王素敏

[摘 ? ?要]小直徑高聳塔器在我國(guó)化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際使用過(guò)程中往往會(huì)由于風(fēng)力載荷、地震載荷等原因致使高聳塔器發(fā)生形變，這時(shí)候往往會(huì)導(dǎo)致塔頂產(chǎn)生較大的撓度。想要使小直徑高聳塔器設(shè)計(jì)以及運(yùn)用效果更加理想，應(yīng)該注意對(duì)其載荷或者外界因素致使振動(dòng)條件下的撓度進(jìn)行分析，為今后小直徑高聳塔器更好地響應(yīng)外界作用力奠定堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。基于此，對(duì)小直徑高聳塔器撓度控制進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞]小直徑高聳塔器;撓度;控制

[中圖分類號(hào)]TQ053.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]For small diameter towering tower， it is often used in chemical production in China， but in the actual use process， it will often cause deformation due to wind load， earthquake load and other reasons， which will often lead to a large deflection of the tower top. In order to make the design and application of small diameter towering tower more ideal， attention should be paid to the analysis of the deflection under vibration conditions caused by its load or external factors. In order to lay a solid technical foundation for the future small diameter towering tower to better respond to external forces. Based on this， this paper attempts to analyze the deflection control of small diameter towering tower.

[Keywords]small diameter towering tower; deflection; control

從現(xiàn)階段我國(guó)化工生產(chǎn)開(kāi)展實(shí)際情況來(lái)看，所應(yīng)用的很大一部分裝置由于實(shí)際生產(chǎn)需要，將其設(shè)置為直徑較小、高度較高的高聳塔器，此類塔器通常特點(diǎn)體現(xiàn)為塔身較為細(xì)長(zhǎng)，并且設(shè)備對(duì)強(qiáng)風(fēng)以及地震載荷所產(chǎn)生的撓度較大，因此對(duì)其撓度進(jìn)行針對(duì)性控制是非常有必要的。目前，我國(guó)中所應(yīng)用的塔器頂部撓度過(guò)大可能會(huì)對(duì)塔器自身產(chǎn)生多種影響，從而致使最終化工生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量不合格的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，對(duì)小直徑高聳塔器撓度控制進(jìn)行針對(duì)性分析是非常有必要的。

1 小直徑高聳塔器頂部撓度過(guò)大對(duì)塔器主體的影響

1.1 導(dǎo)致氣液傳質(zhì)不均勻

在化工生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用小直徑高聳塔器時(shí)，如果塔器頂部撓度過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致原有的塔器工藝操作受到影響，使得工藝操作水平下降。同時(shí)，撓度過(guò)大還有可能導(dǎo)致塔盤(pán)傾斜的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而導(dǎo)致塔器內(nèi)部氣液傳質(zhì)不均勻，這也會(huì)使塔板工作效率明顯下降，從而影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 導(dǎo)致接管泄漏

接管是連接各塔器的重要結(jié)構(gòu)，如果被連接的塔器出現(xiàn)晃動(dòng)過(guò)大的情況，很可能會(huì)導(dǎo)致接管與所連接塔體之間受到較大的拉力、壓力，通過(guò)多種作用力的綜合作用可能會(huì)導(dǎo)致連接處出現(xiàn)變形現(xiàn)象，進(jìn)而致使接管連接泄漏情況出現(xiàn)，如果塔體內(nèi)部裝有易燃或者易爆介質(zhì)，危險(xiǎn)程度不堪設(shè)想。

1.3 增加現(xiàn)場(chǎng)檢修人員操作風(fēng)險(xiǎn)

想要保證小直徑高聳塔器正常操作以及安全使用，要定期安排檢修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)維修，如果塔器頂部撓度較大，很可能會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢修人員人身安全產(chǎn)生一定威脅。

2 引起小直徑高聳塔器撓度外載荷的因素

現(xiàn)階段來(lái)看，板式塔器在我國(guó)化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，尤其在石油煉油等生產(chǎn)中的應(yīng)用最為常見(jiàn)，是煉油生產(chǎn)過(guò)程中所需要的重要設(shè)備，通常情況下，塔器的高度與塔徑之比很大，其塔體壁較薄，這也是導(dǎo)致其出現(xiàn)塔器頂撓度過(guò)大現(xiàn)象的根本原因。通常情況下，會(huì)在風(fēng)力載荷等外載荷作用之下出現(xiàn)塔器頂部撓度過(guò)大的現(xiàn)象，這時(shí)候相關(guān)技術(shù)管理人員應(yīng)該注意對(duì)塔器撓度進(jìn)行限制。具體來(lái)說(shuō)，引起高聳塔器撓度外載荷的因素主要包括以下幾個(gè)方面：①可能會(huì)受到外彎矩的作用，從而致使塔器撓度外載荷出現(xiàn)，例如在塔頂懸掛重物等;②集中應(yīng)力也可能導(dǎo)致外載荷出現(xiàn)，例如管道推力等;③還可能是均布載荷或者三角載荷，例如風(fēng)載荷等。

3 小直徑高聳塔器撓度控制方法

小直徑高聳塔器在石油化工生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)非常常見(jiàn)，屬于重要生產(chǎn)裝置，一般的塔式容器都需要按照塔式容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也要對(duì)塔器各環(huán)節(jié)設(shè)定以及各種環(huán)境下操作可能性進(jìn)行分析，尤其要充分考慮到多種作用到塔器的載荷，通過(guò)這種方式來(lái)使其截面水平應(yīng)力得到保證，這樣才能使高聳塔器在實(shí)際化工生產(chǎn)中發(fā)揮出應(yīng)有效果。在對(duì)高聳塔器進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該注意對(duì)塔器頂部的最大撓度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)最大塔器撓度進(jìn)行控制。目前，我國(guó)化工生產(chǎn)中在對(duì)塔器撓度進(jìn)行控制時(shí)，主要會(huì)應(yīng)用到以下幾種方法。

（1）增加塔體壁厚。對(duì)于小直徑高聳塔器來(lái)說(shuō)，其塔體壁厚情況勢(shì)必會(huì)直接影響到塔器頂部的最大撓度值，因此對(duì)塔體壁厚進(jìn)行調(diào)整是我國(guó)化工工程中非常常用的一種調(diào)整塔器撓度的方式。但是對(duì)于此種方式來(lái)說(shuō)，往往存在一定缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)性較低，由于設(shè)備筒節(jié)的抗彎模量與壁厚存在較為密切的線性關(guān)系，因此一味加厚塔體壁厚對(duì)塔體抗彎性能的提升效果并不明顯，往往需要較大的經(jīng)濟(jì)成本投入。同時(shí)，在外界風(fēng)力以及地震的作用下，很可能會(huì)導(dǎo)致高聳塔器的撓度值發(fā)生變化，通常需要先對(duì)塔器下部筒節(jié)實(shí)際厚度需求情況進(jìn)行精密計(jì)算，才能夠確定最終的塔體厚度。

（2）增加塔器直徑并且降低塔器總高度。對(duì)于這種方法來(lái)說(shuō)，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可以進(jìn)一步增加塔體的固有頻率，從而使其周期發(fā)生改變，通過(guò)這種方式能夠有效避免塔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)因?yàn)檎駝?dòng)而發(fā)生變化，這種方法在我國(guó)也有較為廣泛的應(yīng)用。但是這種方法的應(yīng)用效果往往取決于工藝以及設(shè)計(jì)參數(shù)情況，需要相關(guān)工程設(shè)計(jì)師自身具有較強(qiáng)的專業(yè)素質(zhì)，同時(shí)還要在設(shè)計(jì)工作正式開(kāi)始之前，對(duì)石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置的整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況有充分了解，對(duì)工藝條件進(jìn)行確定，這樣才能使塔器設(shè)計(jì)滿足工藝要求，從而達(dá)到控制塔器撓度的效果。

（3）在塔體上設(shè)置導(dǎo)向支架。想要使小直徑高聳塔器撓度值得到有效控制，在塔體上部設(shè)置導(dǎo)向支架不失為一種合理的方式，當(dāng)高聳塔器被放置在框架中之后，相關(guān)操作人員應(yīng)該注意在框架中設(shè)置一個(gè)或者幾個(gè)導(dǎo)向支架，通過(guò)這種方式可以起到轉(zhuǎn)變風(fēng)向的效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)載荷的調(diào)整，將其通過(guò)支架傳遞到了框架上，這也使得風(fēng)載不會(huì)對(duì)塔體產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而在很大程度上降低了因?yàn)轱L(fēng)載而致使塔器頂部出現(xiàn)撓度的現(xiàn)象發(fā)生，有利于撓度控制工作的開(kāi)展。同時(shí)，在塔體上部設(shè)置導(dǎo)向支架的另一個(gè)重要作用還體現(xiàn)在其使得風(fēng)載以及地震載荷能夠更為均勻地傳遞到框架結(jié)構(gòu)上，不會(huì)對(duì)框架結(jié)構(gòu)的某一支撐點(diǎn)產(chǎn)生較大的作用力，這也使得框架結(jié)構(gòu)受損害的可能性極大降低。在保證了框架結(jié)構(gòu)受作用力均勻的前提之下，也減輕了設(shè)備本體所受到的軸向力，使得設(shè)備在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)使用的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈震動(dòng)的現(xiàn)象。

（4）在塔體周圍焊接翅片。對(duì)于此種方式來(lái)說(shuō)，我國(guó)石油化工生產(chǎn)中有相對(duì)廣泛的應(yīng)用，其主要是指在塔體上部焊接一些能夠消除漩渦的翅片，通常以螺旋式或者軸向式為主，通過(guò)這種方式可以使風(fēng)載荷明顯減小，同時(shí)也減小了彎矩，使得撓度值降低。但是由于在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中所應(yīng)用的絕大多數(shù)塔器外部都有保溫層，因此想要在塔器上部安裝一定數(shù)量的翅片往往存在難度，需要對(duì)塔器上的吊耳、梯子以及支架管線等位置進(jìn)行合理安排，通過(guò)這種方式來(lái)確定翅片的具體安裝位置，這樣才能使翅片的安裝不會(huì)對(duì)塔器的原有外部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這也就致使翅片焊接安裝復(fù)雜程度明顯提升，需要克服多種外在因素才能夠達(dá)到對(duì)塔器撓度進(jìn)行有效控制的效果。

4 小直徑高聳塔器撓度控制實(shí)踐探索

以H市某石油化工生產(chǎn)項(xiàng)目為例，在實(shí)際展開(kāi)生產(chǎn)操作時(shí)會(huì)利用到一臺(tái)閃蒸塔，并且閃蒸塔的高度要遠(yuǎn)超過(guò)其直徑，閃蒸塔的主要參數(shù)如表1所示。

4.1 小直徑高聳塔器撓度控制方法

在對(duì)塔器常規(guī)計(jì)算方式進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該注意保證其要求在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，本次嘗試對(duì)塔器的壁厚進(jìn)行增加，由原來(lái)的26 mm增加至34 mm，裙座的厚度由原來(lái)的35 mm增加至42 mm，但是整體來(lái)看經(jīng)濟(jì)性較低;由于本案例閃蒸塔的保溫層厚度較大，并且塔體側(cè)面以及上部的附件較多，不適合安裝旋轉(zhuǎn)式或者軸向式翅片。

經(jīng)過(guò)綜合分析之后，考慮將閃蒸塔放置在框架結(jié)構(gòu)之中，在塔器的上部增設(shè)導(dǎo)向支架，在對(duì)導(dǎo)向支架進(jìn)行選擇時(shí)，充分考慮到了裝置的實(shí)際需求情況，保證了導(dǎo)向支架只允許塔體在軸向進(jìn)行自由伸縮，這樣使得導(dǎo)向支架的安裝利用效果得到了充分體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔頂撓度的有效降低。同時(shí)也在很大程度上限制了塔器的搖擺幅度，使得風(fēng)荷載以及地震荷載對(duì)塔器彎度以及撓度所產(chǎn)生的影響明顯降低，也使得裝置的整體受力明顯改善。

4.2 理論計(jì)算

石油化工生產(chǎn)項(xiàng)目確定通過(guò)設(shè)置導(dǎo)向支架的方式來(lái)對(duì)塔器撓度進(jìn)行控制之后，需要應(yīng)用有限元的方式對(duì)塔體進(jìn)行整體分析，從而根據(jù)塔體自身實(shí)際情況得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，這對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員自身專業(yè)素質(zhì)有很高的要求，每個(gè)設(shè)計(jì)人員最終所得到的計(jì)算結(jié)果存在一定差異性，需要對(duì)多個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均值獲取，從而將得到的數(shù)據(jù)參數(shù)應(yīng)用到導(dǎo)向支架設(shè)置中。在進(jìn)行導(dǎo)向支架塔器計(jì)算操作時(shí)，會(huì)涉及到以下幾個(gè)環(huán)節(jié)步驟：①要利用sw6軟件進(jìn)行計(jì)算，從最終計(jì)算結(jié)果中提取出風(fēng)載荷以及地震載荷;②將計(jì)算模型轉(zhuǎn)換為單元模型并且求出每個(gè)單元的截面彎矩;③按照已有的向心力計(jì)算書(shū)中規(guī)定來(lái)確定最終彎矩是否合格，如果數(shù)據(jù)不合格，應(yīng)該注意對(duì)塔器厚度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，再重新展開(kāi)計(jì)算。

為了保證最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要應(yīng)用有限元模型的方式來(lái)進(jìn)行計(jì)算模型構(gòu)建，具體實(shí)施方法體現(xiàn)為以下幾個(gè)步驟：①要對(duì)塔器整體的計(jì)算模型有具體了解，并且要保證塔體每個(gè)截面、節(jié)點(diǎn)處都與有限元模型的實(shí)際展示相符合;②對(duì)塔器的計(jì)算進(jìn)行規(guī)范，每段筒節(jié)的最高處風(fēng)壓應(yīng)該設(shè)定為這一整段的均布風(fēng)載荷，并且要對(duì)其順風(fēng)向水平風(fēng)力、段長(zhǎng)、均布載荷情況進(jìn)行確定，從而保證其與有限元模型的各項(xiàng)要求相符合;③要針對(duì)塔器的裙座底部進(jìn)行固定支架模型計(jì)算，通過(guò)這種方式來(lái)確定最終的位移束縛位置。

在進(jìn)行風(fēng)載荷以及地震載荷計(jì)算時(shí)，應(yīng)該注意對(duì)其等效載荷進(jìn)行確定，要按照塔器計(jì)算規(guī)范的要求來(lái)對(duì)每一筒節(jié)部分進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，要應(yīng)用sw6軟件在計(jì)算書(shū)中提取風(fēng)載荷以及地震載荷相關(guān)參數(shù)，通過(guò)sw6軟件的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)載荷水平推力值以及彎矩值的確定，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各段地震載荷所帶來(lái)的自振周期變化情況進(jìn)行確定，這也使得最終理論計(jì)算結(jié)果的可參考性明顯提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)石油化工生產(chǎn)中所應(yīng)用的小直徑高聳塔器撓度控制進(jìn)行探索之后，可以看出，塔器撓度控制對(duì)化工生產(chǎn)工作的開(kāi)展會(huì)產(chǎn)生重要影響。與此同時(shí)，塔器撓度控制工作的開(kāi)展往往具有一定針對(duì)性，需要根據(jù)塔器自身實(shí)際條件情況來(lái)對(duì)風(fēng)載荷以及地震載荷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這樣才能使高聳塔器塔頂撓度得到有效控制，進(jìn)而降低生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，這也保證了最終化工產(chǎn)品的品質(zhì)以及相關(guān)操作人員人身安全。

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