大型焦炭塔裙座对接结构应力分析及优化设计

刘琳琳

摘 要：本文以某石化公司焦炭塔为研究对象，对大型焦炭塔裙座对接结构应力分析及优化设计。通过对焦炭塔模型的应力分析可知，升温过程和降温过程的最大应力均发生在相同位置，即在裙座上部翻边处及裙座外侧斜边与上焊缝的交汇处，在升温阶段最大应力达到386MPa，降温阶段最大应力强度达208MPa，在远离焊缝的部位存在明显的应力衰减。将应力较大部位进行线性化处理，对该部位进行安全评定，结果显示满足强度要求。

关键词：大型焦炭塔;裙座;结构应力分析;优化设计

1裙座的结构设计

我们知道板焊结构危险截面与整体锻焊结构相近，但是在应力大小对比中，整体锻焊结构的应力峰值远小于新结构，从而说明对于板焊结构的设计尺寸还有优化的余地，本章节将利用workbench17.0中优化计算部分，对新结构的尺寸进行优化，以降低危险截面处最大应力数值提高其疲劳寿命，并得出影响应力最值及塔体重量的主要尺寸，为日后焦炭塔设计提供参考。裙座的结构设计一直以来都是焦炭塔设计的重点，焦炭塔设计成败的关键，也在于是否选取了合理的裙座结构形式。近年来对于裙座结构的优化设计，工程师做了很多努力，提出了各种设计构想，很多在实际中已经得到应用[1]。

1.1裙座上开膨胀缝

在裙座上开设膨胀缝的目的是保护连接焊缝。裙座部位的刚性约束可以通过开设膨胀缝降低，因而焊缝处的应力也随之变小;温度变化产生的热膨胀差也可以通过膨胀缝减小，起到降低温差应力的作用。由上文的分析结果可知，开孔处附近将产生很大的局部应力，当开孔处与焊缝处之间的距离选择不恰当，势必引起两方局部应力叠加，产生更大的集中应力，引起开孔处与焊缝之间部位开裂[2]。

1.2支座上移结构的提出

陈吉成在焦炭塔的变形开裂问题上做了大量研究，提出将传统焦炭塔的下裙座支撑改为上裙座支撑，改进后塔体的膨胀可以从根本上消除。裙座处的应力较低，与原来结构相比温度降低20℃，在水力除焦过程中的受力状况也得到了相应的改善。如此改进也为原来的延迟焦化扩能改造创造了条件，可节省大量资金。

大部分改进的措施都是在降低裙座处的热应力以提高焦炭塔的使用寿命，因为温度差值和结构受到约束是产生热应力的主要原因，所以优化措施也是以此为基础的。常见的方法还有在裙座上设置加热盘管，以降低温差;裙座上设置热箱结构也是出于对温度的控制，同理改善保温层等等。在结构上可以改进保温结构，例如采用背带式保温结构降低约束，已解决垂直方向的热膨胀差。本部分以板焊结构裙座尺寸为基础，对其进行优化以降低最大应力的数值，提高其使用寿命[3]。

2优化设计的基本原理

优化设计顾名思义，可将其理解为通过计算机作为数据处理与计算工具，在一定的约束条件下寻找最优方案。在满足所有约束条件下，若某一种设计方案可达到所需的输出（如重量，体积，面积，应力，费用等）最小的目的，则这种设计方案就是所谓的“最优设计”。也就是说，最优设计方案就是一种最有效的方案。设计方案各个方面都可以进行优化，常见的优化目标如：形状（如过渡圆角的大小），尺寸（如厚度），材料特性，自然频率，制造费用，支撑位置等。实际上，在设计中只要是参数化的ANSYSWorkbench选项都可以做优化设计。计算机优化设计是一种现代设计方法，得益于近代数学规划理论与计算机的发展，使得大型结构与计算优化在短时间内完成成为可能。优化设计的基本原理是通过求解在指定约束条件下的迭代计算来求得目标函数极值，从而获得最优优化设计方案。设计变量的变化范围就是每一个设计变量的上下限。状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量的数值限制可能是单向的也可能是双向的。目标函数是优化的结果，故要求数值要尽量小。

3结果分析

3.1塔体重量及最大应力强度极值

运行ResponseSurface优化计算程序，在Min-MaxSearch函数统计下可获得塔体重量和裙座应力集中处最大应力强度极值以及与其对应的设计变量值。其中，A为初始设计方案;B为P6（塔体质量）最小值方案;C为P7（最大应力强度）最小值方案;D为P6（塔体质量）最大值方案;E为P7（最大应力强度）取最大值方案。方案B与方案E裙座处最大应力强度值已经超出了JB-4732的限制值390MPa，虽然降低了塔体重量但是应力强度方面不满足要求，故这两种方案不可行。对于方案C与方案D我们可以得出结论，在给定的设计变量变化范围内增大结构尺寸可以有效的减小裙座处最大应力强度数值，最小值达294.82MPa，比原来降低了23.62%。但是在实际生产中需要综合考虑，如此设计会增加塔体重量，增加生产成本。

3.2 设计变量对裙座处最大应力强度的影响

裙座上部斜边与竖直方向的夹角A15、裙座上部翻边R16、裙座焊缝底部封头与塔体焊缝线的距离V7及裙座厚度H21与裙座处最大应力强度P7之间的变化。设计变量与P7之间的关系整体上是负相关的，且基本上都是非线性的。可以看出随着设计变量的增加强度值在一直减小。随设计变量的变化最大应力强度值呈现波动性变化，但是整体方向在减少。

3.3 设计变量整体重量的影响

裙座上部斜边与竖直方向的夹角A15、裙座上部翻边R16、裙座焊缝底部与封头与塔体焊缝线的距离V7及裙座厚度H21与整体重量P6之间的变化关系。所有的设计变量与整体质量P6都是正相关的，基本成线性关系：随着设计变量尺寸的增加整体质量也随之增加。从质量增加的数值上看，对其影响最大的设计变量是H21，随着设计变量H21的增加，质量增幅最大，达2000kg。其它设计变量对其影响甚微。

3.4 局部灵敏度

局部灵敏度（LocalSensitivity）分析检验单个参数变化对模型運行结果的影响程度，在各设计变量的变化范围内，总体来看，H21对塔体质量影响最大，其灵敏度为0.15，其它设计变量对质量的影响基本为0，实际当中由于焦炭塔尺寸巨大，设计变量中的尺寸与之相比基本可被忽略，故对塔体质量基本没有影响满足工程实际情况。对于结构尺寸而言，其设计好坏直接影响裙座部位的应力强度分布，可以看出4个设计变量对最大应力强度的影响很大，其中A15与V7对其影响次之，灵敏度分别为-0.12和-0.075，对应力强度影响最大的是R16和H21，灵敏度分别为-0.2和-0.21。局部灵敏度分析为裙座结构改进和可靠性设计指明了方向。由分析结果可知，对焦炭塔裙座进行结构设计时，可重点考虑裙座上部翻边的设计及裙座壁厚，这样可以快速、有效地实现裙座结构优化和性能改进。

4 结论

通过对优化参数响应面/曲线及灵敏度的分析，可以知道对于模型质量影响最大的参数是裙座壁厚H21，其它优化尺寸对其基本没有影响，符合实际工况;在最大应力强度的影响方面，四个优化参数均有反向作用，其中影响最大的设计变量是裙座上部翻边R16及裙座壁厚H21，在允许的变化范围内翻边半径越大，裙座处的最大应力强度就越小，综合分析其它因素的影响，建议对于大型焦炭塔裙座翻边半径控制在25～30mm之间为宜。

参考文献：

[1]邢玲，孙铁，谢腾腾，郑大智，张丽.9800焦炭塔结构的模态分析和振型研究[J].压力容器，2012，29（02）：17-21.

[2]吴娜. 焦炭塔循环载荷下的疲劳分析[D].中国石油大学，2009.