大型薄壁類塔器薄殼穩(wěn)定性的技術(shù)研究

李 帥

中核機(jī)械工程有限公司 浙江嘉興 314300

浙石化二期項(xiàng)目C5分離裝置共有18 臺(tái)大型薄壁類塔器，其中部分塔器設(shè)備長度在70000mm 以上，且直徑不超過3400mm。對(duì)于這類長徑比較大的薄壁塔器，在吊裝時(shí)，需對(duì)吊裝過程中塔體各類穩(wěn)定性（如撓度、強(qiáng)度等）進(jìn)行分析和校核計(jì)算，其中最容易忽略的是筒體薄殼穩(wěn)定性的校核計(jì)算。薄殼穩(wěn)定性的校核，其核心內(nèi)容是指設(shè)備在抬吊時(shí)，殼體縱向彎曲應(yīng)力是否大于殼體許用軸向壓應(yīng)力的極限值，若大于許用極限值，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備殼體發(fā)生不可逆的變形。為避免發(fā)生這一問題，需對(duì)C5裝置的18 臺(tái)薄壁塔器全部進(jìn)行薄殼穩(wěn)定性的校核計(jì)算，并對(duì)那些薄殼穩(wěn)定性不滿足要求的塔器提出解決方案。

1 技術(shù)難點(diǎn)分析

C5分離裝置共有16 臺(tái)薄壁類塔器，其長度均超過57000mm，且直徑均不大于4000mm（表1）。由于設(shè)備主吊耳均采用了側(cè)壁板式吊耳（頂封頭處），溜尾采用尾板式吊耳（裙座基礎(chǔ)環(huán)處），導(dǎo)致設(shè)備在水平起吊時(shí)，塔體中段筒節(jié)將承受較大彎矩。為防止出現(xiàn)不可逆的變形，對(duì)其殼體的薄殼穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算。

表1 C5 分離裝置薄壁類塔器參數(shù)

校核穩(wěn)定性首先需計(jì)算出各筒節(jié)的彎矩。由于各筒節(jié)的重量是由此段筒節(jié)凈重、內(nèi)部預(yù)焊件重量、梯子平臺(tái)重量、保溫及鋁皮重量、附塔管線重量組成，故采用均值法計(jì)算出各段均布載荷。計(jì)算公式見式（1）。

式中：G——筒節(jié)總重量，t；

g1——筒節(jié)凈重量，t；

g2——筒節(jié)內(nèi)部預(yù)焊件重量，t；

g3——筒節(jié)梯子平臺(tái)重量，t；

g4——筒節(jié)保溫及鋁皮重量，t；

g5——筒節(jié)附塔管線重量，t。

均布載荷（q）計(jì)算式見式（2）。

式中：q——均布載荷，N/ mm；

L——筒節(jié)長度，mm。

計(jì)算出各筒節(jié)均布載荷后，利用MDsolids3.5 軟件計(jì)算出各筒節(jié)的彎矩（也可通過公式計(jì)算）。圖1 為各筒節(jié)的最大彎矩。

圖1 各筒節(jié)最大彎矩

通過最大彎矩M，計(jì)算出各筒節(jié)上的縱向彎曲應(yīng)力（σb），見式（3）。

式中：Di——筒節(jié)內(nèi)徑，mm；

M——筒體最大彎矩，N·mm；

σb——縱向彎曲應(yīng)力，MPa；

σ——筒節(jié)名義厚度減去材料厚度偏差，mm。

查閱GB/ T150.3《壓力容器第3 部分：設(shè)計(jì)》中對(duì)應(yīng)外壓圓筒應(yīng)力系數(shù)曲線圖。若A 值落在常溫下金屬材料線的右方，則過此點(diǎn)垂直上移，與常溫下金屬材料線相交（中間溫度用線性內(nèi)插法），再過此交點(diǎn)水平方向右移，得到B 值；若系數(shù)A 落在常溫下金屬溫度線的左方，則按式（4）計(jì)算B 值。

式中：E——材料的彈性模量，MPa；

σ——筒節(jié)厚度，mm。

殼體許用軸向壓應(yīng)力：［σ］cr=min｛B，［σ］｝穩(wěn)定性校核：σb≤［σ］cr

則穩(wěn)定性滿足要求。

根據(jù)此計(jì)算過程，分別對(duì)C5裝置16 臺(tái)薄壁塔的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，有6 臺(tái)塔穩(wěn)定型不滿足要求，分別為異戊二烯萃取精餾塔A、異戊二烯萃取精餾塔B 和脫重組分塔A。

2 解決辦法

計(jì)算得到異戊二烯萃取精餾塔A 的16mm 筒節(jié)段縱向彎曲應(yīng)力σb=126.42MPa,［σ］cr=MPa。由于該段的彎矩呈線性遞減，最大彎矩處是在與壁厚20mm 筒節(jié)的連接處。故要保證筒節(jié)在吊裝時(shí)不發(fā)生變形，需通過各種辦法減少此部分的彎曲應(yīng)力，或增加此部分的許用軸向壓應(yīng)力。可實(shí)施的辦法有以下幾種：

（1）調(diào)整主吊耳和溜尾吊耳的位置，將主吊耳下移或溜尾吊耳上移；

（2）增加此段筒節(jié)的壁厚，使其慣性矩增大，從而使殼體的許用軸向壓應(yīng)力增大，通常采用換板或貼板的方法；

（3）對(duì)此段筒節(jié)進(jìn)行加固，在筒體內(nèi)外側(cè)設(shè)置加強(qiáng)圈或加強(qiáng)筋板，以增大殼體的許用軸向壓應(yīng)力。

該塔的直徑為3400mm，長度70900mm，吊裝重量208.t，若使用管軸式吊耳，則需將主吊耳處筒節(jié)進(jìn)行加厚，成本最少增加50 萬元。再結(jié)合設(shè)備的實(shí)際制造進(jìn)度，塔體各筒節(jié)已基本完成焊接，SP- 13- 200- 40 和APB- 9- 200 型吊耳也已制造完成（待焊接），最終選擇貼板的方式來解決筒節(jié)薄殼穩(wěn)定性不滿足的問題。即在16mm 厚筒節(jié)段最大彎矩處貼焊一塊長度4000mm、厚度10mm 的Q345R 鋼板，貼焊方式如圖2所示。

圖2 異戊二烯萃取精餾塔A 筒體加強(qiáng)處補(bǔ)強(qiáng)圈示意圖

制造廠根據(jù)我方提供的補(bǔ)強(qiáng)圈示意圖圖進(jìn)行了排版，最終確定貼焊方案如圖3 所示。

圖3 異戊二烯萃取精餾塔A 筒體加強(qiáng)貼焊方案

同時(shí)，重新對(duì)貼焊后的此段筒節(jié)再進(jìn)行校核計(jì)算，結(jié)果見圖4。

圖4 貼焊后筒節(jié)校核結(jié)果

對(duì)筒體局部進(jìn)行了貼板補(bǔ)強(qiáng)（貼板厚度為10mm），貼板在計(jì)算時(shí)按其厚度的一半（5mm）進(jìn)行計(jì)算， 補(bǔ) 強(qiáng) 后 該 段 筒 節(jié) Di=3400mm、δ=21mm。L=4000mm 筒體段強(qiáng)度校核計(jì)算如下：

可見，水平吊裝時(shí)，該段筒節(jié)薄殼穩(wěn)定性滿足要求。

利用同樣方法也解決了異戊二烯萃取精餾塔B、脫重組分塔A 這4 臺(tái)塔的薄殼穩(wěn)定性不滿足要求的問題，最終6 臺(tái)設(shè)備均安全完成吊裝（圖5），驗(yàn)證了此計(jì)算及解決方法的有效性。

3 結(jié)語

近年來，一方面隨著國內(nèi)重點(diǎn)大型石化裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，裝置核心塔器的高度越來越高，高度在70000mm 以上的塔器已屢見不鮮；另一方面，越來越多的石化項(xiàng)目均將大型設(shè)備的吊裝吊耳歸口給吊裝單位進(jìn)行設(shè)計(jì)。這就要求吊裝單位在吊耳設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)設(shè)備吊裝過程中每一狀態(tài)下的塔體各項(xiàng)穩(wěn)定性（如撓度、強(qiáng)度等）進(jìn)行分析計(jì)算。而薄殼穩(wěn)定性的校核計(jì)算常常是最容易忽略的一項(xiàng)。本文主要闡述了大型薄壁類塔器在吊耳設(shè)計(jì)時(shí)薄殼穩(wěn)定性校核的一種方法，及穩(wěn)定性不滿足要求時(shí)的解決方案，旨在為公司今后此類問題提供參考。