王一帆 王國茂

（青海省化工設(shè)計研究院有限公司蘭州分公司）

近年來，隨著化工裝置的不斷發(fā)展，細長類的塔器越來越多，該類塔器設(shè)計計算時需要考慮風(fēng)載荷對塔體振動的影響。 雖然文獻［1］給出了塔器設(shè)計的計算方法，但對于高徑比H/D＞15且總高H＞30m的高振型塔在發(fā)生共振時，對設(shè)備產(chǎn)生的疲勞影響并未給出明確的說明與指導(dǎo)。 另外，許多工程設(shè)計人員忽略了SW6設(shè)計軟件僅為強度計算軟件， 僅能對塔器的強度失效進行校核，而當(dāng)塔器發(fā)生共振時，交變應(yīng)力幅對設(shè)備的積累損傷已超出強度計算范疇，而且計算書中并沒有對此類問題進行校核。 因此，為了保證塔器的使用壽命，需對塔器進行更進一步的疲勞分析設(shè)計。

在此， 筆者結(jié)合工程實例， 對H/D＞15且H＞30m的塔器進行疲勞分析計算， 希望給工程設(shè)計人員在類似工況的塔器設(shè)計中提供一定的幫助。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

某煉化公司一臺甲醇回收塔為浮閥塔，尺寸為DN1400mm×39820mm， 其自然設(shè)計條件如下：地區(qū)基本風(fēng)壓q0=854N/m2， 抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g， 設(shè)計地震分組為第1組，場地土類型為Ⅲ類，地面粗糙度為A類，塔體與裙座對接，塔內(nèi)設(shè)有70層浮閥塔盤。

塔體外附有110mm厚的保溫層，安裝有10層操作平臺，平臺寬度1 200mm，塔頂34 000mm處附加10 000kg 偏心載荷，距離塔器中心線2 000mm；塔器的操作質(zhì)量為78 300kg。

設(shè)計壓力0.8MPa，設(shè)計溫度260℃。 殼體、封頭和裙座材料均為Q345R， 受壓元件厚度附加裕量3.3mm，裙座厚度附加裕量2.3mm，焊接接頭系數(shù)為0.85。

2 疲勞設(shè)計分析

塔器采用不等壁厚設(shè)計，錐形裙座，危險截面、分段和每段尺寸如圖1所示。 筆者僅對0-0、Ⅰ-Ⅰ截面在操作工況下的受力和疲勞進行設(shè)計計算。

2.1 基本振型自振周期

設(shè)備自振周期和頻率按照文獻［2］計算，得到：

a. T1=1.98s，f1=0.5051Hz；

b. T2=0.31s，f2=3.2250Hz；

c. T3=0.12s，f3=8.3300Hz。

其中，Tn為第n階振型的自振周期；fn為第n階振型的頻率。

2.2 臨界風(fēng)速

第1臨界風(fēng)速vc1為：

第2臨界風(fēng)速vc2為：

第3臨界風(fēng)速vc3為：

圖1 危險截面、分段和每段尺寸

其中，Da為設(shè)備外徑 （包括保溫層和塔壁厚度）；St為斯特羅哈數(shù)，對于圓截面，St=0.2。

2.3 共振判斷

設(shè)計風(fēng)速v為：

其中，ft為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

由于H/D=28.44＞15，H=39.82m＞30m，vc3＞v＞vc2＞vc1，故該塔為高振型塔。

2.4 0-0、Ⅰ-Ⅰ截面的彎矩

組合風(fēng)彎矩Mew為：

其中，MW為順風(fēng)向風(fēng)彎矩，Mca為橫風(fēng)向風(fēng)彎矩。

偏心彎矩Me為：

Me=megle=10000×9.81×2000=1.962×108N·mm

其中，me為偏心質(zhì)量，le為偏心質(zhì)量的距離。

地震彎矩ME為：

其中，F(xiàn)1k為集中載荷引起的基本振型水平地震力，hk為任意截面以上各段的集中質(zhì)量距離地面的高度，h為計算截面距地面高度。

最大彎矩Mmax為：

2.5 發(fā)生共振時截面受到的最大應(yīng)力

2.5.1 0-0截面

最大壓應(yīng)力σ1為：

最大拉應(yīng)力σ2為：

式中 Di—— 0-0截面內(nèi)徑，mm；

m0——塔器操作質(zhì)量，kg；

β——裙座圓錐半頂角，β=5.1°,（°）；

δei——裙座筒體有效厚度，mm。

2.5.2 Ⅰ-Ⅰ截面

最大拉應(yīng)力σ3為：

最大壓應(yīng)力σ4為：

式中 Dit——Ⅰ-Ⅰ截面內(nèi)徑，mm；

Fv——Ⅰ-Ⅰ截面垂直地震力，N；

δes——塔器筒體有效厚度，mm。

2.6 疲勞強度校核

2.6.1 0-0截面

交變應(yīng)力強度幅Salt1為：

2.6.2 Ⅰ-Ⅰ截面

交變應(yīng)力強度幅Salt2為：

因此，本設(shè)備校核的兩個截面中較為危險的位置為Ⅰ-Ⅰ截面， 應(yīng)對該位置進行疲勞分析處理。

2.6.3 基礎(chǔ)螺栓的交變應(yīng)力強度幅

拉應(yīng)力σ5為：

地腳螺栓壓應(yīng)力σ6為0MPa。

交變應(yīng)力強度幅Salt3為：

式中 Ab——基礎(chǔ)環(huán)板下表面面積， 按文獻［2］中的式（84）、（85）計算，m2；

d1——地腳螺栓有效直徑，mm；

n——地腳螺栓數(shù)量；

σB——地腳螺栓最大拉應(yīng)力，按文獻［2］中的式（91）計算，MPa。

2.7 疲勞壽命計算

在塔底0-0截面處Salt1=48.04MPa， 由文獻［1］中圖C-1差值可知許用循環(huán)次數(shù)N＞106。 因此，疲勞 壽 命 大 于N/（3600f1）=106/（3600 ×0.505） =505.05h。

Ⅰ-Ⅰ截面處Salt2=109.05MPa， 設(shè)計溫度下交變應(yīng)力強度幅Salt′=Salt2×E/Et=118.10MPa（其中E為材料彈性模量；Et為設(shè)計溫度下的材料彈性模量），由文獻［1］中圖C-1差值可知許用循環(huán)次數(shù)約為8.23×105。 因此， 疲勞壽命約為N/（3600f1）=8.23×105/（3600×0.505）=452.70h。

地腳螺栓Salt3=58.05MPa，由文獻［1］中圖C-4差值可知許用循環(huán)次數(shù)約為1.6×105。 因此，疲勞壽命約為N/（3600f1）=1.6×105/（3600×0.505）=82.50h。

3 結(jié)束語

計算結(jié)果表明，對于H/D＞15且H＞30m的塔器，處于高振型的狀態(tài)時， 盡管危險截面處的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，強度校核為合格，但當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于106時，存在疲勞失效的可能。 因此，在實際設(shè)計過程中，對于高振型塔器，設(shè)備危險截面應(yīng)力值應(yīng)參照標準中對應(yīng)材料的疲勞曲線進行必要控制，以保證設(shè)備的使用壽命和安全運行。