文獻(xiàn)娜，胡尊旭，張建政

（1.山東金沂蒙化工機(jī)械有限公司，山東臨沂 276700；2.山東省臨沂市三豐化工有限公司，山東臨沂 276700）

工業(yè)行業(yè)中塔器有多種分類，尤其是化工行業(yè)應(yīng)用相對(duì)較多，隨著化工產(chǎn)品的多樣化，化工設(shè)備與高壓反應(yīng)容器等的復(fù)雜化、精細(xì)化要求，在實(shí)際安裝使用時(shí)，對(duì)塔器操作也提出了更為嚴(yán)苛的要求。塔器作為化工企業(yè)的核心反應(yīng)容器，不論制造還是安裝，相較于其他設(shè)備的運(yùn)行都更加復(fù)雜危險(xiǎn)，施工難度系數(shù)也較大，造價(jià)成本高，操作流程繁瑣，為了確保在實(shí)際生產(chǎn)條件下，不因?yàn)槌霈F(xiàn)人為失誤，或者設(shè)備故障而發(fā)生事故，為了降低經(jīng)濟(jì)損失，確保人員安全，應(yīng)該高度重視塔器設(shè)計(jì)的每一項(xiàng)環(huán)節(jié)，不論結(jié)構(gòu)方面，還是功能方面，都要精心考慮，比如大型塔器設(shè)備，高徑比規(guī)格>15，高度超過(guò)30m的設(shè)備，其底部裙座和下封頭之間的焊縫處實(shí)際使用時(shí)，如遇到大風(fēng)天氣，容易產(chǎn)生橫向共振而破壞失穩(wěn)，因此，需要對(duì)橫向風(fēng)流共振強(qiáng)度進(jìn)行判斷和計(jì)算，從而采取針對(duì)性措施進(jìn)行規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。如何通過(guò)優(yōu)化塔器設(shè)計(jì)，確保設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，不斷提升工業(yè)效率，確保操作人員的生命安全，值得不斷深思與探討[1]。

1 液壓裝置的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

當(dāng)壓力容器壓力較低，而塔器設(shè)計(jì)高度高時(shí)，此時(shí)的液柱靜壓對(duì)于液壓試驗(yàn)起到關(guān)鍵性作用。按照塔器容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)塔器采取液壓試驗(yàn)，當(dāng)置于臥置試驗(yàn)狀態(tài)下，液柱靜壓的影響是首要考慮因素，在低壓設(shè)計(jì)情況下，不論是計(jì)算壓力，還是實(shí)驗(yàn)壓力，都不可忽視液柱靜壓的存在影響；只有當(dāng)設(shè)計(jì)壓力大于液柱靜壓5%的狀態(tài)下，液柱靜壓才可在設(shè)計(jì)壓力中不做考慮。反之，如果液柱靜壓值超過(guò)實(shí)驗(yàn)壓力值的6%時(shí)，必須將液柱靜壓影響納入設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)過(guò)程演示：

1）在預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)溫度條件下，計(jì)算后的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI與試驗(yàn)材料屈服強(qiáng)度R eL （R P0.2 ）相比，應(yīng)不大于R eL 的90%。

2）經(jīng)過(guò)計(jì)算所得，將一次薄膜與一次彎曲的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行疊加，將該應(yīng)力強(qiáng)度視為SII，按照計(jì)算公式推斷結(jié)論：當(dāng)薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI不超過(guò)屈服強(qiáng)度R eL 的0.67倍時(shí)，SII值應(yīng)小于屈服強(qiáng)度R eL 的1.35倍；當(dāng)薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI超過(guò)屈服強(qiáng)度R eL 的0.67倍，且不超過(guò)屈服強(qiáng)度R eL 的90%時(shí)，SII值應(yīng)不超過(guò)2.15倍屈服強(qiáng)度R eL與1.2倍薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI之差。如表1所示，不同壓力狀態(tài)下的應(yīng)力強(qiáng)度分布。

表1 不同壓力狀態(tài)下的應(yīng)力強(qiáng)度分布

2 塔殼應(yīng)力分布的審校

當(dāng)存在附加載荷作用在塔體上時(shí)，應(yīng)該對(duì)塔殼表面的應(yīng)力分布進(jìn)行一次分析校準(zhǔn)，比如外接管道對(duì)于塔體的推力作用，塔殼本身自帶的支撐梁、吊耳和裙座等附件產(chǎn)生的作用力等，都會(huì)對(duì)塔殼產(chǎn)生應(yīng)力的重新分布，通過(guò)對(duì)分布的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，例如塔殼上懸掛再沸器時(shí)，其支架需要與塔殼進(jìn)行焊接固定，經(jīng)過(guò)對(duì)支架鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，可以選擇符合載荷要求的鋼材，進(jìn)而根據(jù)鋼材選用，可計(jì)算出塔殼殼體的壁厚要求，最終確保安裝質(zhì)量與載荷安全。此外，為了緩解附件應(yīng)力直接作用在塔殼殼體表面，還可以通過(guò)在殼體需要連接附件的焊接處加工墊板的方法，使得焊接后的應(yīng)力集中作用在焊板上，避免了在殼體分布的障礙，但是，雖然墊板代替了殼體承受外載荷，但為了確保運(yùn)行安全，還需要注意墊板焊縫的質(zhì)量與牢固程度，必須滿足焊接強(qiáng)度要求，杜絕出現(xiàn)新的安全隱患。其次，再比如在設(shè)備整體執(zhí)行安裝的過(guò)程中，由于規(guī)格又大又重，為了減少對(duì)吊裝設(shè)備的破壞，需要對(duì)塔體外接裝吊耳，一般采用對(duì)稱軸式吊耳，依照此方法對(duì)塔器設(shè)備進(jìn)行吊裝時(shí)，不僅要考慮吊耳自身強(qiáng)度的載荷要求，還需根據(jù)塔器安裝吊耳部位的設(shè)備壁厚情況進(jìn)行分析判斷，計(jì)算能否承載吊耳與塔器之間的承重。對(duì)于此項(xiàng)施工技術(shù)，既是對(duì)操作人員技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的考驗(yàn)，也是需要對(duì)塔殼內(nèi)外應(yīng)力分布計(jì)算的準(zhǔn)確性的考驗(yàn)。此外，還有一種可能性，當(dāng)塔器制造選用的是特種鋼材，或者合金鋼的情況下，吊耳焊接固定點(diǎn)不能與復(fù)合材料表面進(jìn)行焊接，因?yàn)楹附雍髲?qiáng)度未經(jīng)計(jì)算可能存在吊裝受力不均，強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的狀況，影響吊裝安全施工，應(yīng)該與復(fù)合材料的基層鋼材焊接，以求堅(jiān)固性和穩(wěn)定性，在焊接作業(yè)時(shí)，需要預(yù)先把焊接面焊縫周邊10mm范圍的復(fù)合層清除干凈，以確保焊接面的均勻受力，確保吊裝過(guò)程的安全執(zhí)行。

3 地腳螺栓錨固設(shè)計(jì)

地腳螺栓作為塔器設(shè)備在工業(yè)場(chǎng)地的地基重要穩(wěn)固件，需要充分考慮金屬件在不同溫度環(huán)境下熱脹冷縮的物理變化，尤其是塔器裙座與地腳螺栓連接后，若使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)在極寒地區(qū)和高溫地區(qū)安裝使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)地基不穩(wěn)的情況，尤其是當(dāng)安裝完成運(yùn)行階段，存在較大安全隱患，因此，需要根據(jù)安裝區(qū)域溫度來(lái)具體進(jìn)行設(shè)計(jì)修訂，一般情況下，采用設(shè)計(jì)溫度按照當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁氐淖畹椭担由?0℃的調(diào)校溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如取-20℃作為安裝標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)販囟却笥?20℃時(shí)，可選用型材為Q235B、Q235C的鋼材進(jìn)行加工；當(dāng)設(shè)計(jì)溫度不超過(guò)-20℃時(shí)，可以選用型材為Q345D、Q345E的鋼材加工。在加工材質(zhì)相同、設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求的條件下，為了確保塔器安裝固定的穩(wěn)定性，以及受力的均勻，通常采用至少四條地腳螺栓進(jìn)行固定。為了更好地分布受力，也可采用8條或是12條進(jìn)行固定，根據(jù)實(shí)際底托盤面積具體選擇。此外，地腳螺栓的眼孔位置一般選擇對(duì)稱開(kāi)槽，由中心軸向兩邊布置眼位，因此，在安裝地腳螺栓時(shí)，要嚴(yán)格按照螺栓開(kāi)槽方位進(jìn)行擺布固定，否則將會(huì)影響后期塔器設(shè)備裙座的落位安裝，導(dǎo)致安裝進(jìn)度的拖延，甚至影響塔器設(shè)備的正常運(yùn)行與使用。

4 裙座焊接設(shè)計(jì)

裙座是塔器固定的重要基礎(chǔ)，焊接質(zhì)量的高低直接影響后期的穩(wěn)固性，因此，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，裙座的焊縫高度要超過(guò)裙座自身邊緣結(jié)構(gòu)厚度的1.75倍，尤其是對(duì)于超高的大型塔器設(shè)備，更要具有牢固的裙座與地腳螺栓進(jìn)行固定，以抵消強(qiáng)風(fēng)天氣下產(chǎn)生的橫向風(fēng)力共振效果，提高基座穩(wěn)定。

由于裙座、下封頭之間的底部連接構(gòu)件呈現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其受力也出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，邊緣端受力更為明顯，容易出現(xiàn)應(yīng)力的峰值區(qū)域，當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中作用在裙座底部時(shí)，往往導(dǎo)致焊接部位不能承載負(fù)荷而脆化，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞，造成裙座的開(kāi)焊斷裂，導(dǎo)致垮塌事故發(fā)生。為了避免這一結(jié)局出現(xiàn)，應(yīng)將焊縫與構(gòu)件連接部位盡量調(diào)整圓滑，使得應(yīng)力集中區(qū)域能夠得到有效分散，降低應(yīng)力峰值區(qū)域的接觸面積，從而緩解產(chǎn)生焊縫斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。此外，焊接高度的不同也會(huì)在設(shè)備自重與橫向風(fēng)力作用下產(chǎn)生共振彎曲的現(xiàn)象，焊縫高度過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致塔器整體失穩(wěn)，強(qiáng)度下降；焊縫高度過(guò)低，則會(huì)因?yàn)樽陨砗附訌?qiáng)度達(dá)不到要求，造成無(wú)法承重而產(chǎn)生斷裂的結(jié)果。因此，如何調(diào)整焊接高度到合適標(biāo)準(zhǔn)，才是確保焊接強(qiáng)度與質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。

5 疲勞工況的強(qiáng)度校核

在疲勞工況條件下運(yùn)行的塔器設(shè)備，除了需要計(jì)算其靜強(qiáng)度載荷外，還需要考慮不同疲勞工況強(qiáng)度下，存在多重外部環(huán)境的影響，比如高低壓力的影響及高低溫度的影響等，都會(huì)對(duì)裙座與地腳螺栓，以及焊接構(gòu)件的焊縫處壓力產(chǎn)生變化。當(dāng)處于溫度變量環(huán)境中，存在焊縫處的熱脹冷縮現(xiàn)象，但對(duì)于不同壁厚的塔器來(lái)說(shuō)，其溫度帶來(lái)的應(yīng)力變化與載荷變化也會(huì)不同，較大壁厚可承載應(yīng)力也較大，具有較好的抗拉伸延展性，能夠承載更多的應(yīng)力分布；而壁厚相對(duì)較薄的塔器，則會(huì)缺失足夠強(qiáng)度的抵抗應(yīng)力作用能力，相對(duì)負(fù)載能力較小，容易出現(xiàn)疲勞工況下的斷裂，導(dǎo)致塔器受損，因此，相較于壓力場(chǎng)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)破壞，溫度場(chǎng)產(chǎn)生的破壞效果與作用結(jié)局顯得更加復(fù)雜[3]。

6 塔器焊接穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜上所述，塔器安裝、固定及運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性受到多種復(fù)雜因素的影響，歸根到底，還是對(duì)于裙座在不同條件下的焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)要求，只有裙座的焊接質(zhì)量滿足各種條件和運(yùn)行工況的要求時(shí)，才能有效確保塔器的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，基于上述的影響裙座焊接質(zhì)量的若干影響因子，提出合理性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行有效解決。即裙座焊接部位的高低、厚薄應(yīng)當(dāng)根據(jù)承受載荷的數(shù)值進(jìn)行預(yù)算，計(jì)算其合理的受力強(qiáng)度，再確定焊縫的具體尺寸，使得寬窄、厚薄處于合理區(qū)間，達(dá)到抗壓強(qiáng)度效果。再者而言，對(duì)于選擇特殊鋼材和復(fù)合金屬材料的裙座與塔器設(shè)備，可先打磨掉表層復(fù)合金屬材料，通過(guò)增加墊板的方式增加受力替代品，但需注意計(jì)算好墊板單位面積的載荷能否達(dá)到要求，從而利用已知載重反推需要的墊板面積，以確保焊接安全。

7 結(jié)語(yǔ)

圍繞化工設(shè)備塔器的生產(chǎn)制造與后期焊接固定等環(huán)節(jié)存在的技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展研究分析，通過(guò)在不同試驗(yàn)條件下對(duì)表層及內(nèi)外結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力分布問(wèn)題提出液柱靜壓對(duì)液壓裝置的壓力影響，并以計(jì)算方式得出一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度與材料屈服強(qiáng)度之間的數(shù)值模擬關(guān)系。同時(shí)，對(duì)塔殼表面的應(yīng)力分布特點(diǎn)，地腳螺栓錨固時(shí)受到設(shè)計(jì)溫度與施工安裝地區(qū)溫度存在差異條件下的穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展探討，提出標(biāo)準(zhǔn)溫度臨界值的推算方法，并通過(guò)合理選用鋼材進(jìn)行問(wèn)題的解決。此外，對(duì)于影響塔器設(shè)備穩(wěn)定性的裙座固定焊接工藝進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，針對(duì)各影響因素進(jìn)行總結(jié)后，提出了合理的優(yōu)化方案，有效解決了塔器設(shè)備應(yīng)力分布與基座焊接等技術(shù)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)后可作為操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推廣應(yīng)用。