分离塔地脚螺栓有限元分析

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(南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816)

塔器是石油、化工等工业生产过程中的重要设备之一，由塔体、塔附属构筑物、塔支承基础3部分组成。安装时，通过预埋于基础内的地脚螺栓将塔器固定于基础之上，并施加适宜的螺栓预紧力确保塔体与塔的基础紧密连接，以防塔器产生滑移、扭转、倾斜等不利于安全高效生产的状况。对于预紧状态下的螺栓连接结构，国内学者已经进行了多项研究。陈泰炜[1]归纳提出了塔器地脚螺栓预紧力设定和控制的定量依据。李会勋等人[2]通过对比ANSYS模拟螺栓预紧力的预紧单元法、降温法和渗透接触法，发现有限元分析中预紧单元法能够较好地模拟实际预紧力的施加情况。管建军等人[3]研究了高温下工作的螺栓预紧状态的变化，并且给出了相关的应对措施。

文中以某化工厂分离塔的地脚螺栓为研究对象，通过ANSYS14.5有限元软件建立简化模型，在分离塔操作状态受风载但不考虑塔附属构筑物偏心质量引起的弯矩的条件下，施加不同大小的预紧力进行有限元计算，比较分析预紧力大小对螺栓应力以及塔体顺风方向变形的影响，为塔器的安全生产提供相关依据。

1 分离塔地脚螺栓受力理论计算

分离塔由20个M30地脚螺栓与塔的基础连接，地脚螺栓下部锚固于塔基础之内。为了验证模型简化的合理性以及仿真结果的准确性，对操作状态受风载的分离塔地脚螺栓的受力进行理论计算。分离塔理论计算简图见图1。

分离塔操作总质量m0=4.95×104kg，所受风载的基本风压q0=400 N/m2，第i计算段的顺风方向水平风力为[4]：

Fi=k1k2iq0LifiDei×10-6

(1)

式中，Fi为塔式容器第i计算段的水平风力，N；k1为体型系数，k2i为塔式容器第i计算段的风振系数，fi为风压高度变化系数；Li为塔式容器第i计算段的长度，Dei为塔式容器第i计算段的有效直径，mm。

分离塔各计算段顺风方向的水平风压计算参数以及具体的计算结果见表1。表1中相关参数的取值参照NB/T 47041—2014《塔式容器》[4]。

图1 分离塔理论计算简图

参数塔段号i1234567塔段位置/mm0～5 0005 000～10 00010 000～15 00015 000～20 00020 000～25 00025 000～26 86026 860～29 568塔段长度Li/mm5 0005 0005 0005 0005 0001 8602 708k1 0.70.70.70.70.70.70.7k2i1.071.271.521.762.062.222.29fi1.001.001.141.251.421.421.42Dei/mm2 6242 8242 8242 8242 8242 5481 632Fi/N3 9305 0206 8508 70011 6004 1804 020

塔底部截面处的风弯矩Mw、受风载时基础环与基础表面间虚拟最大拉应力σB以及风弯矩Mw对地脚螺栓产生的最大拉应力σ分别按式(2)、式(3)和式(6)计算：

(2)

(3)

(4)

Ab=π(Dob2-Dib2)/4

(5)

(6)

式(2)～式(6)中，Zb为基础环的抗弯截面系数，mm3；Ab为基础环面积，mm2；Dib为基础环内直径，Dib=1 800 mm；Dob为基础环外直径，Dob=2 330 mm；d为地脚螺栓螺纹小径，d=26 mm；n为螺栓个数，n=20。

将各参数带入式(2)～式(6)，得Mw=7.68×108N·mm、σB=0.46 MPa、σ=74.5 MPa。

文献[1]中研究得出安装时的螺栓预紧力F=(0.6～0.7)σsAs(σs为地脚螺栓材料的屈服强度，MPa；As为螺纹公称应力截面积，mm2)，设备运行时4.6级螺栓的预紧力需按安装时的0.6倍计算。取安装时预紧力F=0.65σsAs，依次取运行时预紧力Fw为0.1F、0.2F、0.3F、0.4F、0.5F、0.6F，对6种大小预紧力下的地脚螺栓受力进行有限元计算。

2 分离塔地脚螺栓有限元模型

2.1 模型简化

分离塔内部结构比较复杂，文中不考虑偏心质量导致的偏心载荷对地脚螺栓的影响，且通过求解等效密度的方法，可将操作状态下塔的总质量等效到建立的简化模型上，因此建模时可以省略塔的附属构筑物。对于塔基础部分[5]，只对锚固地脚螺栓的部分混凝土进行建模，塔基础的外径为Db，厚度为Hb。

分离塔结构简化模型见图2。

图2 分离塔结构简化模型

2.2 有限元前处理

采用扫略划分网格的方法进行网格划分，地脚螺栓和地脚螺栓座采用solid185实体单元，塔基础混凝土采用solid65单元[6]，塔体和裙座部分采用shell181壳单元。对地脚螺栓的网格进行适当加密，以得到更加准确的结果。

分离塔有限元模型见图3。

地脚螺栓埋深端部以直钩式、爪状式或锚板式等型式固定于分离塔基础之中，以防地脚螺栓因受力从分离塔基础中拔出，故应在地脚螺栓下端面施加全约束[7]。塔基础的下端面认为是固定的，应施加全约束。风载荷产生的水平风力沿y轴的正方向施加在塔体外表面，塔体内部承受0.17 MPa的内压[8]。

分离塔各部件材料力学性能参数见表2。

在划分裙座和地脚螺栓座网格时使用了不同的单元，需要通过MPC绑定来实现实体单元和壳单元的联结。

图3 分离塔有限元模型

构件材料弹性模量/×103 MPa泊松比屈服强度/MPa裙座Q235200.500.3235.0地脚螺栓Q235200.500.3235.0塔体Q345R(215 ℃)187.700.3249.0塔基础C3013.580.220.1

有限元模型中螺母和垫片、垫片和裙座盖板以及地脚螺栓和混凝土之间采用面面接触定义[9]，接触分析中金属间的摩擦因数为0.3，金属和混凝土之间的摩擦因数为0.4。

3 分离塔地脚螺栓应力有限元分析

3.1 不施加预紧力

有限元计算求得在操作状态和受风载情况下，地脚螺栓的最大应力为78.952 9 MPa，并且应力最大点出现的位置以及螺栓变形情况与实际情况相符。地脚螺栓应力云图见图4。

图4 地脚螺栓应力云图

通过将有限元分析计算结果与理论值进行比较，发现两种方法求解的应力值偏差较小，说明文中的有限元模型的简化较为合理，能够满足实际工程的需要。

3.2 施加不同预紧力[10-14]

对地脚螺栓施加不同大小的预紧力，计算得到螺栓应力以及塔体在y轴方向，即顺风方向的变形，分别见图5和图6。

图5 分离塔地脚螺栓应力随预紧力变化曲线

图6 分离塔塔体顺风方向变形随预紧力变化曲线

从图5可以知道，随着螺栓预紧力的增大，地脚螺栓的最大应力也随之逐渐增大，更容易发生强度破坏。

从图6可以知道，随着螺栓预紧力的增大，塔体顺风方向的变形逐渐减小，更加有利于塔体的稳定。分析图5、图6认为，施加适宜的预紧力对塔器稳定性比较有利。

3.3 不同倾斜率下[15]

由于地基变形等因素导致的不均匀沉降会造成塔器的倾斜[16]。分离塔是安装有塔盘的板式塔，倾斜时塔盘上的液面深度会发生变化，虽然分离塔仍能继续生产，但会影响生产效率。文献[5]中对塔器的倾斜有一定的要求，但实际生产过程中大部分塔器无法达到该要求。风载虽然是一种短期载荷，但当风载方向和塔器倾斜方向一致时，对于塔器生产的影响势必更大。

在不同倾斜程度下对分离塔依次施加不同的螺栓预紧力，计算得到了不同倾斜率下地脚螺栓的最大应力和分离塔塔体顺风方向的变形，分别见图7和图8。

图7 分离塔地脚螺栓最大应力随塔倾斜率变化情况

图8 分离塔塔体顺风方向变形随塔倾斜率变化情况

从图7可知，当分离塔基础发生倾斜时，地脚螺栓的最大应力有所增加，但增加趋势不明显，并且随着预紧力的增加，这种增加趋势变得更小。塔基础的倾斜会导致塔体倾斜，塔体在倾斜的方向上会有位移的变化。

由图8可知，塔倾斜率越大时，塔体顺风方向的变形也越大，此趋势符合实际情况。倾斜率一定时，增大预紧力可以一定程度上减小这种变形。

4 结语

利用有限元软件对某分离塔地脚螺栓进行了模拟计算，模拟计算的结果与理论计算的数据相差不大，说明模型的简化比较合理，此种模拟计算方法可以满足相关工程的需要。

不同预紧力下地脚螺栓的有限元模拟计算结果表明，恰当的预紧力对减小塔体顺风方向的变形从而增强塔体稳定性很有必要。同时也验证了文献[1]中给出的预紧力大小控制方法的有效性。分离塔塔体倾斜时，若倾斜率仍在设备能够继续生产的范围内，则对地脚螺栓的应力影响很小。但塔体在倾斜方向的变形会变大，不利于塔器的安全高效生产。在不超过螺栓材料屈服强度的情况下适当增加螺栓预紧力，能够减小塔体在倾斜方向上的变形。

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