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        大直徑臥式容器分液隔板的應(yīng)力與變形分析

        2021-11-23 07:42:06
        石油化工設(shè)備技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:分液扁鋼臥式

        許 蕾

        (中國石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101)

        隔板常用來分隔容器的內(nèi)部空間,用來盛放不同的介質(zhì),這樣不僅可以節(jié)省容器材料,而且可以減少占地面積、節(jié)約投資費用【1】。臥式容器的分液隔板也經(jīng)常用于不同介質(zhì)的分離,比如液態(tài)烴和水的分離。分液隔板在設(shè)計中有時不被重視,但是卻經(jīng)常出現(xiàn)材料破壞或過度浪費的問題。理論上講,分液隔板的厚度設(shè)計要兼?zhèn)浜侠硇院徒?jīng)濟(jì)性,如果設(shè)計得過厚,雖然滿足了強度要求,但是成本卻提高了;若厚度太薄,使用過程中又有可能因承受不住液柱靜壓力導(dǎo)致破壞,給生產(chǎn)安全造成隱患【2】。本文主要分析大直徑臥式容器中分液隔板的設(shè)計規(guī)律(包括帶加強肋的隔板與不帶加強肋隔板的應(yīng)力與變形),并考察影響隔板最大應(yīng)力值與撓度的主要因素。同時,在理論分析和有限元模擬的基礎(chǔ)上,本文提出了分液隔板優(yōu)化設(shè)計的主要思路和關(guān)鍵措施。

        1 臥式容器分液隔板的經(jīng)典力學(xué)分析

        臥式容器中豎直放置的分液隔板,常承受來自于某一側(cè)的液柱靜壓力,該壓力在隔板頂端為零且自上而下線性遞增,但在同一液位高度處隔板所承受的壓力是均勻的。隔板頂端沒有支撐,但其四周由于與筒體焊接而接近于固支。此時可將分液隔板視為承受均勻遞增平面載荷的平板。根據(jù)平板經(jīng)典的力學(xué)分析,在設(shè)計隔板厚度時需要將表面的最大應(yīng)力水平控制在許用應(yīng)力范圍內(nèi),并把平板上的最大撓度值控制在可接受的范圍內(nèi)。

        如果容器直徑較小,分液隔板通常為單層、無肋板加強的結(jié)構(gòu)。對于直徑較大的臥式容器,如果隔板撓度超過了許用值,則應(yīng)當(dāng)在隔板上設(shè)置加強肋。因為隔板主要承受彎曲應(yīng)力,所以應(yīng)盡量增大隔板的抗彎模量,此時設(shè)置扁鋼、角鋼或型鋼加強肋的效果往往要優(yōu)于單純增加板厚,經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

        PRESSURE VESSEL DESIGN MANUAL(以下簡稱MOSS手冊)【3】和Roark′s Formulas for Stress and Strain【4】中提供了臥式容器隔板的厚度設(shè)計方法。對于未使用加強肋的隔板,MOSS手冊中隔板的厚度以及撓度的計算方法如下。

        隔板的厚度:

        (1)

        隔板的撓度:

        (2)

        式中:β1、γ1為隔板系數(shù),其值根據(jù)隔板尺寸a與b的比值(a、b值按圖1確定)以及隔板的約束形式來確定;其他參數(shù)說明見文獻(xiàn)【3】。

        圖1 臥式容器分液隔板的承載方式及隔板a、b值

        不加強的隔板是一個優(yōu)先的選擇,但是這只適用于小直徑的臥式容器。對于大直徑的臥式容器,為防止隔板的厚度過大,使用加強肋則是一個更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計。當(dāng)使用加強肋時,由于加強肋及其附近的隔板區(qū)域能夠一同起到加強作用,隔板這一部分區(qū)域的橫截面積與加強肋的橫截面積形成了有效抵抗壓力的組合截面,增加了隔板的抗彎截面模量,故可以減小隔板的設(shè)計厚度。對于大直徑的臥式容器,通常選用加強肋來增加隔板的剛度,以避免隔板的厚度過大。

        MOSS手冊中詳細(xì)介紹了使用加強肋之后隔板及加強肋的校核方法。之所以對加強肋進(jìn)行校核,是為了保證加強肋在使用過程中所承受的彎曲應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。

        2 大直徑臥式容器的設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

        以某一大直徑臥式容器為例,借助有限元軟件ANSYS,考察大直徑臥式容器中隔板的應(yīng)力與變形,并考察影響隔板應(yīng)力與變形的影響因素。臥式容器的設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

        表1 設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

        3 有限元模型

        3.1 有限元模型的建立

        由于筒體、封頭以及隔板的壁厚遠(yuǎn)小于筒體的直徑以及筒體的長度,因此在保證計算結(jié)果精度的前提下,該有限元模型采用SHELL181單元。

        圖2 十字形加強肋隔板結(jié)構(gòu)示意

        圖3 十字形加強肋隔板的有限元模型

        3.2 約束及加載方式

        本文主要考察水壓對隔板的影響,由于隔板一側(cè)充滿介質(zhì)為危險工況,因此僅針對隔板左側(cè)施加水壓的工況進(jìn)行分析。

        約束方法為在對稱面施加對稱約束,在封頭底端施加固定約束。

        加載方法為在隔板左側(cè)施加由于液柱靜壓力產(chǎn)生的壓力,即Y=9 800(1-y)。其中,y表示該模型所在坐標(biāo)系中的y軸,單位為m;Y單位為Pa。

        4 結(jié)果分析

        4.1 MOSS手冊計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果對比

        在表1的設(shè)計條件下,由式(1)和式(2)計算可得,隔板名義厚度為22 mm,此時隔板的變形為57.07 mm。當(dāng)隔板厚度取22 mm時,有限元分析結(jié)果如圖4~圖5所示。

        圖4 隔板厚度為22 mm時的應(yīng)力云圖

        圖5 隔板厚度為22 mm時的變形云圖

        分析圖5可知,隔板厚度為22 mm時,隔板變形最大值為13.972 mm,遠(yuǎn)小于按MOSS手冊中公式計算得到的變形量57.07 mm。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是由于MOSS手冊在隔板厚度變形計算公式中所采用的均布壓力P為液柱產(chǎn)生的最大液柱靜壓力,而有限元計算中所施加的壓力則為液柱靜壓力沿y軸方向成線性分布的壓力。因此按照MOSS手冊計算得到的隔板厚度及變形計算較為保守。

        4.2 隔板應(yīng)力及變形隨隔板厚度的變化規(guī)律

        為考察隔板應(yīng)力及變形隨隔板厚度的變化規(guī)律,分別選取隔板厚度30、28、26、24、22、20、18、16、14、12和10 mm進(jìn)行有限元計算。其中隔板厚度為18 mm時的應(yīng)力云圖及變形云圖如圖6~圖7所示。

        圖6 隔板厚度為18 mm時的應(yīng)力云圖

        圖7 隔板厚度為18 mm時的變形云圖

        提取每組隔板厚度下應(yīng)力最大值及變形最大值并繪制曲線。隔板應(yīng)力最大值及變形最大值隨隔板厚度的變化規(guī)律如圖8~圖9所示。

        圖8 隔板應(yīng)力隨隔板厚度的變化

        圖9 隔板撓度隨隔板厚度的變化

        分析圖8~圖9可知:隔板最大應(yīng)力及最大變形隨著隔板厚度的增加而減小,且減小趨勢是非線性的;曲線的斜率隨著隔板厚度的增加逐漸變小,這一現(xiàn)象說明,在一定程度上增加隔板的厚度對隔板應(yīng)力的改善是明顯的,而當(dāng)隔板厚度到達(dá)一定值時,增加隔板厚度并不能明顯改善隔板的受力情況。

        4.3 加強肋的位置對隔板應(yīng)力及變形的影響

        考察加強肋的位置對隔板應(yīng)力及變形的影響時,通過改變圖10中h(第一條加強肋距隔板頂部的距離)值的大小,獲得S1/S2(S1與S2表示被加強肋分割的隔板兩部分的面積)的比值,從而繪制出隔板最大應(yīng)力及變形隨S1/S2變化的曲線。h的取值如表2所示。

        圖10 隔板上設(shè)置1條加強肋的結(jié)構(gòu)示意

        表2 h的取值以及S1/S2比值

        h=1.00 m時的隔板應(yīng)力及變形云圖如圖11~圖12所示。

        圖11 h=1.00 m時的隔板應(yīng)力云圖

        圖12 h=1.00 m時的隔板變形云圖

        提取不同h值情況下計算結(jié)果中隔板的最大應(yīng)力及最大變形繪制曲線。加強肋的位置對隔板最大應(yīng)力及變形的影響如圖13~圖14所示。

        圖13 隔板應(yīng)力隨S1/S2比值的變化

        分析圖13~圖14可知:隔板的最大應(yīng)力及變形隨著S1/S2比值的增大先減小后增大;當(dāng)S1/S2的比值在[0.9,1.1]區(qū)間內(nèi)時,隔板有較小的應(yīng)力值和變形。因此在布置隔板加強肋時,應(yīng)盡量使隔板被加強肋分割的區(qū)間面積近似相等,這樣可使隔板受力達(dá)到一個較好的狀態(tài)。

        圖14 隔板撓度隨S1/S2比值的變化

        4.4 加強肋的規(guī)格對隔板應(yīng)力及變形的影響

        考察加強肋扁鋼的規(guī)格對隔板應(yīng)力的影響時,隔板厚度取10 mm,本文僅考察了只有1條加強肋的情況。分別選取扁鋼厚度t為8、10、12、14和16 mm,扁鋼高度l為100、110、120、130、140、150、160、170、180、190和200 mm,采用1個扁鋼厚度對應(yīng)11個扁鋼高度的方式,分別進(jìn)行有限元計算(注:扁鋼橫截面較短的邊為扁鋼厚度t,較長的邊為扁鋼高度l。)。

        t=8 mm、l=120 mm時的隔板應(yīng)力及變形云圖如圖15~圖16所示。

        圖15 t=8 mm、l=120 mm時的隔板應(yīng)力云圖

        圖16 t=8 mm、l=120 mm時的隔板變形云圖

        提取每種計算結(jié)果中隔板的最大應(yīng)力以及最大變形量繪制曲線。加強肋的規(guī)格對隔板最大應(yīng)力及變形的影響如圖17~圖18所示。

        從圖17可知:當(dāng)扁鋼的厚度t一定時,隨著扁鋼高度l的增加,隔板的應(yīng)力隨之減小,減小幅度由大逐漸變小;對于不同厚度的扁鋼,隨著扁鋼高度l的增加,隔板的最大應(yīng)力值趨于某值(約為170 MPa);當(dāng)扁鋼高度l一定時,增加扁鋼厚度t,隔板的最大應(yīng)力值隨之緩慢減小。

        圖17 隔板應(yīng)力隨扁鋼高度l的變化

        從圖18可知:當(dāng)扁鋼的厚度t一定時,隨著扁鋼高度l的增加,隔板的變形隨之減小;對于不同厚度的扁鋼,隨著扁鋼高度l的增加,隔板的最大變形量最終趨于某值(約為24.0 mm);當(dāng)扁鋼高度l一定時,增加扁鋼厚度t,隔板的最大變形量隨之緩慢減小。

        產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是:當(dāng)加強肋扁鋼規(guī)格達(dá)到一定程度時,其自身已經(jīng)具有足夠的截面積和慣性矩,此時再增加扁鋼的尺寸,對隔板的受力影響不大。在選擇加強肋規(guī)格時,為防止加強肋本身可能產(chǎn)生的側(cè)向失穩(wěn),2007版ASME Ⅷ-2規(guī)范中增加了加強肋尺寸限制條件【5】,見式(3)和式(4)。

        (3)

        (4)

        式中:Ey——設(shè)計溫度下加強肋材料的彈性模量,MPa;

        Sy——設(shè)計溫度下加強肋材料的屈服強度,MPa;

        h1、h2、t1、t2——加強肋截面尺寸[詳見圖19(a)~圖19(c)],mm。

        圖19 不同形式加強肋截面尺寸示意

        4.5 不同數(shù)量及布置形式的加強肋對隔板應(yīng)力及變形的影響

        考察不同加強肋布置及加強肋數(shù)量對隔板應(yīng)力及變形的影響時,選取隔板厚度為10 mm,加強肋為扁鋼,其尺寸為120 mm×10 mm。在對加強肋進(jìn)行布置時,盡可能使隔板被加強肋分割的區(qū)間面積的大小相近。隔板加強肋常見的布置形式如圖20所示。

        圖20 加強肋布置形式

        其中布置2條平行加強肋隔板的應(yīng)力云圖及變形云圖如圖21~圖24所示。

        圖21 帶2條平行加強肋隔板的應(yīng)力云圖

        圖22 帶2條平行加強肋隔板的變形云圖

        圖23 帶2條十字加強肋隔板的應(yīng)力云圖

        圖24 帶2條十字加強肋隔板的變形云圖

        分析相同加強肋板數(shù)量、不同布置形式的帶加強肋隔板的應(yīng)力云圖和變形云圖可知:在隔板豎向中軸線設(shè)置加強肋時,隔板的受力情況明顯優(yōu)于平行排布的加強肋排布形式。這是由于本文所研究的模型弓缺區(qū)較小,在隔板豎向中軸線設(shè)置加強肋,使得隔板被加強肋分割的區(qū)間中b值大大減小,而隔板的應(yīng)力與變形計算公式[見式(1)和式(2)]分別與b2和b4有關(guān),因此,隔板的應(yīng)力與變形也相應(yīng)減小。除此之外,在隔板豎向中軸線設(shè)置加強肋的排布形式,其焊接長度以及加強肋總質(zhì)量也明顯優(yōu)于相同加強肋數(shù)量情況下平行排布的形式。不同加強肋數(shù)量、不同排布形式情況下最大應(yīng)力、最大變形、焊接長度以及加強肋總質(zhì)量匯總?cè)绫?所示。

        通過分析表3第⑦列和第⑧列數(shù)據(jù)可知,對于4平行加強肋以及井字形加強肋而言,隔板的受力差別不大,但是井字形排布形式的焊接長度以及加強肋總質(zhì)量明顯優(yōu)于4加強肋平行排布的形式。

        通過分析表3第①、③、⑤、⑦列數(shù)據(jù)可知,對于平行加強肋而言,加強肋數(shù)量增加,隔板的受力情況明顯改善,然而加強肋數(shù)量并不是越多越好,隨著其數(shù)量的增加,焊接長度以及加強肋的總質(zhì)量會相應(yīng)增加。因此在實際設(shè)計過程中應(yīng)綜合考慮各方面因素,選擇合適的加強肋數(shù)量及布置形式。

        表3 不同加強肋數(shù)量、不同排布形式情況下最大應(yīng)力、最大變形、焊接長度以及加強肋總質(zhì)量匯總

        5 結(jié)論

        本文以大直徑臥式容器隔板為例,首先介紹了臥式容器隔板的解析算法,然后借助有限元分析軟件ANSYS,考察了大直徑臥式容器隔板以及帶加強肋隔板的應(yīng)力與變形,并同時考察了隔板厚度,扁鋼加強肋規(guī)格、位置、數(shù)量以及布置形式對隔板應(yīng)力與變形的影響。主要結(jié)論如下:

        1) 由于MOSS手冊在隔板厚度及變形計算公式中所用壓力為液柱產(chǎn)生的最大液柱靜壓力,因此MOSS手冊對隔板厚度及變形的計算結(jié)果較為保守。

        2) 隔板最大應(yīng)力及最大變形隨著隔板厚度的增加而減小,減小趨勢是非線性的,且曲線的斜率隨著隔板厚度的增加逐漸變小。這一現(xiàn)象說明,在一定程度上增加隔板的厚度對隔板應(yīng)力的改善是明顯的,當(dāng)隔板厚度到達(dá)一定值時,繼續(xù)增加隔板厚度并不能明顯改善隔板的受力情況。

        3) 在布置隔板的加強肋時,應(yīng)盡量使隔板被加強肋分割的區(qū)間面積近似相等,這樣可使隔板受力達(dá)到一個較好的狀態(tài)。

        4) 扁鋼的規(guī)格并不是越大越好,其高厚比(l/t)推薦值為8~10。當(dāng)扁鋼的尺寸達(dá)到一定值時,其自身已經(jīng)具有足夠的截面積和慣性矩,此時再增加扁鋼的尺寸,對隔板的受力影響不大。在保證隔板合理受力的情況下,應(yīng)優(yōu)選合適規(guī)格的加強肋。

        5) 對于臥式容器的隔板,在隔板的豎向中軸線方向設(shè)置加強肋,可以明顯改善隔板的受力。

        6) 加強肋數(shù)量并不是越多越好,隨著加強肋數(shù)量的增加,其焊接長度以及總質(zhì)量會相應(yīng)增加,此時采用角鋼、T型鋼等作為加強肋比扁鋼效果更好。因此在實際設(shè)計過程中應(yīng)綜合考慮各方面因素,選擇合適的加強肋形式、規(guī)格、數(shù)量及布置形式。

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