分離塔地腳螺栓有限元分析

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(南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

塔器是石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備之一，由塔體、塔附屬構(gòu)筑物、塔支承基礎(chǔ)3部分組成。安裝時，通過預(yù)埋于基礎(chǔ)內(nèi)的地腳螺栓將塔器固定于基礎(chǔ)之上，并施加適宜的螺栓預(yù)緊力確保塔體與塔的基礎(chǔ)緊密連接，以防塔器產(chǎn)生滑移、扭轉(zhuǎn)、傾斜等不利于安全高效生產(chǎn)的狀況。對于預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓連接結(jié)構(gòu)，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進行了多項研究。陳泰煒[1]歸納提出了塔器地腳螺栓預(yù)緊力設(shè)定和控制的定量依據(jù)。李會勛等人[2]通過對比ANSYS模擬螺栓預(yù)緊力的預(yù)緊單元法、降溫法和滲透接觸法，發(fā)現(xiàn)有限元分析中預(yù)緊單元法能夠較好地模擬實際預(yù)緊力的施加情況。管建軍等人[3]研究了高溫下工作的螺栓預(yù)緊狀態(tài)的變化，并且給出了相關(guān)的應(yīng)對措施。

文中以某化工廠分離塔的地腳螺栓為研究對象，通過ANSYS14.5有限元軟件建立簡化模型，在分離塔操作狀態(tài)受風載但不考慮塔附屬構(gòu)筑物偏心質(zhì)量引起的彎矩的條件下，施加不同大小的預(yù)緊力進行有限元計算，比較分析預(yù)緊力大小對螺栓應(yīng)力以及塔體順風方向變形的影響，為塔器的安全生產(chǎn)提供相關(guān)依據(jù)。

1 分離塔地腳螺栓受力理論計算

分離塔由20個M30地腳螺栓與塔的基礎(chǔ)連接，地腳螺栓下部錨固于塔基礎(chǔ)之內(nèi)。為了驗證模型簡化的合理性以及仿真結(jié)果的準確性，對操作狀態(tài)受風載的分離塔地腳螺栓的受力進行理論計算。分離塔理論計算簡圖見圖1。

分離塔操作總質(zhì)量m0=4.95×104kg，所受風載的基本風壓q0=400 N/m2，第i計算段的順風方向水平風力為[4]：

Fi=k1k2iq0LifiDei×10-6

(1)

式中，F(xiàn)i為塔式容器第i計算段的水平風力，N；k1為體型系數(shù)，k2i為塔式容器第i計算段的風振系數(shù)，fi為風壓高度變化系數(shù)；Li為塔式容器第i計算段的長度，Dei為塔式容器第i計算段的有效直徑，mm。

分離塔各計算段順風方向的水平風壓計算參數(shù)以及具體的計算結(jié)果見表1。表1中相關(guān)參數(shù)的取值參照NB/T 47041—2014《塔式容器》[4]。

圖1 分離塔理論計算簡圖

參數(shù)塔段號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塔段長度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

塔底部截面處的風彎矩Mw、受風載時基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)表面間虛擬最大拉應(yīng)力σB以及風彎矩Mw對地腳螺栓產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力σ分別按式(2)、式(3)和式(6)計算：

(2)

(3)

(4)

Ab=π(Dob2-Dib2)/4

(5)

(6)

式(2)～式(6)中，Zb為基礎(chǔ)環(huán)的抗彎截面系數(shù)，mm3；Ab為基礎(chǔ)環(huán)面積，mm2；Dib為基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)直徑，Dib=1 800 mm；Dob為基礎(chǔ)環(huán)外直徑，Dob=2 330 mm；d為地腳螺栓螺紋小徑，d=26 mm；n為螺栓個數(shù)，n=20。

將各參數(shù)帶入式(2)～式(6)，得Mw=7.68×108N·mm、σB=0.46 MPa、σ=74.5 MPa。

文獻[1]中研究得出安裝時的螺栓預(yù)緊力F=(0.6～0.7)σsAs(σs為地腳螺栓材料的屈服強度，MPa；As為螺紋公稱應(yīng)力截面積，mm2)，設(shè)備運行時4.6級螺栓的預(yù)緊力需按安裝時的0.6倍計算。取安裝時預(yù)緊力F=0.65σsAs，依次取運行時預(yù)緊力Fw為0.1F、0.2F、0.3F、0.4F、0.5F、0.6F，對6種大小預(yù)緊力下的地腳螺栓受力進行有限元計算。

2 分離塔地腳螺栓有限元模型

2.1 模型簡化

分離塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，文中不考慮偏心質(zhì)量導(dǎo)致的偏心載荷對地腳螺栓的影響，且通過求解等效密度的方法，可將操作狀態(tài)下塔的總質(zhì)量等效到建立的簡化模型上，因此建模時可以省略塔的附屬構(gòu)筑物。對于塔基礎(chǔ)部分[5]，只對錨固地腳螺栓的部分混凝土進行建模，塔基礎(chǔ)的外徑為Db，厚度為Hb。

分離塔結(jié)構(gòu)簡化模型見圖2。

圖2 分離塔結(jié)構(gòu)簡化模型

2.2 有限元前處理

采用掃略劃分網(wǎng)格的方法進行網(wǎng)格劃分，地腳螺栓和地腳螺栓座采用solid185實體單元，塔基礎(chǔ)混凝土采用solid65單元[6]，塔體和裙座部分采用shell181殼單元。對地腳螺栓的網(wǎng)格進行適當加密，以得到更加準確的結(jié)果。

分離塔有限元模型見圖3。

地腳螺栓埋深端部以直鉤式、爪狀式或錨板式等型式固定于分離塔基礎(chǔ)之中，以防地腳螺栓因受力從分離塔基礎(chǔ)中拔出，故應(yīng)在地腳螺栓下端面施加全約束[7]。塔基礎(chǔ)的下端面認為是固定的，應(yīng)施加全約束。風載荷產(chǎn)生的水平風力沿y軸的正方向施加在塔體外表面，塔體內(nèi)部承受0.17 MPa的內(nèi)壓[8]。

分離塔各部件材料力學(xué)性能參數(shù)見表2。

在劃分裙座和地腳螺栓座網(wǎng)格時使用了不同的單元，需要通過MPC綁定來實現(xiàn)實體單元和殼單元的聯(lián)結(jié)。

圖3 分離塔有限元模型

構(gòu)件材料彈性模量/×103 MPa泊松比屈服強度/MPa裙座Q235200.500.3235.0地腳螺栓Q235200.500.3235.0塔體Q345R(215 ℃)187.700.3249.0塔基礎(chǔ)C3013.580.220.1

有限元模型中螺母和墊片、墊片和裙座蓋板以及地腳螺栓和混凝土之間采用面面接觸定義[9]，接觸分析中金屬間的摩擦因數(shù)為0.3，金屬和混凝土之間的摩擦因數(shù)為0.4。

3 分離塔地腳螺栓應(yīng)力有限元分析

3.1 不施加預(yù)緊力

有限元計算求得在操作狀態(tài)和受風載情況下，地腳螺栓的最大應(yīng)力為78.952 9 MPa，并且應(yīng)力最大點出現(xiàn)的位置以及螺栓變形情況與實際情況相符。地腳螺栓應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 地腳螺栓應(yīng)力云圖

通過將有限元分析計算結(jié)果與理論值進行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法求解的應(yīng)力值偏差較小，說明文中的有限元模型的簡化較為合理，能夠滿足實際工程的需要。

3.2 施加不同預(yù)緊力[10-14]

對地腳螺栓施加不同大小的預(yù)緊力，計算得到螺栓應(yīng)力以及塔體在y軸方向，即順風方向的變形，分別見圖5和圖6。

圖5 分離塔地腳螺栓應(yīng)力隨預(yù)緊力變化曲線

圖6 分離塔塔體順風方向變形隨預(yù)緊力變化曲線

從圖5可以知道，隨著螺栓預(yù)緊力的增大，地腳螺栓的最大應(yīng)力也隨之逐漸增大，更容易發(fā)生強度破壞。

從圖6可以知道，隨著螺栓預(yù)緊力的增大，塔體順風方向的變形逐漸減小，更加有利于塔體的穩(wěn)定。分析圖5、圖6認為，施加適宜的預(yù)緊力對塔器穩(wěn)定性比較有利。

3.3 不同傾斜率下[15]

由于地基變形等因素導(dǎo)致的不均勻沉降會造成塔器的傾斜[16]。分離塔是安裝有塔盤的板式塔，傾斜時塔盤上的液面深度會發(fā)生變化，雖然分離塔仍能繼續(xù)生產(chǎn)，但會影響生產(chǎn)效率。文獻[5]中對塔器的傾斜有一定的要求，但實際生產(chǎn)過程中大部分塔器無法達到該要求。風載雖然是一種短期載荷，但當風載方向和塔器傾斜方向一致時，對于塔器生產(chǎn)的影響勢必更大。

在不同傾斜程度下對分離塔依次施加不同的螺栓預(yù)緊力，計算得到了不同傾斜率下地腳螺栓的最大應(yīng)力和分離塔塔體順風方向的變形，分別見圖7和圖8。

圖7 分離塔地腳螺栓最大應(yīng)力隨塔傾斜率變化情況

圖8 分離塔塔體順風方向變形隨塔傾斜率變化情況

從圖7可知，當分離塔基礎(chǔ)發(fā)生傾斜時，地腳螺栓的最大應(yīng)力有所增加，但增加趨勢不明顯，并且隨著預(yù)緊力的增加，這種增加趨勢變得更小。塔基礎(chǔ)的傾斜會導(dǎo)致塔體傾斜，塔體在傾斜的方向上會有位移的變化。

由圖8可知，塔傾斜率越大時，塔體順風方向的變形也越大，此趨勢符合實際情況。傾斜率一定時，增大預(yù)緊力可以一定程度上減小這種變形。

4 結(jié)語

利用有限元軟件對某分離塔地腳螺栓進行了模擬計算，模擬計算的結(jié)果與理論計算的數(shù)據(jù)相差不大，說明模型的簡化比較合理，此種模擬計算方法可以滿足相關(guān)工程的需要。

不同預(yù)緊力下地腳螺栓的有限元模擬計算結(jié)果表明，恰當?shù)念A(yù)緊力對減小塔體順風方向的變形從而增強塔體穩(wěn)定性很有必要。同時也驗證了文獻[1]中給出的預(yù)緊力大小控制方法的有效性。分離塔塔體傾斜時，若傾斜率仍在設(shè)備能夠繼續(xù)生產(chǎn)的范圍內(nèi)，則對地腳螺栓的應(yīng)力影響很小。但塔體在傾斜方向的變形會變大，不利于塔器的安全高效生產(chǎn)。在不超過螺栓材料屈服強度的情況下適當增加螺栓預(yù)緊力，能夠減小塔體在傾斜方向上的變形。

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