焦炭塔設備模態及地震載荷動力響應分析

丁振興，蘇 健，蔣嚴波，吳家勇，何思儀，于夢茹

(1.廣西上善若水發展有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西北投環保水務集團有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

焦炭塔是焦炭化工藝中的核心設備，同時也是壓力容器中使用環境最惡劣的設備之一，其工作過程非常復雜，一個完整的工作周期中需要反復冷卻和反復加熱，載荷和溫度反復變化[1,2]。同時，焦炭塔作為一種大型、露天放置的直立設備，受到自重、內壓、介質重量、地震載荷等多種載荷作用，對設備的強度影響較大。在以前的多次地震災害事故中，都有焦炭塔受到破壞的例子，因此，本文首先對焦炭塔結構進行計算振動特性的模態分析，在模態分析的基礎上進行地震載荷動力學分析，這對于設備的精確分析以及安全運行是十分必要的[3]。

1 建立焦炭塔設備有限元分析模型

焦炭塔設備參數如表1所示。

表1 焦炭塔設備參數

根據表1中焦炭塔設備結構參數可知，設備厚度遠小于直徑，故可將該類問題視為板殼類問題進行分析[4]。在建立有限元模型時，殼體采用ANSYS四節點Shell63單元類型，焦炭采用Solid45單元，可在簡化模型的同時滿足精度要求。在建立模型時，先建立設備的關鍵點，通過關鍵點得到塔壁線，再通過旋轉生成塔的幾何模型，然后指定線的劃分數量，將塔模型轉換為有限元分析模型。用ANSYS分析計算時，將基礎視為剛體，將與基礎相連的裙支座單元的x、y、z三個自由度進行全部約束。建立的焦炭塔有限元網格模型及約束模型分別如圖1、圖2所示。

圖1 焦炭塔有限元網格模型 圖2 焦炭塔添加約束模型

2 模態分析

對建立的焦炭塔模型進行網格劃分以及施加約束后，加載求解，此處提取10階模態，模態提取命令如下[5，6]：

/POST1

FILE,'E411','RST !讀入結果文件

SET,LIST !列出各階頻率

SET,1,1 !讀取第1階振型

PLDI !顯示第1階變形

ANMODE,10,0.5,,0 !制作第1階動畫

焦炭塔設備模態振型可通過上面類似命令進行提取，提取的各階振型如圖3～圖5所示。從圖3～圖5中可知，焦炭塔的第1、3、7階模態頻率分別為5.15 Hz、19.21 Hz、33.56 Hz。焦炭塔設備各階模態頻率如圖6所示。

圖3 焦炭塔的第1階振型 圖4 焦炭塔的第3階振型 圖5 焦炭塔的第7階振型

圖6 焦炭塔設備各階模態頻率

3 地震載荷分析

焦炭塔屬于直立設備，其受力類似基礎上的懸臂梁，當地震發生時存在水平和垂直方向的加速度；地震的水平加速度給塔施加水平方向載荷，從而使塔設備產生很大的彎矩，引起振動[7，8]。

查閱相關資料，分析采用的地震波為某市地震波記錄，取其垂直方向和南北方向的記錄，記錄時間19 s，時間間隔0.01 s。從記錄數據中每隔0.1 s取一個值，共計190個。通過ANSYS軟件讀入地震數據，進行加載求解，部分加載求解命令如下：

*DO,T,1,190,1!循環讀入地震數據并求解

TIME,0.1*T !設置時間步

KBC,0!指定載荷為遞增載荷

NSUB,1!設定子步數為1

ALPHAD,0.05 !設定質量阻尼ALPHA為0.05

BETAD,0.01 !設定剛度阻尼BETA為0.01

NSEL,S,LOC,Y,OUTLET_H-QUN_H

ACEL,TJX(2,T),TJY(2,T)!設定X、Y方向加速度

ALLS !選中所有元素

SOLVE !求解

圖7、圖8分別為地震載荷作用下焦炭塔的整體結構合位移云圖和等效應力云圖。從圖7可知，焦炭塔的整體結構位移最大值為0.764 mm，在許可范圍內。從圖8可以看出，在地震載荷作用下，最大應力為2.68 MPa，發生在焦炭塔設備底部支座部分，這與實際情況是相符合的，因為支座處是主要的受力部位，該處應力小于材料的許用應力，符合要求。

圖7 地震載荷作用下焦炭塔的整體結構合位移云圖

圖9、圖10分別為焦炭的合位移云圖及等效應力云圖。從圖9可知，焦炭的最大位移為0.501 mm，發生在焦炭頂部位置。從圖10中可知，焦炭的最大應力為0.006 MPa，符合要求。

圖8 焦炭塔的整體結構等效應力云圖 圖9 焦炭的合位移云圖 圖10 焦炭的等效應力云圖

進行完受力分析后，采用ANSYS軟件對焦炭塔設備頂部、中間、下部節點進行位移時間歷程后處理，從而考察設備整體結構在地震載荷過程中的響應。圖11、圖12分別為設備不同節點的X向位移、速度曲線圖。從圖11中可知:設備上、中、下節點X向最大位移分別為2.3 mm、1.0 mm和0 mm，符合設計要求；下節點位移非常小，這是由于下部節點進行了全自由度約束。從圖12可知，設備不同節點X向最大速度分別為18 mm/s、8 mm/s和0 mm/s，符合設計要求。

圖13、圖14分別為塔頂節點Y向位移和速度隨時間變化曲線圖。從圖13和圖14中可知，塔頂節點Y向最大位移為0.2 mm，最大速度為1.7 mm/s，符合設計要求。

圖11 焦炭塔不同位置節點X向位移曲線 圖12焦炭塔不同位置節點X向速度曲線 圖13 塔頂節點Y向位移隨時間變化曲線

4 結論

利用ANSYS有限元分析軟件對焦炭塔設備進行了模型建立、網格劃分、模態分析，通過加載求解分析，得到焦炭塔設備的合位移云圖、等效應力云圖、位移隨時間變化歷程曲線圖等精確的分析數據，為焦炭塔的精確設計分析提供了新的設計思路。通過分析相關數據可知，設備在地震載荷作用下的位移和應力都在規范和許用范圍內，符合設計要求。

圖14 塔頂節點Y向速度隨時間變化曲線