基于ANSYS的直立塔局部塔体更换加固结构方案设计

， ， ， (南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816)

设计计算

基于ANSYS的直立塔局部塔体更换加固结构方案设计

张维，董金善，范森，顾付伟
(南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816)

针对直立塔设备局部塔体更换问题，设计了加固结构方案，采用有限元法对加固结构进行强度性能研究，比较了5种工况及加固元件组数对塔体结构应力分布的影响。研究结果表明，风载、地震载荷从180°方向作用于塔体为最危险工况，塔体结构的强度性能随加固元件组数减少而增大，加固元件减少至4组时，应力显著增加。提出了加固元件组数为4的加固结构改进方案，改进后塔体结构满足强度要求，且抗失稳能力是标准规定的1.56倍，满足施工要求，降低了施工成本，具有实际工程参考价值。

塔体； 加固结构； 更换； 强度； 稳定性； 有限元法； 改进

在石油、化肥、化工等生产过程中，大型直立塔的应用极为广泛。对于长期运行的塔设备，由于介质的腐蚀或者介质对塔体的长期冲刷，导致塔体局部厚度减薄，塔的承载能力降低。亦或在苛刻的工况条件下，介质、压力和温度的共同作用导致局部塔体鼓胀变形，甚至泄漏，极易发生安全事故。为了保证塔的安全使用，需要对不满足要求的塔体段进行更换。

直立塔局部塔体的现场更换方案主要有局部塔体的整体更换以及局部塔体的逐片分割、逐片吊装、逐片焊接更换方案。陈海峰、刘望军、杨青山等详细介绍了局部塔体整体更换的现场施工方案[1-3]，采用大型吊装设备吊起塔体上端，并搭建操作平台，将所需更换的塔体切割移除，然后对局部塔体进行整体更换。此更换方案适合于内径比较小的塔，内径较大、塔体较高的大型塔对大型吊装设备的承载能力要求则极高，对施工场地要求也较高，并且存在耗资巨大、维修费用昂贵和施工工期长等缺点。采用逐片分割、逐片吊装、逐片焊接的施工方案则不受操作空间的限制，可以在狭窄的空间内施工操作，无需大型吊装设备，操作简单方便，而且维修成本低。唐庆武、谢仁庆详细介绍了逐片分割、逐片吊装、逐片焊接的现场施工方案，将更换段塔体按施工要求分割成片进行吊装焊接[4，5]。

逐片分割塔体相当于对更换段筒体进行开孔[6，7]，开孔会破坏塔体结构的连续性，削弱塔体的承载能力，需要在更换段设置加固支撑结构。王大新、徐建华提到在塔体现场更换中临时加固支撑结构，但未考虑局部塔体加固结构受风载、地震载荷、重力等复杂载荷的影响[8，9]。现有文献中多采用有限元分析软件ANSYS对塔体强度和稳定性进行分析[10-15]，而对塔体局部加固结构的有限元分析几乎没有。

为此，笔者借助ANSYS软件，考虑风载、地震载荷以及重力组合载荷作用，对某精制塔塔体局部更换加固结构进行改进设计，同时研究各工况下加固元件组数对塔体加固结构应力分布的影响。在满足强度和稳定性要求下，提出了加固元件组数为4的加固结构，对直立塔塔体的现场施工具有一定的参考价值。

1 精制塔局部加固结构尺寸及参数

某长期运行的精制塔为直立设备，塔体材质Q345R，质量349 044 kg，塔高50 300 mm，精制塔所在地区地震烈度7级，所在地区场地土类型为Ⅱ类，基本风压400 Pa。由于介质的冲刷，局部塔体厚度减薄。为确保塔的安全运行，在停工检修时需对1 500 mm长的Ø3 900 mm×18 mm局部塔体进行现场更换。

根据现场施工要求，采用逐片分割、逐片吊装、逐片焊接的方案进行施工。更换塔体处开孔尺寸为1 500 mm×1 500 mm，对更换塔体段的垂直方向采用牛腿、支撑管的形式进行加固。加固元件初步设定为8组，沿塔体周向均匀布置，具体加固结构见图1。

1.支撑管 2.塔体开孔 3.牛腿底板 4.牛腿筋板 5.牛腿垫板图1 精制塔局部塔体更换加固结构

加固结构部件中除了牛腿垫板材质为Q345R之外，其余部件的材质均为Q235B，支撑管材质为20钢。不考虑腐蚀裕量，考虑板材厚度的负偏差为0.3 mm，支撑管厚度负偏差12.5%，由此得到的加固支撑各部件的实际尺寸和计算尺寸见表1，材料的力学性能见表2。

表1 加固结构部件尺寸

表2 加固结构部件材料性能参数

2 精制塔局部塔体加固结构有限元分析

2.1 有限元计算工况

根据检修施工操作、塔体开孔(保守取缺口长度为圆周长的1/8)与加固结构的相对位置以及结构和载荷的对称性，在有限元计算中，默认风载荷和地震载荷作用于同一方向，同时考虑不同载荷方向对结构的影响，设置了5种计算工况，即风载、地震载荷分别从0°、45°、90°、135°、180°方向作用于塔体，见图2。

图2 风载、地震载荷对塔体作用方向

2.2 有限元模型及边界条件

选取塔体裙座、开孔塔体部分、牛腿及支撑管进行有限元建模。考虑到塔体内径很大，如果采用实体单元建模，网格数过于巨大，计算较为困难。鉴于壳单元模拟结果与实体单元模拟结果一致[16]，为提高计算效率，对计算模型中的塔体，加固结构中的垫板、筋板、底板及支撑管采用壳单元进行网格划分，得到的塔体局部加固支撑结构有限元模型见图3。

图3 塔体局部加固支撑结构有限元模型

精制塔塔体承受自身重力、风载以及地震载荷组成的组合载荷的作用。考虑组合载荷的施加，在塔体上端面创建刚性区，将精制塔349 044 kg质量产生的重力施加主控点。将风载荷和地震载荷等效成弯矩，根据NB/T 47041—2014《塔式容器》[17]，在塔正常运行或停工检修时计算截面的最大弯矩为5.656×109N·mm，将该最大弯矩施加在刚性区主控节点上。在塔体裙座底部端面施加全约束。

2.3 计算结果分析

塔体加固结构有限元计算结果表明，最危险工况为风载、地震载荷同时从180°方向作用于塔体，最危险工况下塔体加固结构的最大应力分布云图见图4。图4中最大应力出现在内表面，最大应力点位于开孔下端牛腿筋板与塔体的连接处，其数值为123.43 MPa。

图4 最危险工况下塔体加固结构最大应力强度云图

根据JB/T 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》[18]中的应力分类方法，将应力分为一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb、二次应力Q和峰值应力F，并根据不同的组合对应力进行评定。根据有限元计算结果，各工况下薄膜应力、薄膜应力加弯曲应力的最大应力点均在开孔塔体上，塔体加固结构的评定结果见表3。

表3 不同工况下塔体加固结构危险点应力评定结果

从表3所示的应力评定结果看，使用8组加固元件的加固结构具有足够的安全裕量，强度完全满足要求。但是从施工角度考虑，加固结构数量越少，成本越低，施工越方便。为此，对加固元件进行改进，将加固元件分别减少至6组、4组，并沿着塔体周向布置，见图5。

图5 不同组数加固元件周向布置示图

2.4 加固结构改进结果分析

利用ANSYS软件分别对4组、6组加固元件结构进行建模，在5种工况下进行应力求解。计算结果表明，最危险工况均为工况5，即风载、地震载荷同时从180°方向作用于塔体。加固元件组数不同时塔体最大应力分布云图见图6。

图6 加固元件组数不同时塔体最大应力分布云图

从图6看出，设置6组加固元件时，最大应力点位于塔体开孔下端牛腿筋板与塔体连接处，其数值为124.48 MPa；设置4组加固元件时，最大应力点位于塔体开孔下边缘，其数值为163.26 MPa。按照JB/T 4732—1995应力评定方法对设置4组、6组加固元件的结构分别进行应力评定，均满足强度要求。

为了分析加固元件组数对塔体加固结构应力分布的影响，提取不同加固元件组数的加固结构在各工况下的最大薄膜应力值和薄膜应力加弯曲应力值绘制成曲线，见图7。

图7 各工况下加固元件组数对塔体结构应力分布影响

从图7中各曲线可以看出，塔体加固支撑结构的最大薄膜应力和薄膜应力加弯曲应力均出现在工况5，并且从工况1到工况5的应力值总体呈递增的趋势。当加固元件由8组减少至6组时，最大薄膜应力为119.4 MPa，相比增加3.2%；最大薄膜应力加弯曲应力为124.5 MPa，相比增加了0.9%。而当加固结构由8组减少至4组时，最大薄膜应力为140.7 MPa，相比增加21.0%；最大薄膜应力加弯曲应力为163.3 MPa，相比增加32.3%。数据表明，加固元件设置为6组或8组时，塔体加固结构的应力分布相差不大；当加固元件减少至4组时，薄膜应力和弯曲应力都有明显提高。

通过塔体加固结构强度性能研究发现，最危险工况均出现在工况5，采用4组加固元件时塔体强度仍满足要求。基于降低施工成本、方便操作的原则，对最危险工况下改进后的加固结构进行稳定性分析。

3 精制塔塔体开孔加固结构稳定性分析

3.1 稳定性评定方法

塔体的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，结构受压侧存在着较大的压缩应力场，因此存在失稳的可能性。根据ASME Ⅷ-2(2015)《锅炉及压力容器规范》[19]，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。

载荷系数法即根据不同的载荷组合，引入载荷系数并将载荷适当放大，对压力容器及部件进行弹塑性分析，单调地逐步施加载荷。若计算中每步均能收敛到平衡，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。

3.2 稳定性分析过程及结果

考虑重力与风载、重力与地震载荷引起弯矩的组合作用，其载荷系数分别为2.1和2.7。将组合载荷分别乘以相应的载荷系数对塔体加固结构进行特征值屈曲分析，得到的特征值屈曲分析第一阶模态见图8。

图8 塔体加固结构特征值屈曲分析第一阶模态

将特征值屈曲分析第一阶模态变形的10%作为初始几何缺陷对加固结构进行非线性屈曲分析。当载荷达到结构临界承载能力时，微小载荷的增加都会使结构发生失稳变形，使得非线性屈曲分析计算结束并退出。经计算，塔体加固结构失稳时的最大变形为92.4 mm，见图9。

图9 最大承载能力下塔体加固结构失稳变形

根据稳定性评定要求，只要现有加固结构的承载能力大于经载荷系数放大的组合载荷，结构即满足稳定性要求。改进后加固结构的载荷-位移关系曲线见图10，图10纵坐标代表结构承载荷载与组合载荷的比值。从图10可以看出，现有加固结构下塔体最大承载能力是所要求承载能力的1.56倍，表明改进后加固结构的稳定性仍满足要求。

图10 改进后加固结构载荷-位移关系曲线

4 结语

采用有限元法对精制塔塔体加固结构进行强度性能研究，表明风载、地震载荷从180°方向作用于塔体时为最危险工况，对各工况进行应力评定，均满足强度要求。

通过改变加固元件组数，发现塔体的强度性能随加固元件组数减少而增大，加固元件从初步设定的8组减少至6组、4组，塔体最大薄膜应力分别提高3.2%和21.0%，最大薄膜应力加弯曲应力分别提高0.9%和32.3%。表明6组和8组加固元件对塔体结构应力分布影响相差不大，4组加固元件时塔体应力显著增大。提出了加固元件组数为4的改进方案并进行了稳定性分析，改进后塔体结构满足强度要求，抗失稳能力是要求承载能力的1.56倍。采用改进加固方案可节省施工材料，降低施工成本，具有实际应用参考价值。

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DesignofReinforcedStructureforLocalCylinder’sReplacementofTowerBasedonANSYS

ZHANGWei，DONGJin-shan，FANSen，GUFu-wei
(College of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 211816， China)

The reinforced structure was designed for local cylinder’s replacement of the tower. Intensity performance study for reinforced structure was carried out through finite element method and influences on stress distribution of the tower structure were analyzed by comparing with five design conditions and different number of strengthen components. The results showed that most dangerous working condition of the tower was happened when wind loads and earthquake loads were applied from 180° direction. Moreover，structure strength of tower increases with the decrease of reinforced components and the stress significantly increases while the number of strengthen components reduced to 4. Therefore，the reinforced structure improved with 4 strengthen components was put forward，which satisfied the requirement of strength. And the buckling resistance was 1.56 times of standard rules，which meet construction requirements. So construction cost was reduced and it was meaningful for actual engineering.

tower； reinforced structure； replacement； strength； stability； finite element method; improvement

1000-7466(2017)06-0024-06

2017-06-01

张 维(1990-)，男，江苏徐州人，在读硕士研究生，研究方向为过程装备现代设计方法。

TQ053.5；TE962

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.005

(张编)