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1、1二氧化碳捕集纯化工程中再生塔运输和吊装的补强措施仿真研究舒兴海（胜利油田胜利建设监理有限公司 山东东营 257000）摘要摘要：二氧化碳捕集纯化工程中再生塔属于大型薄壳设备，具有运输、吊装困难、易变形等特点。本文从塔体开孔的方位、焊接角钢加强筋、薄壳失稳破坏等因素，采用 ANSYS 有限元软件对再生塔进行模拟分析。开口向侧下时，危险截面的位移和应力较小。沿筒身长度方向焊接 6 根等边角钢加强筋，在筒身中间位置焊接间距为 5 米的环向角钢加强筋，能够有效减小危险截面的最大位移和应力值，同时开口处应力集中值明显减小，有效防止了再生塔的失稳破坏。关键词关键词：再生塔 吊装 ANSYS 失稳破坏再生
2、塔是胜利发电厂烟气 CO2捕集纯化工程三座大型塔设备之一，其壁厚最薄。为了加快建设施工速度、保证施工质量，再生塔塔采用在预制厂整体预制，然后进行整体运输吊装和安装的施工方案。因此如何采取补强措施，防止再生塔在运输和吊装过程中出现扭曲和变形，是本工程的主要施工难点之一。本文主要针对这一难点，采用 ANSYS 有限元软件对再生塔进行模拟分析研究。以下是再生塔的工艺参数：再生塔 塔盘填料符合塔，外形尺寸：直径 2200mm，高度 31200mm 材质:06Cr19Ni10。壁厚 8mm，总重量 23.4 吨。1 理论计算将再生塔简化为一简支梁。对简化模型进行力学计算，根据工程力学知识可知塔的危险点在
3、塔身中部。并能得出最大弯矩和挠度值。表表 1-1 弯矩值和挠度值弯矩值和挠度值装置Mmax(Nm)挠度（mm）再生塔627972.46.2522 壳体的稳定性考虑到再生塔属于薄壳设备，因此，需要进行壳体的稳定性分析。再生塔在自重作用下的问题可以简化为如下图 2-1 所示的简支薄壁圆筒受均布压力作用的问题。MM图图 2-1 薄壁圆筒计算简图薄壁圆筒计算简图 图图 2-2 失稳破坏时简化图失稳破坏时简化图 在自重作用下，薄壁圆筒上侧受压，下侧受拉，薄壳圆筒产生弯曲变形如图 2-2。筒体可能会发生失稳破坏。对危险段进行分析，可简化为下图 2-3 所示问题。图图 2-3 危险段受力图危险段受力图在拉应
4、力作用下薄壁圆筒不会发生失稳破坏，因此，取受压的上侧进行轴向失稳分析。分析过程略，结果如表 2-1表表 2-1 失稳临界应力计算结果失稳临界应力计算结果设备径厚比临界径厚比临界应力 (MPa)失稳临界应力 （MPa） （失稳 安全系数 3）失稳临界应力 （MPa） （失 稳安全系数 3.5）再生塔138591344.2114.798.33 3 再生塔有限元分析再生塔有限元分析3.13.1 静力分析静力分析为了模拟此构件在吊装过程中的变形及应力，使用有限元软件进行分析计算。计算模型及载荷约束条件单元类型单元类型3对结构进行分析时，选择壳单元 shell43。载荷及约束条件载荷及约束条件在起吊过程
5、中只受重力作用。整个模型简化为在重力作用下的简支梁模型。模型的建立及网格划分模型的建立及网格划分对模型进行简化，利用 ANSYS 中的建模功能建立模型。考虑到塔身筒壁上开有孔，这些部位会产生应力集中的现象，因此，对这种部位在网格划分时进行特殊处理，如图 3-1：图图 3-1 筒壁网格图筒壁网格图（1） 开口向侧下时的模拟计算由于在再生塔的筒壁上开有很多孔，所以吊装时应考虑开孔位于上侧和下侧时对再生塔的影响。设定再生塔中的开孔位于侧下，ANSYS 分析位移云图如图 3-2。4图图 3-2 总位移图总位移图由图 3-2 可知，在重力作用下，筒身中间位置的总位移变形最大，向两端逐渐减小。位移最大值为
6、 6.91mm。由于筒壁开孔和吊耳位置会发生应力集中，因此不重点研究此段的应力大小。在计算时，可简化为简支梁模型，其危险处在筒身的中间位置。因此对应力的研究只取其危险段分析。应力见图 3-3。图图3-3 危险截面处危险截面处 mises 应力图应力图由应力图中可知，筒体的应力在上下两侧较大，在左右两侧应力值较小。5在上下两侧应力值沿轴向向两端逐渐减小。在左右两侧应力值沿轴向向两端逐渐增大。应力沿环向呈从侧面开始先增大后减小，再增大再减小的趋势。由图可得此种情况下的危险段最大应力和最大位移。表表 3-1 危险段最大位移与应力值危险段最大位移与应力值 开口向侧下位移（mm）应力（MPa） 最大值6
7、.9174.3（2）开口向侧上时的模拟计算再生塔中的开孔位于侧上时，ANSYS 分析的位移和应力云图趋势同开口向侧上时，在此仅列出其危险段最大位移和应力值，云图略。见表 3-2 所示。表表 3-2 危险截面处最大位移与应力值危险截面处最大位移与应力值 开口向侧上位移（mm）应力（MPa） 最大值6.9578.9比较开孔位于侧上和侧下两种情况对再生塔的影响，表 3-1 与表 3-2 的结果显示，开孔位于侧上时，位移与应力都较大。因此，考虑起吊过程中筒身的安全起吊时应选择开孔位于侧下位置。表 3-3 给出了两种开口情况下和理想情况下得出的位移和应力最大值。表表 3-3 不同吊装方式时危险截面处最大
8、位移与应力值对比不同吊装方式时危险截面处最大位移与应力值对比 状态最大位移（mm）最大应力（MPa） 开口向侧下6.9174.3 开口向侧上6.9578.9 理论值6.2522.69由上表可知，模拟计算值要大于理论值。主要原因是由于筒壁上开孔及吊耳对筒体的影响。（3）角钢加强筋保护下的模拟计算沿筒身长度方向焊接等边角钢加强筋，平均分布在筒身圆周，共 6 根；在筒身中间位置焊接环向角钢加强筋 5 根，计算角钢加强筋间距分别为 2 米、3米和 5 米(角钢加强筋焊接范围分别为 8 米、12 米、20 米)情况下的位移变形与应力变化。6环向角钢加强筋距离为 2 米时，角钢加强筋焊接范围为 8 米时，
9、危险段位移与应力云图如下：图图 3-4 危险段位移图危险段位移图图图 3-5 危险段危险段 mises 应力图应力图角钢加强筋间距分别为 3 米和 5 米情况下的位移变形与应力变化云图趋势如 3-4 和 3-5，在此略。三种情况下危险截面最大位移和应力值如表 3-4，并和无角钢加强筋（开口向侧下时）进行对比： 7表表 3-4 有无角钢加强筋对危险截面处最大位移与应力值对比有无角钢加强筋对危险截面处最大位移与应力值对比 装置静状态下分布范围 （m）最大位移 （mm）最大应力（MPa）有角钢加强筋 间距 1.5m85.7555.4 间距 3m125.3549.5 间距 5m204.2144.3 无
10、角钢加强筋 开口向侧下6.9174.3比较以上三种情况可知，当角钢加强筋间距为 5 米，即角钢加强筋分布范围为 20 米时，危险截面处的位移值最小。位移值为 4.21mm，与没有焊接角钢加强筋的情况相比(位移为 6.91mm)，位移明显减小，应力也有所减小。3.2 动力分析（1）无加固措施起吊过程的模拟筒体吊装过程是一个动态过程，为了能更好的模拟容器的起吊过程。通过查阅相关工程起重技术规范（SH/T3536 石油化工工程起重技术规范，SH/T 3515-2003 大型设备吊装工程施工工艺标准） ，选取偏于安全的动载系数 2.5，对起吊过程进行模拟计算。由 ANSYS 得出的位移云图和 Mise
11、s 应力云图得到的危险截面处的最大应力为 92.8MPa，最大位移为 13.55mm。可知起吊过程中，危险截面处的位移变形与应力明显变大，挠度达到13.55mm，变形太大，为了保证起吊过程中筒身的安全，需要加固筒体。因此，在此对筒身周围焊接角钢加强筋的情况来进行模拟计算。（2）角钢加强筋保护下起吊过程的模拟取角钢加强筋间距为 5 米时，对起吊过程进行模拟计算。筒体模拟结果筒体模拟结果由 ANSYS 分析云图得到有角钢加强筋状态下起吊过程中危险截面处的最大 Mises 应力为 72.0 MPa，最大位移为 9.27mm。对比有、无角钢加强筋状态下的起吊过程，见表 3-5。8表表 3-5 起吊时有
12、无角钢加强筋危险截面处最大位移与应力值起吊时有无角钢加强筋危险截面处最大位移与应力值 起吊状态最大位移（mm）最大应力（MPa） 无角钢加强筋13.5592.8 有角钢加强筋（间距 5m）9.2772.0由上表可知，在起吊状态，加角钢加强筋能有效减小最大位移，以及筒体危险截面处的应力值。吊耳分析吊耳分析吊耳处 Mises 应力云图见图 3-6：图图 3-6 吊耳处吊耳处 Mises 应力图应力图由图 3-6 中可知，吊耳处的最大应力为 100MPa，而材料的屈服应力为205MPa，即，在起吊过程中，吊耳处的最大 Mises 应力小于材料的屈服应力，满足强度要求。在保证焊接质量的前提下，吊耳处是
13、满足要求的。失稳分析失稳分析由于再生塔属于薄壳结构，而且其筒身处存在许多开孔，所以在运输或者吊装过程等动载荷情况下需考虑其失稳破坏。下面分别给出无角钢加强筋和有角钢加强筋时的 Mises 应力云图：9图图 3-7 无角钢加强筋时圆孔处无角钢加强筋时圆孔处 Mises 应力图应力图图图 3-8 有角钢加强筋处圆孔有角钢加强筋处圆孔 Mises 应力图应力图由图 3-7、3-8 中得起吊时无、有角钢加强筋时截面最大位移和应力值，如10表 3-6。表表 3-6 起吊时有、无角钢加强筋危险截面处最大位移与应力值起吊时有、无角钢加强筋危险截面处最大位移与应力值起吊状态无角钢加强 筋有角钢加强筋 （间距
14、3m）减小百分比最大位移值（mm）13.559.2731.56% 危险截面应力值（MPa）92.872.022.41% 圆孔应力集中处应力值 （MPa）195.097.350.1%失稳临界应力（MPa）98.3（失稳安全系数 3.5）由表 3-6 可知，加角钢加强筋保护后圆孔处的应力集中值明显减小，可以有效防止再生塔的失稳破坏。4 4 结论结论1. 在自重作用下，筒壁上下两侧应力最大，左右两侧应力较小，如果条件允许应将筒身开口调至筒身两面侧，或侧面偏下。2. 不加角钢加强筋保护时，在动载荷下，即运输和吊装过程中，变形值较大，由于圆孔附近的应力集中，会在圆孔位置发生局部失稳。3. 加角钢加强筋保
15、护后，在动载荷下，变形值明显减小，减小 30.5%左右。筒身处危险截面处的应力值减小了 22.41%左右。在圆孔处应力值减小较明显，减小了 50.1%左右。4. 在起吊过程中，吊耳处的最大 Mises 应力小于材料的屈服应力，在保证焊接质量的前提下，吊耳处是满足要求的。5. 起吊状态下临界失稳应力见下表：表表 4-1 临界失稳应力计算结果（单位：临界失稳应力计算结果（单位：MPa）起吊状态最大工作应力值临界失稳应力（MPa）设备径厚比临界径厚 比无加强筋有加强筋安全系数 3安全系数 3.5再生塔13859119597.3116.598.3壳壁稳定条件控制塔体的整个起吊过程。经过加强筋补强后，满
16、足吊装要求。11参考文献参考文献1 S.铁摩辛柯,J.盖尔著，汪一麟译，材料力学，科学出版社，1978 年.2 SH3515-2003 大型设备吊装工程施工工艺标准.3 HGT-21574-2008 中华人民共和国行业标准,化工设备吊耳及工程技术要求.2008.4 HG-T21519-2005 中华人民共和国行业标准,钢制人孔和手孔.2006.5 王新敏著. ANSYS 工程结构数值分析.北京.人民交通出版社.2007.10.6 GB713-2008.钢制压力容器新标准.7 张万福.耦合冲击载荷下圆柱壳的动态屈曲研究.大连理工大学硕士论文.20098 彭凡.黏弹性层合板壳蠕变屈曲的持久临界荷载.20089 陈盛秒.薄壁外压容器设计的图算法与解析公式法.石油化工设备.20090110 钱基宏.薄壳失稳机理浅析. 计算力学学报.200306.11 陈兴华;轴压圆柱壳结构稳定性数值分析与优化D;北京工业大学;2009.
