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        熱應(yīng)力對立式容器支座設(shè)計的影響分析

        2022-11-15 13:11:36王莎莎華陸工程科技有限責(zé)任公司西安710065
        化工設(shè)計 2022年5期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備設(shè)計

        王莎莎 曹 婷 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

        在化工領(lǐng)域,耳座支撐式立式設(shè)備因其適應(yīng)性強、制造相對簡單等特點在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。此類設(shè)備通常通過支耳安裝在結(jié)構(gòu)的樓面或框架上,若設(shè)備承受的外載荷較大,選用耳式支座時殼體的局部應(yīng)力就會超過標(biāo)準給出的許用載荷,從而導(dǎo)致設(shè)計不合理或不經(jīng)濟。在考慮上述工況或設(shè)備操作承受負壓作用的前提下,一般需選用剛性環(huán)支座。隨著石油化工、煤化工裝置的大型化,剛性環(huán)支座的使用越來越廣泛[1]。但在工程實踐中,高溫載荷作用下的剛性環(huán)支座本體產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致設(shè)備失效的事故多次發(fā)生。文獻[2,3]中將剛性環(huán)支座標(biāo)準的適用范圍限定在-20℃~200℃,并未涉及對設(shè)計溫度>200℃時剛性環(huán)支座的受力情況分析以及支座形式的選擇。因此,在較高溫度載荷的作用下,大型立式容器優(yōu)先選用剛性環(huán)支座還是耳式支座,目前并無定論。

        本文根據(jù)實際項目中某臺大型立式容器的設(shè)計條件,采用有限元分析方法,對比在不同設(shè)計溫度的情況下,設(shè)備支撐方式采用剛性環(huán)支座與耳式支座時,考慮溫度載荷引起的溫差應(yīng)力時的應(yīng)力強度,并得出相應(yīng)的結(jié)論。

        1 剛性環(huán)支座與耳式支座的選用條件

        熱應(yīng)力是指,在溫度改變時,構(gòu)件內(nèi)部存在溫度梯度,且物體的熱膨脹受到約束,使其不能完全自由膨脹收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。在化工生產(chǎn)中,大量設(shè)備在高溫高壓工況下運行,若設(shè)備中的某一部件沒有保溫而裸露在環(huán)境溫度中時,常常會出現(xiàn)由于內(nèi)外溫差較大而引起的熱應(yīng)力過大,從而造成設(shè)備損壞或設(shè)備使用壽命縮短,形成安全隱患,更甚者釀成不可估量的損失。

        在不考慮熱應(yīng)力的前提下,支耳的主要破壞形式是筒體局部應(yīng)力過大而造成的局部失穩(wěn)。在設(shè)計中,為了達到穩(wěn)定性的要求,通常會采取增加支耳數(shù)量或增大殼體壁厚的方式。但當(dāng)壁厚增大時,會使設(shè)備重量增加,成本增加;當(dāng)支耳數(shù)量增加時,可能造成殼體周圍空間不足,結(jié)構(gòu)梁支撐較難布置且各個支耳底面水平度難以統(tǒng)一的問題。按照經(jīng)濟合理、結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計原則,此時可選用剛性環(huán)支座代替耳式支座。

        剛性環(huán)支座要求的殼體壁厚相對較薄,適用于大中型薄壁容器的安裝。從結(jié)構(gòu)角度上看,剛性環(huán)支座帶有上下兩個剛性環(huán),增大了抵抗連接處局部應(yīng)力的能力,對于薄壁容器,其穩(wěn)定性大于耳式支座;從經(jīng)濟角度上看,選用耳式支座所增加的筒體材料費用遠大于剛性環(huán)支座的制造費用;從安裝性能上看,剛性環(huán)支座可以確保底板的平整性,其安裝精度優(yōu)于耳式支座[4-6]。

        對于高溫下的大型立式容器,即使設(shè)備設(shè)有保溫,由于部分結(jié)構(gòu)裸露在環(huán)境中且支座底板與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)相連接,支座內(nèi)部也存在較大的溫度梯度,此時,將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

        下面以某立式設(shè)備為例,在分別考慮相同保溫厚度和不同保溫厚度的情況下,對剛性環(huán)支座和耳式支座兩種不同的支撐方式進行分析和比較,從而對兩種支座的優(yōu)缺點和適用情況進行探討。

        2 分析計算

        2.1 設(shè)備介紹

        某工程項目的立式設(shè)備,直徑為2100mm,高度為23.5m,設(shè)備最大質(zhì)量為210t。設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,支座位置和設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1 及圖2。該容器采用剛性環(huán)支座,設(shè)有8 個支耳懸掛固定在基礎(chǔ)上。

        圖1 設(shè)備剛性環(huán)支座俯視

        圖2 設(shè)備外形結(jié)構(gòu)圖

        表1 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)

        本設(shè)備選用非標(biāo)準剛性環(huán)支座,上下各設(shè)有一塊剛性環(huán)板加強支座的剛度。剛性環(huán)支座結(jié)構(gòu)見圖3,具體參數(shù)見表2。作為對比,該設(shè)備使用耳式支座時的支座結(jié)構(gòu)見圖4,具體參數(shù)見表3。

        表3 耳式支座結(jié)構(gòu)參數(shù)

        圖3 剛性環(huán)支座結(jié)構(gòu)

        圖4 耳式支座結(jié)構(gòu)

        表2 剛性環(huán)支座結(jié)構(gòu)參數(shù)

        2.2 有限元模型

        2.2.1 分析方法介紹

        本文運用ANSYS 軟件對剛性環(huán)支座進行有限元建模和應(yīng)力分析,以確定在相應(yīng)載荷作用下各部件的受力狀況。有限元分析的基本思想是,將復(fù)雜的幾何受力模型劃分為形狀簡單的單元,構(gòu)建單元的結(jié)構(gòu)方程,通過單元與單元之間的節(jié)點連接關(guān)系,得到結(jié)構(gòu)整體剛度方程,根據(jù)位移約束和受力狀態(tài),處理邊界條件,進行求解。

        本文采用順序耦合法,即以特定的順序求解單個物理場的模型。在建立模型、劃分網(wǎng)格后,先進行熱分析,隨后轉(zhuǎn)換單元類型進行結(jié)構(gòu)分析,將熱分析的結(jié)果作為溫度載荷施加到結(jié)構(gòu)分析中,完成熱力耦合計算。

        2.2.2 模型簡化與網(wǎng)格劃分

        為方便計算,對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行簡化,并根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及載荷特性,建立1/8 模型,將立式容器帶剛性環(huán)支座模型簡化見圖5,立式容器帶耳式支座模型簡化見圖7。

        圖5 立式容器帶剛性環(huán)支座幾何模型

        圖7 立式容器帶耳式支座幾何模型

        由于本臺設(shè)備涉及傳熱分析,為保證精度,殼體和耳座均以實體單元建模,傳熱分析采用實體熱單元SOLID70 劃分網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)分析采用SOLID185單元劃分網(wǎng)格。SOLID70 單元有8 個節(jié)點,且每個節(jié)點上只有一個溫度自由度,具有三個方向的熱傳導(dǎo)能力,可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析,從而實現(xiàn)勻速熱流的傳遞。SOLID185 單元有8 個節(jié)點,且每個節(jié)點有三個沿著XYZ 平移的自由度,單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力[7-10]。立式容器帶剛性環(huán)支座網(wǎng)格模型見圖6,立式容器帶耳式支座網(wǎng)格模型見圖8。由于墊板四周的焊縫非本文重點考慮區(qū)域,忽略墊板與筒體之間的間隙,在模型中,墊板與筒體緊密貼合。

        圖6 立式容器帶剛性環(huán)支座網(wǎng)格模型

        圖8 立式容器帶耳式支座網(wǎng)格模型

        2.2.3 載荷約束

        本文主要討論不同設(shè)計溫度及結(jié)構(gòu)形式下的設(shè)備的熱應(yīng)力問題,因此,只考慮重力、設(shè)備內(nèi)壓及溫度載荷,而忽略地震載荷、風(fēng)載荷及偏心載荷的影響。傳熱分析:在殼體內(nèi)表面施加介質(zhì)溫度與殼體介質(zhì)的對流換熱系數(shù)之和,在保溫外表面與結(jié)構(gòu)裸露在環(huán)境中的表面施加環(huán)境溫度與空氣的對流換熱系數(shù)之和,得到溫度分布場;結(jié)構(gòu)分析:在耳座底板下表面受基礎(chǔ)支撐的區(qū)域施加軸向約束,并在對稱面施加對稱約束。

        2.3 結(jié)果與分析

        2.3.1 相同保溫厚度下支座的溫度分布

        當(dāng)環(huán)境溫度為20℃,設(shè)計溫度分別為20℃、100℃、200℃、295℃時,在考慮相同保溫厚度100mm 的條件下,剛性環(huán)支座的溫度分布見圖9~12,耳式支座的溫度分布見圖13~16。

        圖9 設(shè)計溫度20℃剛性環(huán)支座溫度分布

        圖10 設(shè)計溫度100℃剛性環(huán)支座溫度分布

        圖11 設(shè)計溫度200℃剛性環(huán)支座溫度分布

        圖13 設(shè)計溫度20℃耳式支座溫度分布

        圖14 設(shè)計溫度100℃耳式支座溫度分布

        圖15 設(shè)計溫度200℃耳式支座溫度分布

        總體而言,熱量沿徑向向外擴散。在該方向上,由于鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)遠高于保溫層,因此筒體和墊板上的溫度梯度很??;在保溫層區(qū)域上下環(huán)板(蓋板和底板)的溫度也與墊板接近,溫度梯度較??;保溫層外部,耳座溫度迅速降低,溫度梯度明顯。隨著設(shè)計溫度的升高,各區(qū)域的溫度梯度也等比例提高。

        2.3.2 相同保溫厚度下溫度對剛性環(huán)支座的應(yīng)力分布影響

        當(dāng)環(huán)境溫度為20℃,設(shè)計溫度分別為20℃、100℃、200℃、295℃時,在考慮相同保溫厚度100mm 的條件下,剛性環(huán)支座的應(yīng)力分布云圖見圖17~20,通過定義路徑的方式讀取應(yīng)力值,剛性環(huán)支座的下環(huán)板與支座底板連接處夾角附近的應(yīng)力值見表4。

        圖17 設(shè)計溫度20℃剛性環(huán)支座應(yīng)力分布

        圖18 設(shè)計溫度100℃剛性環(huán)支座應(yīng)力分布

        圖19 設(shè)計溫度200℃剛性環(huán)支座應(yīng)力分布

        圖20 設(shè)計溫度295℃剛性環(huán)支座應(yīng)力分布

        表4 剛性環(huán)支座的下環(huán)板與支座底板連接處夾角附近的應(yīng)力值

        由圖可知,當(dāng)設(shè)計溫度為20℃時,無熱應(yīng)力產(chǎn)生,剛性環(huán)支座整體應(yīng)力值較低,小于筒體處應(yīng)力值。

        隨著設(shè)計溫度的升高,耳座內(nèi)部出現(xiàn)溫差,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在筋板外側(cè)的下環(huán)板外沿。隨著設(shè)計溫度的不斷升高,該處應(yīng)力逐漸增大,直至發(fā)生開裂。

        2.3.3 相同保溫厚度下溫度對耳式支座的應(yīng)力分布影響

        當(dāng)環(huán)境溫度為20℃,設(shè)計溫度分別為20℃、100℃、200℃、295℃時,在考慮相同保溫厚度100mm 的條件下,耳式支座的應(yīng)力分布云圖見圖21~24,通過定義路徑的方式讀取應(yīng)力值,耳式支座底板、筋板與筒體連接處附近的應(yīng)力值見表5。

        表5 耳式支座的應(yīng)力最大值

        圖21 設(shè)計溫度20℃耳式支座應(yīng)力分布

        圖22 設(shè)計溫度100℃耳式支座應(yīng)力分布

        圖23 設(shè)計溫度200℃耳式支座應(yīng)力分布

        圖24 設(shè)計溫度295℃耳式支座應(yīng)力分布

        由圖可知,當(dāng)設(shè)計溫度為20℃時,無熱應(yīng)力產(chǎn)生,最大應(yīng)力出現(xiàn)在耳座底板、筋板與墊板連接處附近。

        隨著設(shè)計溫度的升高,耳座內(nèi)部出現(xiàn)溫差,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。最大應(yīng)力位置未發(fā)生變化。

        2.3.4 不同保溫厚度下溫度對支座的應(yīng)力分布影響

        當(dāng)環(huán)境溫度為20℃,設(shè)計溫度為295℃,保溫厚度分別為50mm、200mm 時,耳式支座的溫度分布云圖見圖25~26 所示,剛性環(huán)支座的溫度分布云圖見圖27~28 所示;保溫厚度為100mm 時,剛性環(huán)支座的溫度分布云圖見圖12,耳式支座的溫度分布云圖見圖16。

        圖12 設(shè)計溫度295℃剛性環(huán)支座溫度分布

        圖16 設(shè)計溫度295℃耳式支座溫度分布

        圖25 保溫厚度50mm 耳式支座溫度分布

        圖26 保溫厚度200mm 耳式支座溫度分布

        圖27 保溫厚度50mm 剛性環(huán)支座溫度分布

        圖28 保溫厚度200mm 剛性環(huán)支座溫度分布

        在溫度分布的基礎(chǔ)上,分別完成耳式支座的應(yīng)力分布計算和剛性環(huán)支座的應(yīng)力分布計算,通過定義路徑的方式讀取應(yīng)力值,剛性環(huán)支座的下環(huán)板與支座底板連接處夾角附近的應(yīng)力值見表6,耳式支座底板、筋板與筒體連接處附近的應(yīng)力值見表7。

        表6 剛性環(huán)支座的下環(huán)板與支座底板連接處夾角附近的應(yīng)力值

        表7 耳式支座的應(yīng)力最大值

        2.3.5 熱應(yīng)力對不同結(jié)構(gòu)支座的影響

        將設(shè)計溫度分別為20 ℃、100 ℃、200 ℃、295℃時,在考慮相同保溫厚度100mm 的條件下,剛性環(huán)支座與耳式支座的最大應(yīng)力值見圖29。

        圖29 剛性環(huán)支座與非剛性環(huán)支座的的最大應(yīng)力值

        當(dāng)設(shè)計溫度為295℃時,剛性環(huán)支座的徑向位移見圖30,耳式支座的徑向位移見圖31。

        圖30 設(shè)計溫度295℃剛性環(huán)支座徑向位移

        圖31 設(shè)計溫度295℃耳式支座徑向位移

        當(dāng)設(shè)計溫度為20℃時,即無熱應(yīng)力時,剛性環(huán)支座的應(yīng)力整體小于耳式支座。因此,在設(shè)計溫度與環(huán)境溫度相近時,大型立式薄壁容器可使用剛性環(huán)支座代替耳式支座,以達到節(jié)約材料、節(jié)省成本的目的。

        隨著設(shè)計溫度的升高,支座溫差逐漸增大,剛性環(huán)支座與耳式支座的應(yīng)力均隨之提升,且剛性環(huán)支座應(yīng)力提升速度遠高于耳式支座。即熱應(yīng)力對剛性環(huán)支座影響更大。

        在高溫工況下,剛性環(huán)支座的熱應(yīng)力主要表現(xiàn)為下環(huán)板外沿的環(huán)向拉應(yīng)力。這是由于在重力作用下,剛性環(huán)支座的下環(huán)板受環(huán)向拉應(yīng)力作用,上環(huán)板受環(huán)向壓應(yīng)力作用。設(shè)備內(nèi)部溫度高于環(huán)境溫度時,耳座上下環(huán)板將沿徑向產(chǎn)生溫度梯度。環(huán)板內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè),內(nèi)側(cè)的膨脹受到外側(cè)限制,因此,上下環(huán)板將產(chǎn)生內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)受拉的環(huán)向熱應(yīng)力。對于上環(huán)板的外沿,重力和溫度載荷產(chǎn)生的應(yīng)力能相互抵消;而對于下環(huán)板的外沿,重力和溫度載荷產(chǎn)生的應(yīng)力相互疊加。

        對于耳式支座,在重力和溫度載荷單獨作用下,底板與蓋板的受力與剛性環(huán)支座相同。但耳式支座的底板和蓋板是斷開的,環(huán)向膨脹受到的限制小,因此,底板環(huán)向應(yīng)力增加并不明顯。耳式支座的底板、筋板與墊板連接處同時存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)和較大溫度梯度而產(chǎn)生最大應(yīng)力。

        耳式支座的熱應(yīng)力受保溫厚度影響較大,在不同保溫厚度下,隨著保溫厚度的增加,熱應(yīng)力逐漸減小;剛性環(huán)支座的熱應(yīng)力受保溫厚度影響不大。

        設(shè)備的徑向膨脹量由設(shè)備尺寸、設(shè)計溫度和材料線膨脹系數(shù)決定,與支座形式無關(guān)。對于該設(shè)備,設(shè)計溫度為295℃時,最大徑向位移為4.5mm。建議設(shè)備地腳螺栓孔采用長圓孔,防止設(shè)備的徑向膨脹受到地腳螺栓的限制從而導(dǎo)致設(shè)備熱應(yīng)力的升高。

        3 結(jié)語

        本文通對某一典型立式設(shè)備的剛性環(huán)支座和耳式支座的結(jié)構(gòu)進行有限元分析,得到不同設(shè)計溫度下的溫度分布、應(yīng)力分布以及徑向位移,比較了不同工況下兩種支座的應(yīng)力變化趨勢。通過計算和分析,得出以下結(jié)論:

        (1)對于耳式支座,應(yīng)力最大值位置出現(xiàn)在筋板、下底板與墊板相連接位置附近;對于剛性環(huán)支座,應(yīng)力最大值位置出現(xiàn)在底板、筋板與墊板的連接處。在設(shè)備運行過程中,這些位置易產(chǎn)生裂紋,影響設(shè)備的使用壽命。

        (2)對于承受內(nèi)壓的大型立式薄壁容器,當(dāng)環(huán)境溫度與設(shè)計溫度相差不大時,可優(yōu)先選擇剛性環(huán)支座進行支撐。

        (3)當(dāng)立式設(shè)備設(shè)計溫度較高時,選取支撐方式時應(yīng)充分考慮溫差引起的熱應(yīng)力,設(shè)計中應(yīng)盡量避免使用剛性環(huán)支座。

        (4)當(dāng)考慮經(jīng)濟成本及場地限制等條件后,仍需選用剛性環(huán)支座,應(yīng)對連接處的熱應(yīng)力進行計算分析,確保設(shè)計的準確合理。

        (5)耳式支座的熱應(yīng)力受保溫厚度影響較大,剛性環(huán)支座的熱應(yīng)力受保溫厚度影響不大。

        (6)當(dāng)立式設(shè)備設(shè)計溫度較高時,支座螺栓孔建議選取徑向長圓孔。

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