朱 輝 魏東波 王明國(guó)

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司 武漢 430223）

塔器是石油、化工工業(yè)生產(chǎn)裝置中經(jīng)常采用且不可或缺的單元操作設(shè)備，其工藝性能的好壞對(duì)整個(gè)生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣、生產(chǎn)能力大小以及能耗高低等都有著極為重大的影響，而塔器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度設(shè)計(jì)則對(duì)其工藝性能有著直接或間接的影響，相對(duì)于其他化工設(shè)備，塔器的強(qiáng)度計(jì)算較為復(fù)雜，尤其是高徑比較大的細(xì)高塔器，不僅要考慮內(nèi)/外壓和溫度等對(duì)塔體材料強(qiáng)度的計(jì)算的影響，還要考慮風(fēng)載荷、地震載荷以及管道載荷等外載荷對(duì)塔器設(shè)備強(qiáng)度的影響，甚至有時(shí)還要考慮水壓試驗(yàn)、吊裝和運(yùn)輸?shù)纫蛩貙?duì)塔體厚度的影響。因此，對(duì)塔器進(jìn)行可靠且合理的設(shè)計(jì)則顯得尤為重要。

PV Elite 是一款專(zhuān)業(yè)的壓力容器設(shè)計(jì)軟件，其不僅融合了當(dāng)今美標(biāo)與歐標(biāo)壓力容器設(shè)計(jì)體系中的主流設(shè)計(jì)規(guī)范（如ASME Ⅷ-1 &Ⅷ-2，PD 5500 和EN 13445 等），而且其因豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)、完整的計(jì)算方法、可靠的分析計(jì)算結(jié)果以及響應(yīng)規(guī)范更新及用戶反饋及時(shí)等諸多優(yōu)勢(shì)而被全球廣大業(yè)主、制造單位及工程公司等所認(rèn)可。

本文結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及使用經(jīng)驗(yàn)，介紹了幾個(gè)對(duì)于使用PV Elite 軟件并采用ASME 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行建造的塔器進(jìn)行建模和校核計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)著重注意和考慮的問(wèn)題，以便提醒和指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員能夠更全面完整地進(jìn)行塔式容器的校核計(jì)算，保證塔器操作的穩(wěn)定性和安全性。

1 基于PV Elite 軟件進(jìn)行塔器校核計(jì)算應(yīng)注意的問(wèn)題

1.1 裙座支撐地腳螺栓計(jì)算方法的選擇

塔器一般是由塔體和支座兩部分組成，對(duì)于塔器的支撐一般有裙座、腿式支座、耳式支座以及支撐式支座等形式。而相比其他支座，裙座因其結(jié)構(gòu)性能更好，與塔體連接處產(chǎn)生的局部應(yīng)力最小，是塔器（和大型立式容器）廣泛采用的支撐形式。裙座主要用于支撐塔體，即用來(lái)正確地固定塔的位置，并通過(guò)地腳螺栓與基礎(chǔ)/結(jié)構(gòu)相連接，防止塔在風(fēng)載荷、地震載荷或其他附加載荷的作用下傾倒，進(jìn)而防止造成塔器整體的操作失效。因此，地腳螺栓座的設(shè)計(jì)對(duì)保證塔器正常運(yùn)轉(zhuǎn)是很重要的因素。

PV Elite 軟件中關(guān)于裙座地腳螺栓的校核計(jì)算主要有簡(jiǎn)化法（Simplified）和中性軸偏移法（Neutral Axis Shifted），其中簡(jiǎn)化法計(jì)算的基本原理與文獻(xiàn)[1-2]中所介紹的維赫曼法類(lèi)似，即將地腳螺栓化作同面積的當(dāng)量圓筒，并假設(shè)基礎(chǔ)截面為完全的混凝土環(huán)形截面。該方法形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，適用于設(shè)備基礎(chǔ)為混凝土和鋼結(jié)構(gòu)，但計(jì)算結(jié)果較為保守，計(jì)算出所需的地腳螺栓面積、基礎(chǔ)環(huán)板厚度以及混凝土壓力等值都較大。我國(guó)NB/T 47041—2014《塔式容器》中的關(guān)于地腳螺栓的校核計(jì)算也是借鑒簡(jiǎn)化法。中性軸偏移法即文獻(xiàn)[1-2]中所提到的泰勒法，該方法把基礎(chǔ)截面看成是鋼與混凝土的組合界面，并考慮到鋼與混凝土彈性模量的不同來(lái)確定在傾覆力矩作用下中性軸的位置。相比簡(jiǎn)化法，中性軸偏移法所計(jì)算得出的地腳螺栓面積、基礎(chǔ)環(huán)板厚度以及混凝土壓力等值都較小，但該方法并不適用于設(shè)備基礎(chǔ)為鋼基礎(chǔ)的地腳螺栓的校核計(jì)算。

對(duì)于矮胖型（H/D≤5）塔器，其結(jié)構(gòu)立面比較規(guī)則，剛度和質(zhì)量沿高度分布均勻，受風(fēng)和地震載荷影響較小，上述2 種方法的計(jì)算結(jié)果相差不大；但是對(duì)于細(xì)高型（H/D＞5）塔器，受風(fēng)和地震載荷影響較大，建議選用中性軸偏移法。PV Elite 軟件里所提供的Brn.&Young Analysis 計(jì)算方法其原理也是基于中性軸偏移法，該方法理論相對(duì)系統(tǒng)和完善，考慮到裙座筒體與地腳螺栓座的剛性協(xié)調(diào)，對(duì)裙座筒體的最小厚度有一定要求，也被國(guó)外廣大用戶推薦使用，特別是對(duì)于高徑比H/D＞15 且H＞30 m 的塔器推薦使用。

1.2 注意塔器筒體/裙座建模計(jì)算時(shí)的合理分段

當(dāng)對(duì)塔器進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)，一般要考慮對(duì)塔器筒體/裙座進(jìn)行分段，尤其是受風(fēng)和地震載荷影響較大的細(xì)高塔。而其分段的主要原因：1）因?yàn)樗w不等截面（如不等直徑和不等壁厚）的結(jié)構(gòu)分段；2）自振周期、風(fēng)載荷和地震載荷計(jì)算時(shí)需要考慮塔體的計(jì)算分段。

對(duì)于不等壁厚的結(jié)構(gòu)分段，通常是當(dāng)塔體壁厚受風(fēng)或地震載荷控制時(shí)，因?yàn)轱L(fēng)或地震載荷引起的彎矩隨著塔體的高度而自下而上遞減，因此從等強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性考慮，將塔體分為自下而上逐段遞減的厚度段，如塔體存在不等直徑筒體，則變徑殼體應(yīng)單獨(dú)分為一段或多段[3]。對(duì)于計(jì)算分段，不管是等截面筒體（筒體內(nèi)徑和壁厚相同）還是不等截面筒體（不等直徑或不等壁厚），一般都要結(jié)合結(jié)構(gòu)分段再將塔體合理地分成若干個(gè)計(jì)算段，以提高計(jì)算的精確度。然而結(jié)構(gòu)分段也不是越多越好，因?yàn)橐紤]制造和經(jīng)濟(jì)因素，計(jì)算分段也并不是分段越多計(jì)算差別越大或精度越高。

為了驗(yàn)證計(jì)算分段數(shù)對(duì)于塔器校核計(jì)算的大致影響，筆得使用PV Elite 軟件對(duì)某國(guó)外項(xiàng)目中1 臺(tái)直徑為φ2 800 mm，壁厚為40 mm，塔體長(zhǎng)度為50 m 的塔器進(jìn)行建模核算，在其他條件均一致的情況下，對(duì)筒體分別進(jìn)行不同等長(zhǎng)度分段，其裙座基礎(chǔ)風(fēng)彎矩、地震彎矩和自振周期計(jì)算對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 塔體不同分段數(shù)相關(guān)計(jì)算參數(shù)對(duì)比

從表中可以看出，當(dāng)筒體分為5 段時(shí)，風(fēng)彎矩較僅1 段筒體時(shí)約降低4.63%，地震彎矩較僅1 段時(shí)約增加17%，自振周期較僅1 段時(shí)約減小14.15%；而當(dāng)筒體分段超過(guò)10 段之后，上述3 個(gè)參數(shù)基本沒(méi)有太大變化。

由此可見(jiàn)，筒體的計(jì)算分段在一定個(gè)數(shù)內(nèi)對(duì)于塔器的校核計(jì)算有較大影響，但是當(dāng)超過(guò)一定分段數(shù)后，再增加分段數(shù)對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響程度卻越來(lái)越小。而且對(duì)于高徑比較小的塔器，因?yàn)轱L(fēng)和地震載荷對(duì)其影響較小，也沒(méi)必要對(duì)其進(jìn)行過(guò)多分段。還有在使用PV Elite 軟件進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，過(guò)多的分段也會(huì)增加建模的復(fù)雜性和模型調(diào)整修改的難度，尤其是高塔并帶有塔盤(pán)或填料、較多接管以及平臺(tái)爬梯等附屬元件的情況，而且對(duì)于高徑比較小的塔器也沒(méi)必要過(guò)多分段。因此在使用PV Elite 軟件進(jìn)行塔器校核計(jì)算時(shí)應(yīng)結(jié)合塔器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行合理的建模分段，以便提高設(shè)計(jì)計(jì)算效率和計(jì)算精度。

1.3 建議考慮軸向應(yīng)力對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的影響

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算是壓力容器設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，然而按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般只考慮壓力載荷的作用，但是對(duì)于塔器來(lái)說(shuō)，除了壓力載荷外，還要考慮風(fēng)載荷、地震載荷、附加外載荷以及偏心載荷等對(duì)其所造成的影響，尤其是對(duì)于低壓高塔。這些載荷作用于塔體將會(huì)產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)力，當(dāng)疊加以后的軸向應(yīng)力超過(guò)筒體環(huán)向應(yīng)力時(shí)，此時(shí)筒體所需的厚度并不是由內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力決定的，而是由風(fēng)載荷、地震載荷及內(nèi)壓等共同作用引起的軸向應(yīng)力決定的。因此，對(duì)于采用等面積法進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)就需要考慮可能由軸向應(yīng)力所控制的厚度來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而只考慮內(nèi)壓作用進(jìn)行等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是不充分且不安全的，李燕平等人[4-7]也曾對(duì)該問(wèn)題做了相關(guān)的研究和說(shuō)明。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于輔助設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件SW6 并沒(méi)有考慮軸向應(yīng)力對(duì)于開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的影響，然而PV Elite軟件則考慮到這一點(diǎn)，可以通過(guò)勾選軟件Load Cases界面中的Consider External Loads for Nozzle Tr 來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1 中標(biāo)紅所示。勾選后，軟件會(huì)根據(jù)由內(nèi)壓或軸向應(yīng)力所控制的筒體厚度對(duì)其上接管進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核計(jì)算。因此建議設(shè)計(jì)人員在使用PV Elite 軟件進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行勾選，以便考慮軸向應(yīng)力對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的影響，提高開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的安全性。

圖1 PV Elite Load Cases 選項(xiàng)

下面將以實(shí)際的計(jì)算案例進(jìn)行驗(yàn)證說(shuō)明：某塔器采用ASME Ⅷ-1 規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，塔器結(jié)構(gòu)尺寸為φ4 400 mm×49 600 mm（T-T），相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。塔體距下封頭切線1 200 mm 處有一公稱(chēng)直徑為DN600的接管，采用PV Elite 軟件對(duì)該接管進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)核算，當(dāng)不考慮由風(fēng)載荷所引起軸向應(yīng)力時(shí)，開(kāi)孔處所需的補(bǔ)強(qiáng)面積為4 182.19 mm2，而當(dāng)考慮由風(fēng)載荷所引起的軸向應(yīng)力時(shí)，此時(shí)開(kāi)孔處所需補(bǔ)強(qiáng)面積為8 191.32 mm2。由此可見(jiàn)，計(jì)算結(jié)果相差較大，此時(shí)若按照前得所需的補(bǔ)強(qiáng)面積進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是不安全的。

1.4 盡可能確保模型建立的完整性和全面性

PV Elite 軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備主體結(jié)構(gòu)整體3D模型的建立，而且對(duì)于大部分塔體附件及附加載荷等也可以根據(jù)相關(guān)參數(shù)于模型中呈現(xiàn)，如：操作介質(zhì)、附塔管線、塔盤(pán)或填料、保溫層、平臺(tái)爬梯以及集中載荷等。這些附屬元件/載荷在對(duì)塔器的強(qiáng)度/剛度和基礎(chǔ)進(jìn)行多工況（操作工況、安裝工況以及水壓試驗(yàn)工況等）校核時(shí)有較大影響，因此設(shè)計(jì)人員在對(duì)塔器進(jìn)行建模校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更加全面地考慮上述因素的影響，以保證塔器受力分析的完整性和安全性。

在實(shí)際的項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，有時(shí)因?yàn)閷?zhuān)業(yè)進(jìn)度的原因，有些對(duì)于高塔設(shè)備有影響的專(zhuān)業(yè)條件一般反饋較晚，如各平臺(tái)爬梯位置以及與附塔管線角度等，這對(duì)于風(fēng)載荷計(jì)算有一定影響。PV Elite 軟件里可以通過(guò)調(diào)整每個(gè)計(jì)算單元的迎風(fēng)直徑放大系數(shù)k（Wind Diameter Multiplier）來(lái)計(jì)算風(fēng)載荷中筒體有效直徑De，De=kD，其中D=筒體外徑+2×保溫層厚度[8]。

在初步校核計(jì)算時(shí)，可按表3 中的數(shù)值來(lái)調(diào)整PV Elite 模型中各主體計(jì)算單元的k以省略附塔管線、平臺(tái)和爬梯模型的建立。

表3 有效直徑De

2 結(jié)論

塔器相比其他化工容器，需要考慮的影響因素較多，致使其強(qiáng)度計(jì)算較為復(fù)雜，本文提出了幾個(gè)在使用PV Elite 軟件進(jìn)行塔器校核計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題，如合理選擇地腳螺栓的計(jì)算方法、對(duì)塔器進(jìn)行合理分段建模計(jì)算以及考慮軸向應(yīng)力對(duì)于開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的影響等，以便提示和指導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)人員能夠全面考慮對(duì)塔器設(shè)計(jì)計(jì)算的影響因素，確保塔器設(shè)計(jì)的可靠性、合理性和安全性。