的長度(達4倍于原設計)，以水代料運行，實測顯示攪拌機架擺動量明顯降低，振幅僅15 μm，槽體振動大幅減小。隨后投料生產過程中，設備運行良好。

上述分析計算采用的是靜力學方法，通過限制攪拌口變形來預防振動。但攪拌振動本身是非常復雜的動力學問題，兩種力學方法不完全具有相關性，由于動力學模型復雜且分析計算時間、成本過高，因此實際設計中通常采用靜力學方法做為分析設計的經驗做法。此方法理論上可以預防攪拌振動，將其限制在可接受的小范圍內，但引起設備振動的因素很多，比如物料性質的變化、設備進/出氣量或進/出料量的變化、壓力或溫度的變化等，不排除在滿足應力分析變形條件下的設備發生較大振動，所以，在實際加強方案中，適當增加了加強筋的長度，用以抵消部分不可預見的數據偏移，從實際使用情況看效果良好。

在設備設計計算過程中，減小振動影響最直接方法就是在一定范圍增加設備壁厚，提高設備整體的強度和剛度，但這樣會導致設備材料成本以及制造、運輸等成本的增加。因此設計者通常用局部加強的方式有針對性的對受力部位進行結構加強。此外，立式容器支撐面如果能安放在容器重心以上(針對耳式支座和環形支座而言)，對容器受力狀況也有很大改善。