塔器设备维修应力评定报告.docx

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塔器设备维修应力评定报告

1概述

本说明书借助大型有限元软件ANSYS，该计算程序已获得全国压力容器标准化技术委员会的认可，可以作为我国压力容器分析设计的有限元应力计算与分析软件。

利用ANSYS软件对该环氧乙烷精制塔维修过程中可能遇到的危险工况进行应力计算和屈曲分析，进而对该设备进行相应的强度和稳定性进行评估，从理论上确定此设计方法的安全性和可靠性。

2结构参数

2.1结构设计

环氧乙烷精制塔结构见附录。

2.2计算参数

塔器的设计参数：

表1环氧乙烷精制塔设计工况

参数

数值

基本风压

400N/m2

所在地区地震烈度

7级

所在地区场地土类型

Ⅱ类

重量

71927kg

材质

S30408

腐蚀裕量

筒体：

0mm

封头：

1.9mm

材料负偏差

0.3mm

本次计算分析对象为环氧乙烷精制塔设备施工加固结构。

该塔在检修时，需将一段塔体更换，采用局部割除、逐片吊装、逐片拼装焊接的方案进行。

更换段的筒体垂直方向采用牛腿、支撑杆的形式加固，结构及尺寸如图1所示。

本次分析采用ANSYS有限元软件建模，计算加固结构在重力、风载荷、地震载荷等作用下的力学行为，并根据JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005年确认）及2015版《ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ-2》对其进行强度和稳定性评定，保证检修施工的安全进行。

图1环氧乙烷精制塔设备施工加固结构及尺寸

3塔器施工加固结构的分析方案

3.1材料参数

环氧乙烷精制塔塔体采用S30408，加固结构的垫板与筒体同种材料，其他加固件材料为Q-235。

以上材料的物理性能及材料许用应力见表2。

表2材料性能参数

材料参数

S30408

Q-235

弹性模量E（MPa）

1.95e5

2.01e5

泊松比μ

0.3

0.3

许用应力（MPa）

137

116

屈服强度（MPa）

205

235

3.2计算工况的设置

根据检修施工操作、筒体缺口（保守的取缺口长度为1/2圆周长）与加固结构相对位置、结构和载荷的对称性，计算模型的危险情况如图2所示。

分析计算时，保守的认为风载荷和地震载荷作用位于同一方向，同时考虑了不同载荷方向对结构的影响，具体工况设置见表3，其中，方向角如图2所示。

图2计算模型的几何结构

表3计算工况的设置

序号

风载荷、地震载荷方向

工况1

0o

工况2

45o

工况3

90o

工况4

225o

工况5

270o

4塔器施工加固结构的有限元计算

4.1几何模型

根据塔设备施工加固结构的几何特点及载荷特点，取裙座及一段塔体为研究对象，模型的开孔位置距离裙座2020mm，分析模型主要包括塔体、加强圈、加固结构及裙座，如图3所示。

图3几何模型

4.2单元类型及分网

分析模型的塔体、加固结构中的底板、筋板、垫板及支撑管采用ANSYS软件的壳单元（Shell181）进行分网，加强圈采用梁单元（Beam189）进行分网，整个模型共有250272个单元，236552个节点，网格图见图4。

图4有限元网格

4.3载荷即边界条件

4.3.1位移边界条件

裙座底部端面施加固定约束（全约束）。

4.3.2载荷

在本报告的5个计算工况中，主要载荷包括：

重力、风载荷和地震载荷。

（1）重力

在分析模型的塔体上表面建立刚性平面，将71927Kg的质量产生的重力施加于主控点。

（2）风载荷和地震载荷

根据JB/T4710-2005《钢制塔式容器》，在正常或停工检修时，计算截面处的最大弯矩为：

经SW6计算，环氧乙烷塔设备底部截面的最大弯矩为2.462e9N.mm,将该弯矩施加于上述刚性区的主控点。

5塔设备施工加固结构的强度评定

5.1工况1下的强度评定

5.1.1加载情况

图5.1.1塔器工况1加载情况

刚性平面主控点施加轴向力Fz=-704884.6N；

刚性平面主控点施加弯矩MX=2.462e9N.mm；

裙座底部端面施加固定约束（全约束）。

5.1.2分析结果

图5.1.2塔设备施工加固结构内表面应力云图

图5.1.3塔设备施工加固结构中面应力云图

图5.1.4塔设备施工加固结构外表面应力云图

5.1.3强度评定

5.1.3.1设计规范及应力强度确定依据

计算结果表明结构中最大一次局部薄膜应力强度位于垂直于风向位置加强圈与筒体的连接处，最大一次薄膜应力+弯曲应力位于迎风面加强圈与筒体连接处。

根据规范JB4732-95（05确认版），本计算说明书对管板各部位强度的具体评定见表4。

表4塔设备施工加固应力评定

面位置

应力分类

应力值

评定

中面

局部薄膜应力

129.3

＜1.5×137

内表面

一次＋二次应力

260

＜3×137

外表面

一次＋二次应力

303.29

＜3×137

5.1.4结论

根据评定结果，在工况1条件下，该结构应力评定结果合格。

5.2工况2下的强度评定

5.2.1加载情况

图5.2.1塔器工况2加载情况

刚性平面主控点施加轴向力Fz=-704884.6N；

刚性平面主控点施加弯矩MX=1.7409e9N.mm；

刚性平面主控点施加弯矩My=-1.7409e9N.mm。

裙座底部端面施加固定约束（全约束）。

5.2.2分析结果

图5.2.2塔设备施工加固结构内表面应力云图

图5.2.3塔设备施工加固结构中面应力云图

图5.2.4塔设备施工加固结构外表面应力云图

5.2.3强度评定

5.2.3.1设计规范及应力强度确定依据

计算结果表明结构中最大一次局部薄膜应力强度位于垂直风向位置处加强圈与筒体的连接处，最大一次薄膜应力+弯曲应力位于外表面迎风面加强圈与筒体连接处。

根据规范JB4732-95（05确认版），本计算说明书对管板各部位强度的具体评定见表5。

表5塔设备施工加固应力评定

面位置

应力分类

应力值

评定

中面

局部薄膜应力

160.783

＜1.5×137

内表面

一次＋二次应力

241.261

＜3×137

外表面

一次＋二次应力

272.232

＜3×137

5.2.4结论

根据评定结果，在工况2条件下，该结构应力评定结果合格。

5.3工况3下的强度评定

5.3.1加载情况

图5.3.1塔器工况3加载情况

刚性平面主控点施加轴向力Fz=-704884.6N；

刚性平面主控点施加弯矩My=-2.462e9N.mm；

裙座底部端面施加固定约束（全约束）。

5.3.2分析结果

图5.3.2塔设备施工加固结构内表面应力云图

图5.3.3塔设备施工加固结构中面应力云图

图5.3.4塔设备施工加固结构外表面应力云图

5.3.3强度评定

5.3.3.1设计规范及应力强度确定依据

计算结果表明结构中最大一次局部薄膜应力强度位于背风面支撑平板与垫板连接的根部，最大一次薄膜应力+弯曲应力位于背风面垫板与筒体的连结处（背风面）。

根据规范JB4732-95（05确认版），本计算说明书对管板各部位强度的具体评定见表6。

表6塔设备施工加固应力评定

面位置

应力分类

应力值

评定

中面

局部薄膜应力

170.285

＜1.5×116

内表面

一次＋二次应力

264.464

＜3×116

外表面

一次＋二次应力

321.895

＜3×137

5.3.4结论

根据评定结果，在工况3条件下，该结构应力评定结果合格。

5.4工况4下的强度评定

5.4.1加载情况

图5.2.1塔器工况4加载情况

刚性平面主控点施加轴向力Fz=-704884.6N；

刚性平面主控点施加弯矩MX=-1.7409e9N.mm；

刚性平面主控点施加弯矩MY=1.7409e9N.mm。

裙座底部端面施加固定约束（全约束）。

5.4.2分析结果

图5.2.2塔设备施工加固结构内表面应力云图

图5.4.3塔设备施工加固结构中面应力云图

图5.4.4塔设备施工加固结构外表面应力云图

5.4.3强度评定

5.4.3.1设计规范及应力强度确定依据

计算结果表明结构中最大一次局部薄膜应力强度位于背风面加强圈与筒体的连接处，最大一次薄膜应力+弯曲应力位于背风面加强圈与筒体连接处。

根据规范JB4732-95（05确认版），本计算说明书对管板各部位强度的具体评定见表7。

表7塔设备施工加固应力评定

面位置

应力分类

应力值

评定

中面

局部薄膜应力

281.354

＜1.5×137

内表面

一次＋二次应力

123.264

＜3×137

外表面

一次＋二次应力

246.021

＜3×137

5.4.4结论

根据评定结果，在工况4条件下，该结构应力评定结果合格。

5.5工况5下的强度评定

5.5.1加载情况

图5.5.1塔器工况5加载情况

刚性平面主控点施加轴向力Fz=-704884.6N；

刚性平面主控点施加弯矩MX=2.462e9N.mm；

裙座底部端面施加固定约束（全约束）。

5.2.2分析结果

图5.5.2塔设备施工加固结构内表面应力云图

图5.5.3塔设备施工加固结构中面应力云图

图5.5.4塔设备施工加固结构外表面应力云图

5.5.3强度评定

5.5.3.1设计规范及应力强度确定依据

计算结果表明结构中最大一次局部薄膜应力强度位于背风面加强圈与筒体的连接处，最大一次薄膜应力+弯曲应力位于内表面背风面加强圈与筒体连接处。

根据规范JB4732-95（05确认版），本计算说明书对管板各部位强度的具体评定见表8。

表8塔设备施工加固应力评定

面位置

应力分类

应力值

评定

中面

局部薄膜应力

276.221

＜1.5×137

内表面

一次＋二次应力

185.682

＜3×137

外表面

一次＋二次应力

253.762

＜3×137

5.5.4结论

根据评定结果，在工况5条件下，该结构应力评定结果合格。

6环氧乙烷塔设备施工加固结构的稳定性评定

6.1稳定性评定方法

由上述载荷分析可知，塔设备施工加固结构在施工操作时主要承受重力的垂直压缩和弯矩的联合作用，结构在受压侧存在较大的压缩应力场，因此存在失稳的可能。

为了保证施工的安全进行，本报告根据2015版《ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ-2》，采用基于载荷系数的直接分析设计法对结构进行分析，防止由失稳引起的垮塌。

载荷系数法根据不同的载荷组合，引入载荷系数将载荷放大，对压力容器及部件进行弹塑性分析，单调的逐步施加载荷，若计算中每步都能收敛到平衡，则表明结构的抗力足以承受经载荷系数放大的载荷，设计是合格的。

SW6计算分析表明，该塔设备的最大弯矩主要由风弯矩控制，因此在分析中主要考虑了重力和风弯矩的组合作用（为了施加载荷计算方便，这里的风弯矩包括地震载荷产生的弯矩，同时2.7的地震载荷系数偏保守），其载荷系数分别为2.1和2.7。

分析中以结构特征值屈曲分析的第一阶模态变形的10%作为初始几何缺陷，考虑了几何非线性的影响，并保守地采用理想弹塑性材料来描述材料塑性。

报告对缺口受压的危险工况，进行了稳定性评定。

6.2塔设备施工加固结构的稳定性计算及评定

稳定性评定的危险工况为工况3。

在该工况下，为了进行稳定性评定并确定现有结构尺寸的安全余量，重力和风弯矩分别以2.1和2.7的载荷系数组合作为弹性屈曲分析的边界条件，塔设备施工加固结构第一阶特征值屈曲模态结果如图6.1所示，第一阶段屈曲特征值为2.78866，并以此屈曲阶段变形的10%作为初始几何缺陷引入结构，进行后续的非线性屈曲分析。

图6.1施工加固结构的特征值屈曲模态（载荷工况3）

在非线性屈曲分析中，由于弧长法的参数调整比较困难，很难收敛，这里采用牛顿-拉夫逊方法，把载荷适当放大，然后按照一般的非线性分析方法，保存每一个子步的结果（或尽量多保存一些结果），当分析不收敛而退出时（会将不收敛的结果保存为第999999组结果），到后处理查看结果，确认一下不收敛的结果相对前一子步是否或即将发生了突变。

如是，则可以把最后一个收敛的结果作为发生后屈曲的开始时间。

发生突变时塔器的变形如图6.2所示，图6.3表明塔设备施工加固结构的最大承载能力是所要求承载能力的1.21倍。

图6.2发生突变时塔器的变形

图6.3施工加固结构的组合载荷与位移的关系（工况3）

6.3结论

根据2015版《ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ-2》，采用基于载荷组合系数的直接分析设计法对结构进行屈曲分析，得到的图6.3载荷位移曲线表明，图1中的加固措施有足够的安全余量，能防止发生失稳引起的垮塌。

建议按照SH/T3524-2009《石油化工静设备现场组焊技术规程》、SH/T3514-2001《石油化工设备安装工程质量检验评定标准》等相关规定进行工程施工，加强结构中的垫板与塔体的贴合，并保证结构的焊接质量。

附录

设备结构如下图所示。