丙烯塔運輸鞍座設計與分析

陳 坤

中海油能源物流有限公司渤海運輸中心，天津 300452

1 丙烯塔運輸鞍座概述

丙烯塔是100 萬t/年乙烯裝置區核心設備，在此項目中該塔采取了整體制造出廠、運輸、安裝的工藝，丙烯塔參數見表1。從制造車間到安裝施工現場，采取了水陸聯運方式運輸，包括車間至碼頭的倒運、滾裝裝船、海運、滾卸卸船、碼頭至現場公路運輸以及現場就位。為滿足各種運輸限制條件，在運輸過程中，需要多次改變運輸工況。為滿足吊裝工藝要求，該塔的主吊耳應靠近重心位置；為滿足丙烯塔就位要求，需要改變鞍座擺放位置；工況和位置的變化，使運輸鞍座受力情況發生變化，運輸鞍座的設計需滿足各工況使用及受力要求。

表1 設備參數表

2 鞍座使用工況

丙烯塔在運輸及現場就位過程中多次改變鞍座使用工況，公路運輸使用三種車型，海運和現場就位兩種支墊方式，見圖1 ～圖5。

3 鞍座設計及校核

3.1 鞍座設計

根據丙烯塔在運輸及現場就位過程中各種工況的需要，丙烯塔運輸共需使用12 個鞍座，鞍座材質選用Q345 鋼，單重約20t，鞍座結構見圖6。

3.2 校核分析軟件

在鞍座的設計過程中使用了ANSYS 軟件對設計結果進行了校核和優化。ANSYS 軟件是美國ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件。ANSYS 因其功能強大、操作簡便，現已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA 評比中都名列第一。其中，結構靜力分析用來求解外荷載引起的位移、應力。鞍座設計過程中使用了ANSYS 靜力分析。

圖1 車型一配車圖

圖2 車型二配車圖

圖3 車型三配車圖

圖4 海運支墊示意圖

圖5 現場就位支墊示意圖

圖6 鞍座結構簡圖（單位：mm）

3.3 相當應力值σr 的概念

計算使用的是ANSYS 軟件模擬計算，采用的是應力單元法，得出的是構件每點在三維方向的最大應力和應變值，也可理解為折算應力，因此需要將電算的折算應力與許用應力進行量化比較。根據第四強度理論σr＜[σ]，折算應力值σr的計算公式如下所示。

折算應力是按畸變能密度準則得出的應力，即對某一點應力：

3.4 有限元計算

（1）有限元模型的加載方式。根據弧形接觸理論，在使用ANSYS 模擬時，將荷載沿弧板底部半徑長范圍內均布加載，同時考慮到荷載是由腹板和筋板向下傳遞，因此加載位置選取在腹板和筋板的正上方，而且因為罐體強度和剛度都很大，所以在ANSYS 模型中可將設備視為剛體。ANSYS 力學計算模型采用在鞍座上口加耦合可讓鞍座上口處相對位置保持不變。有限元模型見圖7。

圖7 ANSYS 軟件模型示意圖

（2）確定計算荷載。在運輸過程中，丙烯塔最少使用10 個鞍座支墊，理論上設備重量在10 只鞍座上均勻分布，每只鞍座承重2273÷10=227.3t，但在現場最終就位時，丙烯塔由9 只鞍座共同支撐，非對稱擺放，單只鞍座的模型計算荷載取426t。同時，在計算過程中，將鞍座的自重也考慮進去，進行加載。約束時，將鞍座的底板進行簡支約束，約束點間距為8.7m。

（3）確定許用應力值和折算應力值σr。鞍座設計主要采用厚度為40mm 和20mm 的Q345B 碳素結構鋼板整體焊接加工制造。根據《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003），該型號鋼材的強度設計值可取265MPa，根據鋼結構設計規范σr＜[σ]=265MPa。

（4）鞍座自卸工況承壓計算結論。根據ANSYS 計算結果，鞍座最大應力值出現在耦合和約束的位置，數值約為190MPa，而在實際情況中，由于應力的重分布，最大應力小于計算值。同時根據計算可知，鞍座的弧板、腹板、底板、下部梁結構的翼緣板、腹板強度基本上在160MPa 以下，因此鞍座強度是安全的，應力云圖見圖8 ～圖11。鞍座變形量約為2.6mm，符合規范規定的撓度值必須小于11000÷500=22mm 的剛度要求，因此鞍座剛度也是安全的。

4 結論

圖8 運輸主鞍座自卸工況整體應力云圖

圖9 運輸主鞍座自卸工況弧板應力云圖

圖10 運輸主鞍座自卸工況腹板應力云圖

圖11 運輸主鞍座自卸工況底板應力云圖

該方案中設計的運輸鞍座無論是強度還是剛度都是安全可靠的。在實際使用過程中，此次設計的鞍座各方面均與理論計算相符，因此該設計在運輸過程中既能滿足各種工況的要求，又能保障運輸安全。