黃文霞

（中國石油大學(xué)（華東）)

填料塔支承圈及柵板校核有限元分析

黃文霞*

（中國石油大學(xué)（華東）)

應(yīng)用有限元軟件ANSYS建立某填料塔器支承圈及柵板的力學(xué)模型，計算分析了支承圈和柵板的強(qiáng)度、剛度并進(jìn)行了柵板屈曲分析，得到了支承圈及柵板在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和位移分布規(guī)律及屈曲臨界載荷。分析表明，柵板及支承圈不會發(fā)生強(qiáng)度和剛度失效。但從長期使用考慮，應(yīng)對柵板進(jìn)行適當(dāng)加固。支承圈采用矩形截面結(jié)構(gòu)并不合理。

柵板 支承圈 填料塔 有限元 力學(xué)模型 載荷 強(qiáng)度

某煉油廠車間擴(kuò)量改造時新增一填料塔，塔內(nèi)徑為2000 mm，塔內(nèi)填料支承圈材質(zhì)為普通碳鋼，結(jié)構(gòu)簡單，塔內(nèi)部填料及柵板質(zhì)量約為 8000 kg，填料由柵板支承。為了保證設(shè)備長期穩(wěn)定運行，避免塔內(nèi)填料脫落，本文對支承圈及填料支承柵板應(yīng)用ANSYS進(jìn)行了有限元分析，可為工程應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1 支承圈有限元分析

1.1 有限元模型[1]

由于支承圈和塔器為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以建立軸對稱模型進(jìn)行分析。支承圈與筒體滿焊連接，連接部位設(shè)置半徑為2 mm的倒角。支承圈與塔器筒體的幾何尺寸及材料參數(shù)見表1，其模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.2 邊界條件與載荷

塔器筒體上下端面限制其軸向位移，力學(xué)模型可簡化成懸臂梁。在支承圈上表面施加?xùn)虐鍖ζ涞淖饔脡毫龋?/p>

表1 幾何尺寸及材料參數(shù)

圖1 支承圈與塔器筒體網(wǎng)格劃分

1.3 強(qiáng)度分析

支承圈承受柵板及填料的質(zhì)量較大，為了避免填料脫落，必須保證其有足夠的強(qiáng)度。

計算得到的支承圈與塔壁處的徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、軸向切應(yīng)力以及mises應(yīng)力強(qiáng)度云圖分別如圖2～圖5所示。支承圈在柵板及填料壓力作用下，在支承圈的焊接根部上下表面的徑向應(yīng)力存在最大值，分別為33.4 MPa和-33.2 MPa；在支承圈與塔壁的焊接部位上下表面的軸向應(yīng)力存在最大值，分別為15.9 MPa和-15.8 MPa。同樣，在支承圈與塔壁的焊接部位上下表面的切向應(yīng)力存在最大值，為15.2 MPa。在支承圈與塔壁的焊接部位并靠近支承圈附近上下表面區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度存在最大值，其值為29.8 MPa。

圖2 支承圈與塔器徑向應(yīng)力 （SX）

圖3 支承圈與塔器軸向應(yīng)力 （SY）

圖4 支承圈與塔器切應(yīng)力 （SXY）

圖5 支承圈與塔器mises應(yīng)力強(qiáng)度 （SEQV）

圖6支承圈上表面應(yīng)力強(qiáng)度及應(yīng)力分量沿半徑方向變化圖

圖6 為支承圈上表面應(yīng)力強(qiáng)度及應(yīng)力分量沿半徑方向變化圖，其中深色線 （紅線）為徑向應(yīng)力分量，淺色線 （淺蘭線）為應(yīng)力強(qiáng)度。顯然，在應(yīng)力強(qiáng)度中占主導(dǎo)地位的是支承圈表面徑向應(yīng)力分量，但應(yīng)力總體水平較低，最大值僅為33.4 MPa。這說明支承圈不會發(fā)生強(qiáng)度失效。

由于支承圈為矩形截面的環(huán)板，與筒體焊接為一體，焊縫處為危險截面，在最大應(yīng)力作用下，容易出現(xiàn)強(qiáng)度破壞。尤其在腐蝕環(huán)境下，更容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破壞。因此從結(jié)構(gòu)上看，采用矩形截面的環(huán)板并不合理。但一味保證強(qiáng)度又會造成材料浪費，建議優(yōu)選梯形截面。

1.4 剛度分析

在保證強(qiáng)度的前提下，需要校核支承圈剛度，避免支承圈變形過大導(dǎo)致柵板脫落。

支承圈在柵板及填料壓力作用下，支承圈的徑向變形、軸向變形以及絕對變形云圖如圖7～圖9所示。支承圈內(nèi)徑自由端的軸向位移存在最大值為0.019 8 mm。

圖7 支承圈的徑向變形 （UX）

圖8 支承圈的軸向變形 （UY）

圖10 為支承圈上表面徑向位移、軸向位移和絕對位移沿半徑方向變化圖。顯然，在支承圈內(nèi)徑的自由端各位移分量及絕對位移存在最大值，軸向位移最大值為 0.019 8 mm，絕對位移最大值為0.019 9 mm。

圖9 支承圈的絕對變形 （USUM）

圖10 支承圈上表面徑向位移、軸向位移和絕對位移沿半徑方向變化圖

2 柵板有限元分析

2.1 有限元模型

柵板幾何尺寸及材料參數(shù)見表2。柵板整體由五塊組成。其中，中間塊長度最大，由 20根40 mm×6 mm的柵板條，通過40 mm×6 mm的邊梁焊接成一體。由于該塊柵板搭在支承圈上，所以將柵板條簡化為兩端簡支梁，建立有限元計算模型。

表2 柵板幾何尺寸及材料參數(shù)

2.2 強(qiáng)度和剛度分析

根據(jù)簡支梁受均布載荷的力學(xué)模型，對柵板的內(nèi)力和變形計算如下。

柵板單位長度壓力分布集度：

慣性矩：Iz＝3.2×10-8m4

柵板橫截面面積：A＝2.4×10-4m2

抗彎截面系數(shù)：Wz＝1.6×10-6m3

最大彎矩：Mmax＝ql2/8＝540×1.9962/8＝269 N·m

柵板最大撓度：

柵板的內(nèi)應(yīng)力和變形有限元計算如圖11～圖14所示。

圖11 截面彎曲正應(yīng)力

圖12 截面mises相當(dāng)應(yīng)力

圖13 截面軸線方向位移

圖14 截面撓度

通過以上對柵板條簡支條件下的強(qiáng)度和剛度分析，理論計算結(jié)果與有限元計算基本吻合。

柵板最大撓度:

最大彎曲正應(yīng)力:

滿足強(qiáng)度要求。

由計算結(jié)果可知，柵板中間部位的應(yīng)力和撓度最大。

2.3 屈曲分析

柵板兩端簡支條件下屈曲安全系數(shù)及其臨界載荷如表3所示。柵板發(fā)生一階彈性屈曲時，兩端簡支柵板的安全系數(shù)為1.759 5。

表3 屈曲安全系數(shù)及其臨界載荷

圖15 柵板的一階屈曲變形圖

圖15 ～圖18為柵板不同階次屈曲變形圖。從圖中可以看出，柵板發(fā)生一階彈性屈曲時臨界載荷最小，位移最大。

圖16 柵板的二階屈曲變形圖

圖17 柵板的三階屈曲變形圖

圖18 柵板的四階屈曲變形圖

3 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS建立某填料塔器支承圈及柵板的力學(xué)模型，計算分析了支承圈和柵板的強(qiáng)度、剛度并進(jìn)行了柵板屈曲分析，得到了支承圈及柵板在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和位移分布規(guī)律及屈曲臨界載荷。

通過以上對支承圈及柵板的有限元分析，可得如下結(jié)論：

（1）在支承圈與塔壁的焊接部位并靠近支承圈附近上下表面區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度存在最大值，表面徑向應(yīng)力分量水平較高，在應(yīng)力強(qiáng)度中占主導(dǎo)地位，但應(yīng)力總體水平較低。

（2）支承圈與筒體焊接處為最大應(yīng)力處。在支承圈內(nèi)徑的自由端各位移分量及絕對位移中存在最大值，位移最大值為0.019 8 mm。支承圈采用矩形截面結(jié)構(gòu)并不合理。

（3）在柵板中間部位撓度和應(yīng)力值最大，柵板發(fā)生一階彈性屈曲時臨界載荷最小，位移最大。

（4）通過以上對支承圈、柵板的強(qiáng)度和剛度分析可知，支承圈不會發(fā)生強(qiáng)度和剛度失效，柵板設(shè)計符合要求，可以正常使用。但考慮到柵板的使用環(huán)境存在腐蝕性物質(zhì)，根據(jù)計算結(jié)果，從長期使用考慮，建議對柵板進(jìn)行適當(dāng)加固，防止柵板發(fā)生屈曲變形。

[1]劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

Checking of the Supporting Ring and the Grid of a Packed Tower with Finite Element Method

Huang Wenxia

The mechanical model for the supporting ring and the grid of a packed tower is established by using finite element software ANSYS.By calculating the strength and stiffness of the supporting ring and the grid and analyzing the buckling of the grid,the stress and displacement distribution of the supporting ring and the grid under working conditions are obtained,and the critical buckling load of the grid is also obtained.Analysis shows that the strength and stiffness failure of the grid and the supporting ring will not occur.However,considering the long-term use,it is necessary to strengthen the grid properly.And it is not reasonable to use rectangular section structure for the supporting ring.

Grid;Supporting ring；Packed tower;Finite element;Mechanical model;Load;Strength

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.001

2016-08-26）

*黃文霞，女，1974年生，碩士，高級工程師。東營市，257061。