焦炭塔设备模态及地震载荷动力响应分析

丁振兴，苏 健，蒋严波，吴家勇，何思仪，于梦茹

(1.广西上善若水发展有限公司，广西 南宁 530022；2.广西北投环保水务集团有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

焦炭塔是焦炭化工艺中的核心设备，同时也是压力容器中使用环境最恶劣的设备之一，其工作过程非常复杂，一个完整的工作周期中需要反复冷却和反复加热，载荷和温度反复变化[1,2]。同时，焦炭塔作为一种大型、露天放置的直立设备，受到自重、内压、介质重量、地震载荷等多种载荷作用，对设备的强度影响较大。在以前的多次地震灾害事故中，都有焦炭塔受到破坏的例子，因此，本文首先对焦炭塔结构进行计算振动特性的模态分析，在模态分析的基础上进行地震载荷动力学分析，这对于设备的精确分析以及安全运行是十分必要的[3]。

1 建立焦炭塔设备有限元分析模型

焦炭塔设备参数如表1所示。

表1 焦炭塔设备参数

根据表1中焦炭塔设备结构参数可知，设备厚度远小于直径，故可将该类问题视为板壳类问题进行分析[4]。在建立有限元模型时，壳体采用ANSYS四节点Shell63单元类型，焦炭采用Solid45单元，可在简化模型的同时满足精度要求。在建立模型时，先建立设备的关键点，通过关键点得到塔壁线，再通过旋转生成塔的几何模型，然后指定线的划分数量，将塔模型转换为有限元分析模型。用ANSYS分析计算时，将基础视为刚体，将与基础相连的裙支座单元的x、y、z三个自由度进行全部约束。建立的焦炭塔有限元网格模型及约束模型分别如图1、图2所示。

图1 焦炭塔有限元网格模型 图2 焦炭塔添加约束模型

2 模态分析

对建立的焦炭塔模型进行网格划分以及施加约束后，加载求解，此处提取10阶模态，模态提取命令如下[5，6]：

/POST1

FILE,'E411','RST !读入结果文件

SET,LIST !列出各阶频率

SET,1,1 !读取第1阶振型

PLDI !显示第1阶变形

ANMODE,10,0.5,,0 !制作第1阶动画

焦炭塔设备模态振型可通过上面类似命令进行提取，提取的各阶振型如图3～图5所示。从图3～图5中可知，焦炭塔的第1、3、7阶模态频率分别为5.15 Hz、19.21 Hz、33.56 Hz。焦炭塔设备各阶模态频率如图6所示。

图3 焦炭塔的第1阶振型 图4 焦炭塔的第3阶振型 图5 焦炭塔的第7阶振型

图6 焦炭塔设备各阶模态频率

3 地震载荷分析

焦炭塔属于直立设备，其受力类似基础上的悬臂梁，当地震发生时存在水平和垂直方向的加速度；地震的水平加速度给塔施加水平方向载荷，从而使塔设备产生很大的弯矩，引起振动[7，8]。

查阅相关资料，分析采用的地震波为某市地震波记录，取其垂直方向和南北方向的记录，记录时间19 s，时间间隔0.01 s。从记录数据中每隔0.1 s取一个值，共计190个。通过ANSYS软件读入地震数据，进行加载求解，部分加载求解命令如下：

*DO,T,1,190,1!循环读入地震数据并求解

TIME,0.1*T !设置时间步

KBC,0!指定载荷为递增载荷

NSUB,1!设定子步数为1

ALPHAD,0.05 !设定质量阻尼ALPHA为0.05

BETAD,0.01 !设定刚度阻尼BETA为0.01

NSEL,S,LOC,Y,OUTLET_H-QUN_H

ACEL,TJX(2,T),TJY(2,T)!设定X、Y方向加速度

ALLS !选中所有元素

SOLVE !求解

图7、图8分别为地震载荷作用下焦炭塔的整体结构合位移云图和等效应力云图。从图7可知，焦炭塔的整体结构位移最大值为0.764 mm，在许可范围内。从图8可以看出，在地震载荷作用下，最大应力为2.68 MPa，发生在焦炭塔设备底部支座部分，这与实际情况是相符合的，因为支座处是主要的受力部位，该处应力小于材料的许用应力，符合要求。

图7 地震载荷作用下焦炭塔的整体结构合位移云图

图9、图10分别为焦炭的合位移云图及等效应力云图。从图9可知，焦炭的最大位移为0.501 mm，发生在焦炭顶部位置。从图10中可知，焦炭的最大应力为0.006 MPa，符合要求。

图8 焦炭塔的整体结构等效应力云图 图9 焦炭的合位移云图 图10 焦炭的等效应力云图

进行完受力分析后，采用ANSYS软件对焦炭塔设备顶部、中间、下部节点进行位移时间历程后处理，从而考察设备整体结构在地震载荷过程中的响应。图11、图12分别为设备不同节点的X向位移、速度曲线图。从图11中可知:设备上、中、下节点X向最大位移分别为2.3 mm、1.0 mm和0 mm，符合设计要求；下节点位移非常小，这是由于下部节点进行了全自由度约束。从图12可知，设备不同节点X向最大速度分别为18 mm/s、8 mm/s和0 mm/s，符合设计要求。

图13、图14分别为塔顶节点Y向位移和速度随时间变化曲线图。从图13和图14中可知，塔顶节点Y向最大位移为0.2 mm，最大速度为1.7 mm/s，符合设计要求。

图11 焦炭塔不同位置节点X向位移曲线 图12焦炭塔不同位置节点X向速度曲线 图13 塔顶节点Y向位移随时间变化曲线

4 结论

利用ANSYS有限元分析软件对焦炭塔设备进行了模型建立、网格划分、模态分析，通过加载求解分析，得到焦炭塔设备的合位移云图、等效应力云图、位移随时间变化历程曲线图等精确的分析数据，为焦炭塔的精确设计分析提供了新的设计思路。通过分析相关数据可知，设备在地震载荷作用下的位移和应力都在规范和许用范围内，符合设计要求。

图14 塔顶节点Y向速度随时间变化曲线