對小直徑高聳塔器撓度控制的討論

韋權權 楊文庭

摘 ? ? ?要：對于小直徑高聳塔器在計算過程中由于風載荷、地震載荷造成的彎矩使塔頂產生非常大的撓度，此時如果按照常規的計算方法來設計，設備壁厚將會變得非常厚。考慮到此類高聳塔器一般放置在裝置框架中，通過設置一個或多個導向支架，會使設備的風載荷、地震載荷通過導向支架傳遞到結構框架上，使結構框架承擔其全部的風載荷和地震載荷， 能大大地降低設備的彎矩和撓度。計算總結了一種考慮導向支架作用的小直徑高聳塔器的設計方法，即充分考慮導向的支撐作用，計算的復雜度又相對不高;依據塔器的設計原理，結合SW6軟件、ANSYS軟件，快速、合理地完成小直徑高聳塔器的計算。

關 ?鍵 ?詞：高聳塔器;撓度;控制

中圖分類號：TQ053.5 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）02-0501-04

Abstract： In the calculation process of a high-rise tower with small diameter， the bending moment caused by wind load and seismic load always causes a very large deflection on the top of the tower. If the tower is designed according to the conventional calculation method， the wall thickness of the equipment will become very thick. Considering that the high-rise tower is generally placed in the unit frame， the bending moment and deflection of the equipment can be greatly reduced by setting one or more guide supports which can transmit the wind load and seismic load of the equipment to the structural frame through the guide bracket， so that the structural frame bears all its wind load and seismic load. In this paper， a design method of small diameter high-rise tower considering the action of guide supports was described. The design method considers fully the supporting function of guide bracket; the calculation complexity is relatively low. Based on the design principle of tower， combined with SW6， ANSYS software， the calculation of this kind of equipment can be solved quickly and reasonably.

Key words： high-rise tower; ?deflection; ?control

在化工裝置中，有許多放置在框架結構之中的直徑較小，高度非常高的高聳塔器。由于塔身細長，所以設備的風、地震載荷產生的彎矩和撓度都較大。

塔器頂部撓度過大對塔器主要有以下幾方面的影響：

（1）對于板式塔器而言，塔頂晃動會影響塔器內塔板工藝操作的平衡。如果撓度過大，會使塔盤傾斜，造成氣液傳質的不均勻，進而導致塔板效率的下降，影響最終產品的質量。

（2）會容易使接管連接出現泄漏。與塔體連接的接管因塔頂的晃動過大，連接處受到拉、壓、彎、扭的綜合作用，易出現泄漏，對裝有易燃、易爆及有毒介質的塔器是非常危險的。

（3）會使塔體的附加彎矩增大。塔頂撓度過大，即塔器在擺動過程中產生的最大位移離塔器中心軸線的絕對距離增大，由此產生的附加偏心彎矩增加，影響塔器的使用壽命。

（4）影響現場檢修工人的操作及安全。

所以為確保塔器的正常操作及安全使用，必須對塔器的頂部撓度進行適當控制。

1 方法對比

引起塔器撓度的外載荷有：均布載荷或倒三角載荷，如風載荷等;集中力，如管道產生的推力等;外彎矩作用，如塔頂附件產生的彎矩等。一般的塔式容器按照塔式容器標準設計[1]，校核塔器在各種操作工況下及各種載荷（包括壓力載荷、風載荷、地震載荷等）作用下的各個截面的應力水平[2]，計算出塔器頂部的最大撓度，并將其控制在標準規范要求的許用范圍內[3]。

對塔器撓度進行控制主要有以下幾種方法：

（1）增加塔器直徑，降低塔器總高[4]。這種方法可以增大塔器的固有頻率，改變其自振周期，從而避免塔體結構產生誘導振動。但這種方法主要取決于工藝設計參數的許可情況，需要在工程設計前期充分考慮工藝條件，在工程項目的詳細設計階段很難滿足工藝設計要求。

（2）增加塔體壁厚，這是工程實踐常用的一種方式。但經濟性相對較低，因為設備筒節的抗彎模量與壁厚存在線性關系，慣性矩與壁厚近似線性關系，即加厚設備厚度對于提高筒體的抗彎性能，降低撓度效果非常不明顯， 在風和地震控制的高聳塔器，需要將下部筒節加厚到非常厚才能通過計算。

（3）在塔體周圍（主要集中在塔體上部）焊接可以消除產生渦旋的一些翅片（包括螺旋式或軸向式），其可以減小風載荷產生的彎矩，降低塔頂的撓度值。但是大多數塔器有外保溫層，且塔頂周圍安裝有眾多的附件（如平臺梯子、吊耳、管線支架等），所以這種方法在實際工程中相對比較復雜。

（4）在塔體上設置導向支架，高聳塔器放置在框架中設置一個或多個導向支架，會使設備的風載、地震載荷通過導向支架傳遞到框架上，使結構框架承擔全部的風和地震載荷。設置導向支架的作用就是可以通過導向支架使風和地震載荷較為均勻地傳遞到框架結構上，減輕設備本體所受到的彎矩和軸向力，避免高聳塔器設備的振動，降低設備的撓度。

2 ?工程實例

在某石化項目的化工裝置中需要新建一臺閃蒸塔，其主要設計參數如表1所示，設備的主要設計尺寸如表2所示。

按照塔器的常規計算方式，滿足標準規范要求并將其控制在標準范圍內。通過增加壁厚的方式設備的筒節厚度將達到34 mm，裙座厚度需要42 mm，壁厚大經濟性非常低。

由于閃蒸塔的保溫厚度為120 mm，且塔體上部的附件比較多，所以沿塔體周圍焊接一些螺旋式或軸向式翅片在實際操作中相對比較困難。

塔器的梯子、平臺、管線和其他附件的位置需要滿足管道專業的現場配管要求，無法滿足設備專業需要達到的位置要求，所以合理安排布置塔器的附件位置，對于減少塔頂撓度的有效程度有待驗證并且在實際工程中很難滿足我們計算的理論要求。

綜合分析，考慮到閃蒸塔放置在框架結構之中，我們可以嘗試通過在塔體上部增設導向支架的方式降低塔頂的撓度，導向支架限位裝置只允許塔體在軸向自由伸縮，限制了徑向擺動，降低了風、地震載荷產生的彎矩和撓度，使設備受力大為改善，從而滿足標準規范對塔器的設計要求。

3 ?理論計算

3.1 ?理論簡述

目前對設置導向支架的塔設備沒有成熟的設計方法，有的采用有限元進行塔器整體分析，優點是能夠計算出結果，缺點是無法完全模擬風和地震載荷等各種工況，并且耗時長，精度低，對設計人員要求非常高，每個設計人員得到的結果都不同。有的設計方法采用公式推導的方法計算彎矩和撓度，優點是可參照塔設備進行推導，模型一致。缺點是推導太復雜，對于不變徑的一個導向的設備勉強可用，多個導向公式推導非常困難。本文將介紹一種考慮導向支架的影響的塔設備的計算方法，即充分考慮導向的支撐作用，計算的復雜度又相對不高。

帶導向支架的塔器的計算步驟如下：

（1）用SW6軟件計算塔器，從計算書中提取每段的風載荷，地震載荷，偏心載荷;

（2）將計算模型轉換成ANSYS梁單元模型，求出每個截面（節點）的反力，彎矩;

（3）將每個截面（節點）彎矩代入SW6中計算最大彎矩和彎矩引起的軸向應力;

（4）按照新的彎矩引起的軸向應力在已有的計算書中評定是否合格;

（5）如不合格調整壁厚重新計算;合格后，校核導向支架對筒體局部應力是否合格。

塔體增設導向支架的計算的核心是計算帶導向支架時的風彎矩和地震彎矩。由于其模型是一個超靜定結構，使求解非常困難。而這個問題用有限元梁單元來求解是相對非常簡單的。將計算各個截面的彎矩的問題轉換成計算有限元梁模型的各個段內部單元最大的彎矩值

為使計算結果準確，需使有限元模型等效于實際的計算模型，可按下述方法實施：

（1）對于塔器的計算模型，其每個截面處等效于有限元模型的節點處。

（2）塔器的計算規范中將每段筒節的最高處的風壓作為整段的均布風載荷。設第i段的順風向水平風力為Pi，此段的長度為Li，則在此段上施加均布載荷Pi/Li。有限元風載荷施加與規范的要求一致。

（3）塔器的裙座底部作為固支模型計算，并在導向支架位置需施加Uy=0的位移約束。載荷施加如圖1所示。

3.2 ?計算風和地震載荷的等效載荷

風載荷和地震載荷有兩種方法計算。一種是按照塔器規范的要求，每一段筒節單獨計算，缺點是比較繁瑣、容易出錯。為了使計算更全面，更便捷，可以從SW6軟件的計算書中提取風、地震載荷。不過SW6軟件的計算書結果中沒有風載荷水平推力的值，只有各個截面風彎矩的值，所以需要進行一些轉化。不考慮橫向風載荷時任意截面處的風彎矩，按照塔式容器標準中的式（35）來計算，即：

將式（3）轉化成簡寫形式[L][P]=[ΔMw]。已知[L]和[ΔMw]，可解方程得[P]= [L]-1[ΔMw]。再將[L]-1與[ΔMw]做矩陣相乘，則可得到[P]，即各個段筒節的風載荷水平推力。將水平推力除以筒節長，可得各段的單位長度上均布風壓值。由于考慮塔器帶導向支架時，風載荷相當于多段均布載荷分布在簡支梁上。當考慮橫向風振時，簡支梁的自振周期為懸臂梁的自振周期的23%，所以一般情況下均不需要考慮塔式容器的共振以及共振彎矩。

將式（4）轉化成簡寫形式為[L][F]=[ΔMe]，并求得方程的[F]= [L]-1[ΔMe]。通過計算得出該設備的地震載荷比風載荷小得多，所以對于本文中的塔器其強度主要考慮風載荷的影響。

因此通過SW6軟件的計算書得到的當組合風彎矩值由橫向風載荷控制時，由于有導向支架的作用，塔器的遠離共振周期，實際橫向風載荷小于SW6計算的橫向風載荷。再通過將各截面的組合風彎矩從上到下逐步增加的偏保守算法得到水平推力[P]，滿足工程應用。

3.3 ?計算彎矩和反力

通過ANSYS軟件進行分析計算各截面處的彎矩、反力。計算結果如圖2-4所示。

通過ANSYS軟件計算求解后可獲得塔的各個截面上最大的彎矩值以及導向支架處的反力。將風彎矩和地震彎矩分別代入原SW6計算書，計算截面處最大的MmaxI-I并進行之后的手動完成后續的計算。導向支架處的反力可以用WRC107方法校核其對筒體的影響。

4 ?結語

通過增設導向支架的方式使設備?800 mm的筒節厚度由原常規計算的34 mm降為24 mm，裙座厚度由原常規計算的42 mm降低為24 mm。設備金屬總重量由原來的31 330 kg降低到24 000 kg。

通過實例計算可以得到如下結果：

（1）導向支架對于高聳小直徑塔器的影響不能忽略。對風彎矩來說，下部筒節段考慮導向支架作用時的風彎矩是不考慮導向支架作用時的1/6。由于風彎矩和風彎矩相關的應力呈線性關系，所以各個截面的應力值都大大降低。下彎曲應力引起的軸向力下降為原來的19.4%。經過核算，各個截面的應力值均有大幅下降，最后設備整體校核合格，并有較大的裕量。

（2）導向支架處的推力由風載荷決定，如果推力過大，可以考慮多加幾個導向支架，分別核算各個導向支架處的推力。

（3）增加導向支架后設備的彎曲應力、水平推力、以及撓度都大幅度下降，能夠降低設備的壁厚，實現制造、安裝費用的降低，達到節能減排、經濟合理的效果。

（4）從結果可以看出無論是否考慮導向支架，地震載荷相比風彎矩來說比較小，決定最大彎矩的是風彎矩。所以如果想用公式法計算，為了簡化計算，忽略地震載荷的影響是合理的。

在工程中，塔器設置導向支架只是降低塔頂撓度的有效方法之一。筆者了解到，降低高聳塔器的頂部撓度也可以采用塔體設置側向支撐的方式[3] ，側向阻尼器支撐能夠有效地增強高聳塔器的抗風性能。因此設計者應根據實際情況合理選擇撓度的控制方式，在滿足相關標準規范的前提下以達到安全經濟的設計目的。

參考文獻：

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