與塔直連塔頂冷凝器的大開孔分析設計實例

曾 賀

（山東華魯恒升集團德化設計研究有限公司，山東 德州 253024）

近年來，隨著過程裝備行業的快速發展，容器的開孔逐步向大開孔的方向發展，給壓力容器的結構強度設計帶來了一系列的技術問題，如開孔附近的應力集中系數、開孔補強的方法、開孔補強的結構設計等。本文利用應力計算分析軟件對本公司設計的一臺與塔直連塔頂冷凝器的大開孔設計來介紹分析設計過程。

換熱器與精餾塔連接部位結構有關設計參數如下表2 所示。

1 基本設計參數

表1 壓力容器基本參數

換熱器與精餾塔連接部位結構材質為S30408。換熱器殼程筒體壁厚18mm，內徑950mm；精餾塔與換熱器連接處的筒體壁厚也為18mm，內徑為800mm。

2 計算方案

（1）換熱器與精餾塔連接部位結構承受的載荷有：介質壓力、結構自重、環境溫度等。本方案考慮了三種載荷工況：設計載荷、液壓試驗載荷和風載工況。

（2）載荷組合及計算工況的設置。根據JB4732-1995 分析設計標準和NB/T 47041-2014 塔式容器的規定和換熱器與精餾塔連接部位結構的具體情況，本設計在對換熱器與精餾塔連接部位結構進行應力計算過程中，考慮到地震載荷對連接的開孔部位影響較小，因此對上述地震影響不作考慮。方案共按照“設計工況”、“液壓試驗工況”、“風載工況”三種計算工況來進行應力計算、分類與評定。

①設計工況。設計溫度下，換熱器與精餾塔連接部位結構在設計壓力、靜壓頭、自重、溫差造成的筒體軸向應力等載荷作用下的第三應力強度計算、分類與評定。②液壓試驗工況。常溫下，換熱器與精餾塔連接部位結構在液壓試驗壓力、靜壓頭、自重等載荷作用下的第三應力強度計算、分類與評定。③風載工況。設計溫度下，換熱器與精餾塔連接部位結構在設計壓力、靜壓頭、風載荷、自重、溫差造成的筒體軸向應力等載荷作用下的第三應力強度計算、分類與評定。

3 連接部位結構的有限元應力計算與評定

（1）連接部位結構有限元分析計算模型。①建立有限元模型。（過程略）。②在模型的對稱面設置對稱約束，在精餾塔底部設置軸向和環向約束。③換熱器與精餾塔連接部位結構各工況下力載荷和溫度載荷如下表2 所示。④在風載工況中，風載已均布壓力的形式加載于兩端封頭迎風面上，兩端風載大小相等，方向相反，數值為0.0044MPa。

表2 換熱器與精餾塔連接部位結構載荷表

（2）換熱器與精餾塔連接部位結構有限元加載模型。

圖1 為設計工況下有限元加載模型圖

（3）換熱器與精餾塔連接部位結構在各種工況下的應力計算，計算結果如下圖（圖2）。

圖2 換熱器與精餾塔連接部位結構應力圖

（4）根據計算各種工況下的應力：①設計工況下，應力強度最大值出現在相貫線相交處，應力最大值為281.16MPa。②液壓試驗工況下，應力強度最大值出現在斜相貫線附近，應力最大值為54.29MPa。③風載工況下，應力強度最大值出現在相貫線相交處，應力最大值為287.85MPa。

（5）根據應力計算結果及工程實際，針對應力最大值附近的危險部位，選擇若干條路徑進行應力評定，應力評定路徑見圖3所示。液壓試驗工況下，結構應力強度不高，因此不對其進行應力分類與評定。下表3 ～表4 為應力分析與評定結果。

圖3 連接部位結構的應力評定路徑

表3 正壓設計工況下強度應力分類與評定結果

表4 風載工況下強度應力分類與評定結果

4 結論

通過前面對連接部位結構進行了所有工況的有限元應力計算、分析與評定，逐步得出結論，最終確定了換熱器與精餾塔連接部位結構尺寸滿足設計要求。