造粒裝置撬座的結構設計及強度計算

譚 歡 鄭維師 李伍彥

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安 710018）

造粒指對粉狀、塊狀、溶液等不同狀態的物料進行加工，獲得特定形狀和尺寸的固態顆粒的技術[1-3]。目前，造粒裝置已廣泛應用于醫藥、化工、化肥等工業生產[4]。為了使造粒裝置的結構更加緊湊，節約施工空間，可將造粒裝置合理地安裝在撬座上。

撬座具有便于運輸和拆裝等優點[5]。當造粒裝置處于起吊狀態時，其撬座承受著較大的載荷，如果撬座的強度不符合要求，其可能會在起吊過程中產生變形、破裂或失效，從而導致安全事故。分析造粒裝置撬座的強度，不僅可以確定該撬座在承受實際壓力時的承載能力，確保設備的高可靠性和長使用壽命，還可以根據分析結果，優化撬座應力和變形最大處的結構，進一步提升造粒裝置撬座的可靠性。

1 撬座的總體結構設計及材料選型

以壓裂暫堵劑生產設備為例，支架總體結構及各部分所使用的鋼材如圖1 所示，該支架由200 mm×8 mm×12 mm 的H 型鋼、76 mm×76 mm×6 mm 方鋼和100 mm×73 mm×6 mm 槽鋼3 種鋼焊接而成。在工作狀態時，起支撐作用的是10 個支柱以及下撬裝。在起吊工況時，整個撬裝都起支撐作用。支架的總長度為8 200 mm，總寬度為3 593 mm，總高度為2 751 mm。

圖1 支架總體結構及組成

2 有限元強度計算

隨著有限元技術的快速發展和計算機硬件技術的不斷進步，有限元技術廣泛應用于各種支架結構的設計分析[6-8]。在ANSYS 參數化設計語言（ANSYS Parametric Design Language，APDL）中分析撬座結構，流程如圖2 所示。

圖2 計算流程圖

2.1 建立幾何模型

使用自上而下的方式建立簡化線體模型，簡化后的線體模型如圖3 所示。

圖3 支架有限元模型

2.2 定義截面尺寸

造粒裝置撬座由矩形鋼、方鋼、槽鋼3 種鋼材焊接而成。根據實際情況，賦予不同線體不同的截面尺寸。具體的截面尺寸如圖4 所示。

圖4 截面尺寸（單位：m）

2.3 設置材料屬性

造粒裝置的撬座材料為Q235，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg·m-3，屈服極限為235 MPa，其中安全系數取1.5，計算得到材料的許用應力為156.7 MPa。分析單元類型選用兩節點BEAM188 單元。該單元基于Timoshenko 理論，計入剪切效應和大變形效應的線性有限應變梁，適用于分析從細長到中等短粗的梁結構[9]。

2.4 劃分網格

將材料屬性和截面尺寸賦予線體模型后，對線體模型進行網格劃分。本次計算采用設置單元的大小的網格劃分方法，將每個線體模型的單元大小設置為10 mm，劃分結果如圖5 所示。

圖5 網格劃分結果

2.5 施加邊界條件以及載荷

撬座一般有兩種狀態：地面工作狀態和起吊狀態。在起吊狀態下，受各撬裝設備重力的作用，撬座受彎矩較大，為危險工況，因此對撬座進行起吊狀態下的有限元分析。裝備支架一般通過4 個吊軸起吊，因此將4 個吊軸的3 個移動自由度和3 個旋轉自由度全部約束，約束位置如圖6 所示。在保證工作狀態載荷的情況下，在下撬裝上安放離心脫水機、一體式冷水機、鏈板提升機、離心機水箱、冷卻水箱支架、導熱油爐、循環水箱、加熱油箱、加熱油泵及管道離心泵等設備，各設備質量如表1 所示，具體載荷添加位置如圖7所示。其中，為K500 反應釜受力點；為K200 反應釜受力點；為離心脫水機受力點；為水泵受力點；為板鏈提升機受力點；為一體化冷水機受力點。為離心泵受力點；為導熱油爐受力點；為循環水箱受力點；為電控柜受力點；為熱油泵受力點；為高位油箱受點；為加熱油箱受力點。

表1 設備質量 單位：kg

圖6 邊界條件

2.6 計算結果

起吊狀態下對應的應力云圖如圖8 所示，最大應力為102 MPa，對應的變形云圖如圖9 所示，最大變形為18.2 mm。起吊狀態下的最大應力小于Q235 材料的許用應力156.7 MPa，設備支架滿足強度要求。支架最大變形18.2 mm 相對于支架總體尺寸為小變形，符合設計要求。

圖8 應力云圖

圖9 位移云圖

3 撬座改進方案

有限元分析結果顯示，在工作狀態下，造粒裝置撬座的強度和可靠性均符合要求，但為進一步提高造粒裝置撬座的強度水平，應優化應力最大處和位移最大處的結構。撬座應力最大處位于二層的邊角，位移最大處位于上層左上角，常見的結構優化方法如下。第一，更換結構強度更高的材料制造撬座，提高整體的承載能力。第二，添加筋板、優化筋板布置、添加腳支撐等，局部增強撬座的承載能力。第三，優化結構鋼的熱處理工藝等，改善結構材質的綜合力學性能[10]。

綜合改進方案、實際情況及改進工作的難易程度，可選用優化撬座結構的方法進行優化設計。具體的優化方式為在位移最大處添加腳支撐，在應力最大處添加筋板或調整上層邊角處筋板的安放位置增加整體撬座的強度和可靠性。

4 結語

在APDL 中用命令流的方式對裝置撬座進行有限元分析，最終得出應力分布及變形情況表明造粒裝置在工作狀態時該設備最大應力為102 MPa，最大變形量為18.2 mm，最大應力小于Q235 材料的許用應力156.7 MPa，最大變形量對于撬座自身尺寸屬于小變形。裝置撬座滿足滿載時的工作強度，可靠性良好。

根據有限元分析結果顯示的應力及位移分布，提出對應的優化方案以提高裝置撬座的可靠性，延長其使用壽命。