化工塔器的應力失穩(wěn)與優(yōu)化設計

文獻娜，胡尊旭，張建政

（1.山東金沂蒙化工機械有限公司，山東臨沂 276700；2.山東省臨沂市三豐化工有限公司，山東臨沂 276700）

工業(yè)行業(yè)中塔器有多種分類，尤其是化工行業(yè)應用相對較多，隨著化工產(chǎn)品的多樣化，化工設備與高壓反應容器等的復雜化、精細化要求，在實際安裝使用時，對塔器操作也提出了更為嚴苛的要求。塔器作為化工企業(yè)的核心反應容器，不論制造還是安裝，相較于其他設備的運行都更加復雜危險，施工難度系數(shù)也較大，造價成本高，操作流程繁瑣，為了確保在實際生產(chǎn)條件下，不因為出現(xiàn)人為失誤，或者設備故障而發(fā)生事故，為了降低經(jīng)濟損失，確保人員安全，應該高度重視塔器設計的每一項環(huán)節(jié)，不論結構方面，還是功能方面，都要精心考慮，比如大型塔器設備，高徑比規(guī)格>15，高度超過30m的設備，其底部裙座和下封頭之間的焊縫處實際使用時，如遇到大風天氣，容易產(chǎn)生橫向共振而破壞失穩(wěn)，因此，需要對橫向風流共振強度進行判斷和計算，從而采取針對性措施進行規(guī)避風險。如何通過優(yōu)化塔器設計，確保設備運行的安全性、穩(wěn)定性，不斷提升工業(yè)效率，確保操作人員的生命安全，值得不斷深思與探討[1]。

1 液壓裝置的試驗設計

當壓力容器壓力較低，而塔器設計高度高時，此時的液柱靜壓對于液壓試驗起到關鍵性作用。按照塔器容器的設計標準，對塔器采取液壓試驗，當置于臥置試驗狀態(tài)下，液柱靜壓的影響是首要考慮因素，在低壓設計情況下，不論是計算壓力，還是實驗壓力，都不可忽視液柱靜壓的存在影響；只有當設計壓力大于液柱靜壓5%的狀態(tài)下，液柱靜壓才可在設計壓力中不做考慮。反之，如果液柱靜壓值超過實驗壓力值的6%時，必須將液柱靜壓影響納入設計。

試驗過程演示：

1）在預先設定的實驗溫度條件下，計算后的一次薄膜應力強度SI與試驗材料屈服強度R eL （R P0.2 ）相比，應不大于R eL 的90%。

2）經(jīng)過計算所得，將一次薄膜與一次彎曲的應力強度進行疊加，將該應力強度視為SII，按照計算公式推斷結論：當薄膜應力強度SI不超過屈服強度R eL 的0.67倍時，SII值應小于屈服強度R eL 的1.35倍；當薄膜應力強度SI超過屈服強度R eL 的0.67倍，且不超過屈服強度R eL 的90%時，SII值應不超過2.15倍屈服強度R eL與1.2倍薄膜應力強度SI之差。如表1所示，不同壓力狀態(tài)下的應力強度分布。

表1 不同壓力狀態(tài)下的應力強度分布

2 塔殼應力分布的審校

當存在附加載荷作用在塔體上時，應該對塔殼表面的應力分布進行一次分析校準，比如外接管道對于塔體的推力作用，塔殼本身自帶的支撐梁、吊耳和裙座等附件產(chǎn)生的作用力等，都會對塔殼產(chǎn)生應力的重新分布，通過對分布的應力進行計算，例如塔殼上懸掛再沸器時，其支架需要與塔殼進行焊接固定，經(jīng)過對支架鋼結構的計算標準，可以選擇符合載荷要求的鋼材，進而根據(jù)鋼材選用，可計算出塔殼殼體的壁厚要求，最終確保安裝質量與載荷安全。此外，為了緩解附件應力直接作用在塔殼殼體表面，還可以通過在殼體需要連接附件的焊接處加工墊板的方法，使得焊接后的應力集中作用在焊板上，避免了在殼體分布的障礙，但是，雖然墊板代替了殼體承受外載荷，但為了確保運行安全，還需要注意墊板焊縫的質量與牢固程度，必須滿足焊接強度要求，杜絕出現(xiàn)新的安全隱患。其次，再比如在設備整體執(zhí)行安裝的過程中，由于規(guī)格又大又重，為了減少對吊裝設備的破壞，需要對塔體外接裝吊耳，一般采用對稱軸式吊耳，依照此方法對塔器設備進行吊裝時，不僅要考慮吊耳自身強度的載荷要求，還需根據(jù)塔器安裝吊耳部位的設備壁厚情況進行分析判斷，計算能否承載吊耳與塔器之間的承重。對于此項施工技術，既是對操作人員技術經(jīng)驗的考驗，也是需要對塔殼內外應力分布計算的準確性的考驗。此外，還有一種可能性，當塔器制造選用的是特種鋼材，或者合金鋼的情況下，吊耳焊接固定點不能與復合材料表面進行焊接，因為焊接后強度未經(jīng)計算可能存在吊裝受力不均，強度不達標的狀況，影響吊裝安全施工，應該與復合材料的基層鋼材焊接，以求堅固性和穩(wěn)定性，在焊接作業(yè)時，需要預先把焊接面焊縫周邊10mm范圍的復合層清除干凈，以確保焊接面的均勻受力，確保吊裝過程的安全執(zhí)行。

3 地腳螺栓錨固設計

地腳螺栓作為塔器設備在工業(yè)場地的地基重要穩(wěn)固件，需要充分考慮金屬件在不同溫度環(huán)境下熱脹冷縮的物理變化，尤其是塔器裙座與地腳螺栓連接后，若使用統(tǒng)一標準進行設計，當在極寒地區(qū)和高溫地區(qū)安裝使用時，會出現(xiàn)地基不穩(wěn)的情況，尤其是當安裝完成運行階段，存在較大安全隱患，因此，需要根據(jù)安裝區(qū)域溫度來具體進行設計修訂，一般情況下，采用設計溫度按照當?shù)卦缕骄鶜鉁氐淖畹椭?，加?0℃的調校溫度進行設計。比如取-20℃作為安裝標準，當?shù)販囟却笥?20℃時，可選用型材為Q235B、Q235C的鋼材進行加工；當設計溫度不超過-20℃時，可以選用型材為Q345D、Q345E的鋼材加工。在加工材質相同、設計強度滿足要求的條件下，為了確保塔器安裝固定的穩(wěn)定性，以及受力的均勻，通常采用至少四條地腳螺栓進行固定。為了更好地分布受力，也可采用8條或是12條進行固定，根據(jù)實際底托盤面積具體選擇。此外，地腳螺栓的眼孔位置一般選擇對稱開槽，由中心軸向兩邊布置眼位，因此，在安裝地腳螺栓時，要嚴格按照螺栓開槽方位進行擺布固定，否則將會影響后期塔器設備裙座的落位安裝，導致安裝進度的拖延，甚至影響塔器設備的正常運行與使用。

4 裙座焊接設計

裙座是塔器固定的重要基礎，焊接質量的高低直接影響后期的穩(wěn)固性，因此，按照標準要求，裙座的焊縫高度要超過裙座自身邊緣結構厚度的1.75倍，尤其是對于超高的大型塔器設備，更要具有牢固的裙座與地腳螺栓進行固定，以抵消強風天氣下產(chǎn)生的橫向風力共振效果，提高基座穩(wěn)定。

由于裙座、下封頭之間的底部連接構件呈現(xiàn)不規(guī)則結構，其受力也出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，邊緣端受力更為明顯，容易出現(xiàn)應力的峰值區(qū)域，當結構應力集中作用在裙座底部時，往往導致焊接部位不能承載負荷而脆化，產(chǎn)生結構疲勞，造成裙座的開焊斷裂，導致垮塌事故發(fā)生。為了避免這一結局出現(xiàn)，應將焊縫與構件連接部位盡量調整圓滑，使得應力集中區(qū)域能夠得到有效分散，降低應力峰值區(qū)域的接觸面積，從而緩解產(chǎn)生焊縫斷裂的風險。此外，焊接高度的不同也會在設備自重與橫向風力作用下產(chǎn)生共振彎曲的現(xiàn)象，焊縫高度過大，則會導致塔器整體失穩(wěn)，強度下降；焊縫高度過低，則會因為自身焊接強度達不到要求，造成無法承重而產(chǎn)生斷裂的結果。因此，如何調整焊接高度到合適標準，才是確保焊接強度與質量的關鍵技術。

5 疲勞工況的強度校核

在疲勞工況條件下運行的塔器設備，除了需要計算其靜強度載荷外，還需要考慮不同疲勞工況強度下，存在多重外部環(huán)境的影響，比如高低壓力的影響及高低溫度的影響等，都會對裙座與地腳螺栓，以及焊接構件的焊縫處壓力產(chǎn)生變化。當處于溫度變量環(huán)境中，存在焊縫處的熱脹冷縮現(xiàn)象，但對于不同壁厚的塔器來說，其溫度帶來的應力變化與載荷變化也會不同，較大壁厚可承載應力也較大，具有較好的抗拉伸延展性，能夠承載更多的應力分布；而壁厚相對較薄的塔器，則會缺失足夠強度的抵抗應力作用能力，相對負載能力較小，容易出現(xiàn)疲勞工況下的斷裂，導致塔器受損，因此，相較于壓力場帶來的結構破壞，溫度場產(chǎn)生的破壞效果與作用結局顯得更加復雜[3]。

6 塔器焊接穩(wěn)定性優(yōu)化設計

綜上所述，塔器安裝、固定及運行時的穩(wěn)定性受到多種復雜因素的影響，歸根到底，還是對于裙座在不同條件下的焊接質量的標準要求，只有裙座的焊接質量滿足各種條件和運行工況的要求時，才能有效確保塔器的穩(wěn)定運行。因此，基于上述的影響裙座焊接質量的若干影響因子，提出合理性的優(yōu)化設計，進行有效解決。即裙座焊接部位的高低、厚薄應當根據(jù)承受載荷的數(shù)值進行預算，計算其合理的受力強度，再確定焊縫的具體尺寸，使得寬窄、厚薄處于合理區(qū)間，達到抗壓強度效果。再者而言，對于選擇特殊鋼材和復合金屬材料的裙座與塔器設備，可先打磨掉表層復合金屬材料，通過增加墊板的方式增加受力替代品，但需注意計算好墊板單位面積的載荷能否達到要求，從而利用已知載重反推需要的墊板面積，以確保焊接安全。

7 結語

圍繞化工設備塔器的生產(chǎn)制造與后期焊接固定等環(huán)節(jié)存在的技術問題開展研究分析，通過在不同試驗條件下對表層及內外結構產(chǎn)生的應力分布問題提出液柱靜壓對液壓裝置的壓力影響，并以計算方式得出一次薄膜應力強度與材料屈服強度之間的數(shù)值模擬關系。同時，對塔殼表面的應力分布特點，地腳螺栓錨固時受到設計溫度與施工安裝地區(qū)溫度存在差異條件下的穩(wěn)定性問題開展探討，提出標準溫度臨界值的推算方法，并通過合理選用鋼材進行問題的解決。此外，對于影響塔器設備穩(wěn)定性的裙座固定焊接工藝進行了詳細說明，針對各影響因素進行總結后，提出了合理的優(yōu)化方案，有效解決了塔器設備應力分布與基座焊接等技術問題，經(jīng)過實踐檢驗后可作為操作經(jīng)驗進行推廣應用。