与塔直连塔顶冷凝器的大开孔分析设计实例

曾 贺

（山东华鲁恒升集团德化设计研究有限公司，山东 德州 253024）

近年来，随着过程装备行业的快速发展，容器的开孔逐步向大开孔的方向发展，给压力容器的结构强度设计带来了一系列的技术问题，如开孔附近的应力集中系数、开孔补强的方法、开孔补强的结构设计等。本文利用应力计算分析软件对本公司设计的一台与塔直连塔顶冷凝器的大开孔设计来介绍分析设计过程。

换热器与精馏塔连接部位结构有关设计参数如下表2 所示。

1 基本设计参数

表1 压力容器基本参数

换热器与精馏塔连接部位结构材质为S30408。换热器壳程筒体壁厚18mm，内径950mm；精馏塔与换热器连接处的筒体壁厚也为18mm，内径为800mm。

2 计算方案

（1）换热器与精馏塔连接部位结构承受的载荷有：介质压力、结构自重、环境温度等。本方案考虑了三种载荷工况：设计载荷、液压试验载荷和风载工况。

（2）载荷组合及计算工况的设置。根据JB4732-1995 分析设计标准和NB/T 47041-2014 塔式容器的规定和换热器与精馏塔连接部位结构的具体情况，本设计在对换热器与精馏塔连接部位结构进行应力计算过程中，考虑到地震载荷对连接的开孔部位影响较小，因此对上述地震影响不作考虑。方案共按照“设计工况”、“液压试验工况”、“风载工况”三种计算工况来进行应力计算、分类与评定。

①设计工况。设计温度下，换热器与精馏塔连接部位结构在设计压力、静压头、自重、温差造成的筒体轴向应力等载荷作用下的第三应力强度计算、分类与评定。②液压试验工况。常温下，换热器与精馏塔连接部位结构在液压试验压力、静压头、自重等载荷作用下的第三应力强度计算、分类与评定。③风载工况。设计温度下，换热器与精馏塔连接部位结构在设计压力、静压头、风载荷、自重、温差造成的筒体轴向应力等载荷作用下的第三应力强度计算、分类与评定。

3 连接部位结构的有限元应力计算与评定

（1）连接部位结构有限元分析计算模型。①建立有限元模型。（过程略）。②在模型的对称面设置对称约束，在精馏塔底部设置轴向和环向约束。③换热器与精馏塔连接部位结构各工况下力载荷和温度载荷如下表2 所示。④在风载工况中，风载已均布压力的形式加载于两端封头迎风面上，两端风载大小相等，方向相反，数值为0.0044MPa。

表2 换热器与精馏塔连接部位结构载荷表

（2）换热器与精馏塔连接部位结构有限元加载模型。

图1 为设计工况下有限元加载模型图

（3）换热器与精馏塔连接部位结构在各种工况下的应力计算，计算结果如下图（图2）。

图2 换热器与精馏塔连接部位结构应力图

（4）根据计算各种工况下的应力：①设计工况下，应力强度最大值出现在相贯线相交处，应力最大值为281.16MPa。②液压试验工况下，应力强度最大值出现在斜相贯线附近，应力最大值为54.29MPa。③风载工况下，应力强度最大值出现在相贯线相交处，应力最大值为287.85MPa。

（5）根据应力计算结果及工程实际，针对应力最大值附近的危险部位，选择若干条路径进行应力评定，应力评定路径见图3所示。液压试验工况下，结构应力强度不高，因此不对其进行应力分类与评定。下表3 ～表4 为应力分析与评定结果。

图3 连接部位结构的应力评定路径

表3 正压设计工况下强度应力分类与评定结果

表4 风载工况下强度应力分类与评定结果

4 结论

通过前面对连接部位结构进行了所有工况的有限元应力计算、分析与评定，逐步得出结论，最终确定了换热器与精馏塔连接部位结构尺寸满足设计要求。