大型焦炭塔裙座對接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計

劉琳琳

摘 要：本文以某石化公司焦炭塔為研究對象，對大型焦炭塔裙座對接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計。通過對焦炭塔模型的應(yīng)力分析可知，升溫過程和降溫過程的最大應(yīng)力均發(fā)生在相同位置，即在裙座上部翻邊處及裙座外側(cè)斜邊與上焊縫的交匯處，在升溫階段最大應(yīng)力達到386MPa，降溫階段最大應(yīng)力強度達208MPa，在遠離焊縫的部位存在明顯的應(yīng)力衰減。將應(yīng)力較大部位進行線性化處理，對該部位進行安全評定，結(jié)果顯示滿足強度要求。

關(guān)鍵詞：大型焦炭塔;裙座;結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析;優(yōu)化設(shè)計

1裙座的結(jié)構(gòu)設(shè)計

我們知道板焊結(jié)構(gòu)危險截面與整體鍛焊結(jié)構(gòu)相近，但是在應(yīng)力大小對比中，整體鍛焊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值遠小于新結(jié)構(gòu)，從而說明對于板焊結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸還有優(yōu)化的余地，本章節(jié)將利用workbench17.0中優(yōu)化計算部分，對新結(jié)構(gòu)的尺寸進行優(yōu)化，以降低危險截面處最大應(yīng)力數(shù)值提高其疲勞壽命，并得出影響應(yīng)力最值及塔體重量的主要尺寸，為日后焦炭塔設(shè)計提供參考。裙座的結(jié)構(gòu)設(shè)計一直以來都是焦炭塔設(shè)計的重點，焦炭塔設(shè)計成敗的關(guān)鍵，也在于是否選取了合理的裙座結(jié)構(gòu)形式。近年來對于裙座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，工程師做了很多努力，提出了各種設(shè)計構(gòu)想，很多在實際中已經(jīng)得到應(yīng)用[1]。

1.1裙座上開膨脹縫

在裙座上開設(shè)膨脹縫的目的是保護連接焊縫。裙座部位的剛性約束可以通過開設(shè)膨脹縫降低，因而焊縫處的應(yīng)力也隨之變小;溫度變化產(chǎn)生的熱膨脹差也可以通過膨脹縫減小，起到降低溫差應(yīng)力的作用。由上文的分析結(jié)果可知，開孔處附近將產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，當開孔處與焊縫處之間的距離選擇不恰當，勢必引起兩方局部應(yīng)力疊加，產(chǎn)生更大的集中應(yīng)力，引起開孔處與焊縫之間部位開裂[2]。

1.2支座上移結(jié)構(gòu)的提出

陳吉成在焦炭塔的變形開裂問題上做了大量研究，提出將傳統(tǒng)焦炭塔的下裙座支撐改為上裙座支撐，改進后塔體的膨脹可以從根本上消除。裙座處的應(yīng)力較低，與原來結(jié)構(gòu)相比溫度降低20℃，在水力除焦過程中的受力狀況也得到了相應(yīng)的改善。如此改進也為原來的延遲焦化擴能改造創(chuàng)造了條件，可節(jié)省大量資金。

大部分改進的措施都是在降低裙座處的熱應(yīng)力以提高焦炭塔的使用壽命，因為溫度差值和結(jié)構(gòu)受到約束是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要原因，所以優(yōu)化措施也是以此為基礎(chǔ)的。常見的方法還有在裙座上設(shè)置加熱盤管，以降低溫差;裙座上設(shè)置熱箱結(jié)構(gòu)也是出于對溫度的控制，同理改善保溫層等等。在結(jié)構(gòu)上可以改進保溫結(jié)構(gòu)，例如采用背帶式保溫結(jié)構(gòu)降低約束，已解決垂直方向的熱膨脹差。本部分以板焊結(jié)構(gòu)裙座尺寸為基礎(chǔ)，對其進行優(yōu)化以降低最大應(yīng)力的數(shù)值，提高其使用壽命[3]。

2優(yōu)化設(shè)計的基本原理

優(yōu)化設(shè)計顧名思義，可將其理解為通過計算機作為數(shù)據(jù)處理與計算工具，在一定的約束條件下尋找最優(yōu)方案。在滿足所有約束條件下，若某一種設(shè)計方案可達到所需的輸出（如重量，體積，面積，應(yīng)力，費用等）最小的目的，則這種設(shè)計方案就是所謂的“最優(yōu)設(shè)計”。也就是說，最優(yōu)設(shè)計方案就是一種最有效的方案。設(shè)計方案各個方面都可以進行優(yōu)化，常見的優(yōu)化目標如：形狀（如過渡圓角的大小），尺寸（如厚度），材料特性，自然頻率，制造費用，支撐位置等。實際上，在設(shè)計中只要是參數(shù)化的ANSYSWorkbench選項都可以做優(yōu)化設(shè)計。計算機優(yōu)化設(shè)計是一種現(xiàn)代設(shè)計方法，得益于近代數(shù)學規(guī)劃理論與計算機的發(fā)展，使得大型結(jié)構(gòu)與計算優(yōu)化在短時間內(nèi)完成成為可能。優(yōu)化設(shè)計的基本原理是通過求解在指定約束條件下的迭代計算來求得目標函數(shù)極值，從而獲得最優(yōu)優(yōu)化設(shè)計方案。設(shè)計變量的變化范圍就是每一個設(shè)計變量的上下限。狀態(tài)變量（SVs）是約束設(shè)計的數(shù)值。它們是“因變量”，是設(shè)計變量的函數(shù)。狀態(tài)變量的數(shù)值限制可能是單向的也可能是雙向的。目標函數(shù)是優(yōu)化的結(jié)果，故要求數(shù)值要盡量小。

3結(jié)果分析

3.1塔體重量及最大應(yīng)力強度極值

運行ResponseSurface優(yōu)化計算程序，在Min-MaxSearch函數(shù)統(tǒng)計下可獲得塔體重量和裙座應(yīng)力集中處最大應(yīng)力強度極值以及與其對應(yīng)的設(shè)計變量值。其中，A為初始設(shè)計方案;B為P6（塔體質(zhì)量）最小值方案;C為P7（最大應(yīng)力強度）最小值方案;D為P6（塔體質(zhì)量）最大值方案;E為P7（最大應(yīng)力強度）取最大值方案。方案B與方案E裙座處最大應(yīng)力強度值已經(jīng)超出了JB-4732的限制值390MPa，雖然降低了塔體重量但是應(yīng)力強度方面不滿足要求，故這兩種方案不可行。對于方案C與方案D我們可以得出結(jié)論，在給定的設(shè)計變量變化范圍內(nèi)增大結(jié)構(gòu)尺寸可以有效的減小裙座處最大應(yīng)力強度數(shù)值，最小值達294.82MPa，比原來降低了23.62%。但是在實際生產(chǎn)中需要綜合考慮，如此設(shè)計會增加塔體重量，增加生產(chǎn)成本。

3.2 設(shè)計變量對裙座處最大應(yīng)力強度的影響

裙座上部斜邊與豎直方向的夾角A15、裙座上部翻邊R16、裙座焊縫底部封頭與塔體焊縫線的距離V7及裙座厚度H21與裙座處最大應(yīng)力強度P7之間的變化。設(shè)計變量與P7之間的關(guān)系整體上是負相關(guān)的，且基本上都是非線性的?？梢钥闯鲭S著設(shè)計變量的增加強度值在一直減小。隨設(shè)計變量的變化最大應(yīng)力強度值呈現(xiàn)波動性變化，但是整體方向在減少。

3.3 設(shè)計變量整體重量的影響

裙座上部斜邊與豎直方向的夾角A15、裙座上部翻邊R16、裙座焊縫底部與封頭與塔體焊縫線的距離V7及裙座厚度H21與整體重量P6之間的變化關(guān)系。所有的設(shè)計變量與整體質(zhì)量P6都是正相關(guān)的，基本成線性關(guān)系：隨著設(shè)計變量尺寸的增加整體質(zhì)量也隨之增加。從質(zhì)量增加的數(shù)值上看，對其影響最大的設(shè)計變量是H21，隨著設(shè)計變量H21的增加，質(zhì)量增幅最大，達2000kg。其它設(shè)計變量對其影響甚微。

3.4 局部靈敏度

局部靈敏度（LocalSensitivity）分析檢驗單個參數(shù)變化對模型運行結(jié)果的影響程度，在各設(shè)計變量的變化范圍內(nèi)，總體來看，H21對塔體質(zhì)量影響最大，其靈敏度為0.15，其它設(shè)計變量對質(zhì)量的影響基本為0，實際當中由于焦炭塔尺寸巨大，設(shè)計變量中的尺寸與之相比基本可被忽略，故對塔體質(zhì)量基本沒有影響滿足工程實際情況。對于結(jié)構(gòu)尺寸而言，其設(shè)計好壞直接影響裙座部位的應(yīng)力強度分布，可以看出4個設(shè)計變量對最大應(yīng)力強度的影響很大，其中A15與V7對其影響次之，靈敏度分別為-0.12和-0.075，對應(yīng)力強度影響最大的是R16和H21，靈敏度分別為-0.2和-0.21。局部靈敏度分析為裙座結(jié)構(gòu)改進和可靠性設(shè)計指明了方向。由分析結(jié)果可知，對焦炭塔裙座進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可重點考慮裙座上部翻邊的設(shè)計及裙座壁厚，這樣可以快速、有效地實現(xiàn)裙座結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進。

4 結(jié)論

通過對優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)面/曲線及靈敏度的分析，可以知道對于模型質(zhì)量影響最大的參數(shù)是裙座壁厚H21，其它優(yōu)化尺寸對其基本沒有影響，符合實際工況;在最大應(yīng)力強度的影響方面，四個優(yōu)化參數(shù)均有反向作用，其中影響最大的設(shè)計變量是裙座上部翻邊R16及裙座壁厚H21，在允許的變化范圍內(nèi)翻邊半徑越大，裙座處的最大應(yīng)力強度就越小，綜合分析其它因素的影響，建議對于大型焦炭塔裙座翻邊半徑控制在25～30mm之間為宜。

參考文獻：

[1]邢玲，孫鐵，謝騰騰，鄭大智，張麗.9800焦炭塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和振型研究[J].壓力容器，2012，29（02）：17-21.

[2]吳娜. 焦炭塔循環(huán)載荷下的疲勞分析[D].中國石油大學，2009.