摘要：文中根据某项目塔顶冷凝器过渡连接结构的特点进行结构设计、结构受力分析，并借助有限元计算软件对该连接结构进行应力分析，以得到合理安全的结构。并将分析结果用于该塔顶冷凝器的设计，实际的操作运行实践表明，该结构的设计完全满足装置操作要求。
关键词：结构设计、分析计算、冷凝器
1 前言
我公司承接某项目的塔顶冷凝器，是卧式U型管换热器。采用焊接方式与塔器相连。与普通鞍座支承换热器相比，该换热器的所有附加载荷均由过渡连接段承受，因此过渡连接段的设计将影响到该冷凝器和塔器的安全。由于该冷凝器还需满足外压操作工况，而常规的外压容器设计计算方法并没有考虑大开孔，附加载荷的影响。因此用常规方法对该设备稳定性进行校核，在载荷考虑上会有所欠缺。倘若通过采用加大稳定性系数的方法来弥补外加载荷的影响，可能会出现稳定性系数选取不当而导致设计不经济。为了得到经济合理的结构，本文采用有限元法，对该过渡连接段进行应力分析计算及稳定性分析，以确保结构设计的合理安全。
2 过渡连接段结构的选择
由于塔器的直径比冷凝器的直径大，因此要设置过渡锥体。锥形封头包括无折边锥形封头和折边锥形封头两种形式，由于该过渡锥体除了承受工作压力外，还要承受由于冷凝器所产生的附加载荷的作用，因此承受的载荷较为复杂承，为了改善锥体与筒体连接处的受力状况，减少结构不连续所带来的局部应力过大，避免边缘应力作用在锥体和筒体的焊缝上，因此采用带折边的过渡锥体。从而有利于改善过渡结构的受力状况，提高过渡结构的承载能力。
在外压作用下容器往往在强度还能够满足要求，即器壁内的应力还未达到材料的屈服极限时，壳体便突然产生失去自身原形的压扁或褶皱现象，这种现象称为外压容器的失稳。然而理论上对外压筒体临界压力，筒体和加强圈的惯性矩的分析都是基于一整圈的基础上得出的相应的结论，尽管取较大的稳定性系数来弥补筒体上的缺陷，但塔顶冷凝器通过N14管口进行支撑，相对于普通的外压设备，冷凝器在外压作用下，还要承载两端偏心载荷所产生的弯矩作用，加上N14大开孔对壳程筒体整体的连续性有着很大的影响，因此其外压稳定性的计算，更应考虑周全。
外压容器通常通过增加外压加强圈的方式来提高其外压稳定性，这往往比增加圆筒的壁厚更加经济合理，不仅节省材料，还可以减轻设备的重量。此外加强圈还可以减少大直径轻薄壁圆筒形状缺陷的影响，提高筒体的刚度。为了减少大开孔对筒体临界外压的削弱作用，我们采取在N14附近增加加强圈的方法来提高冷凝器抗外压能力。由稳定性条件可知起作用的是截面的有效惯性矩，为此加强圈尺寸的确定必须使得筒体与加强圈组合截面有效惯性矩
大于组合截面所需惯性矩
，截面所需惯性矩
由公式（1）计算得到：
（1）
—从加强圈中心线到相邻两侧加强圈中心线距离之和的一半，若与凸形封头相邻，在长度中还应计入封头曲面深度的1/3。
A —外压应变系数（根据GB150.3-2011查取）。
AS —加强圈的横截面积。
由组合截面惯性矩计算式可知道，筒体组合截面有效惯性矩IS由公式（2）计算的到：
（2）
有效段筒体的长度为加强圈中心线两侧各0.55
的距离。若0.55
大于L/2（即相邻加强圈距离之半），则取加强圈中心线两侧各L/2长度。
IS—加强圈及筒体有效段组合截面对其形心轴x-x的组合惯性距。
I1、I2 —加强圈各组合截面对各自形心轴的惯性距。
A1、A2 —加强圈各组合截面面积。
e1、e2 —筒壁中心线x2-x2到加强圈各截面形心轴x1-x1、x2-x2的距离。
—筒壁中心线x2-x2到组合截面形心轴x-x的距离，由式（3）得到。
（3）
经初步计算将两加强圈分别设置在离N14接管中心线1212mm处，加强圈尺寸定为100X14。
3 结构强度校核
3.1力学模型的简化
由于主要考察的对象是冷凝器与塔器连接部分的结构强度，因此无需建立管箱部分的模型，只要在模型的A端面施加由管箱部位所产生的附加载荷即可。考虑到设备是在外压条件下操作的，结构的稳定性不可忽视，因此模型筒体1长度取设备法兰到封头曲面深度1/3处；筒体2长度取到外压加强圈处。模型的建立均不考虑复层的厚度。
3.2 结构受力分析
该设备过渡连接段，除了承受设备自重外，还要承受风载和地震载荷所产生的附加作用力。设备本身重量的偏心，风载和地震载荷都会给连接管带来附加的力和弯矩。所示根据JB/T4710-2005标准，水平风载荷可按照公式（4）进行计算
（4）
式中：
风压高度变化系数，按设备质心所处高度取。
10m高度处的基本风压值（N/M2）
容器外径，mm，
容器壳体总长度，mm。
水平地震作用力由公式（5）进行计算
（5）
地震影响系数：
设备操作质量，KG，
重量加速度，取9.8m/s2
水平载荷FX取风载荷PW和（地震载荷Pe+0.25Pw）较大值。
垂直载荷取设备最大操作重力。
F1是管箱操作重力所产生，F2是管箱沿筒体径向的水平载荷，
是冷凝器筒体沿径向的水平载荷，F3是冷凝器沿筒体轴向的水平载荷。由力的平移原理可知道，F1、F2由管箱重心平移到分析模型的A端面时，必然会同时附加一个力偶，这个附加力偶的矩等于原来的力对新作用点矩。因此F1、F3由于管箱体重心平移到模型A端面（筒体法兰密封面）必然会附加一个弯矩M1、M2，其值由公式（6）计算得到：
（6）
式中L为管箱重心到A端面的距离 mm。
对于设备本身的重量在有限元计算中，通过改变材料的密度，以模拟介质及设备自重产生的影响。等效密度可按式（7）计算：
（7）
M — 设备操作重量（KG）
V — 分析模型中筒体1的体积（m3）
3.3有限元计算
整个模型均以体单元SOLID45进行离散化，模型厚度方向划分两层，并对模型C端面施加全约束。模型的外表面施加0.1Mpa外载荷，由各部位的应力云图可以看到，该过渡连接结构最大应力出现在冷凝器筒体与接管连接处，而锥体小端过渡区转角同样出现高应力区。因此过渡锥体采用带折边结构，可有效的避免高应力区出现在锥体与接管的焊缝上，避免因风载等其他外部载荷导致设备的晃动而使得焊缝中出现裂纹。
结构的最大Tresca应力SIV=136.474Mpa，该部位的一次局部薄膜应力强度极限1.5kSm=255Mpa，显然SIV＜1.5kSm，因此该结构设置满足强度的要求。
4 结构稳定性计算
4.1 常规外压计算方法
根据GB150的外压计算方法分别对冷凝器壳体在设有外压加强圈和不设外压加强圈两种结构的临界外压进行计算.以常规的外压计算方法，该冷凝器筒体尽管在不设置加强圈的情况下，其稳定性同样是满足设计要求的。而加了加强圈后，常规计算方法所得的筒体临界外压为0.549 Mpa，远高于操作外压0.1 Mpa。以常规设计方法看来，筒体上加强区的设置显得多余，但是常规计算方法并没有对附加载荷进行考虑，同样也没有考虑对N14接管对筒体的削弱。为此还需借助有限元的屈曲分析来进一步考察在各载荷作用下，该结构的临界外压，以保证结构设计的合理性。
4.2 有限元屈曲分析
通过ANSYS的特征值与非线性屈曲分析法对模型在外压作用下的临界压力进行分析。特征值分析中对结构外表面施加单位载荷（1Mpa），并将特征值分析得到的屈曲载荷施加于结构外表面进行非线性屈曲分析，外压作用下模型的失稳模态如图8所示。
失稳首先出现在筒体1处。特征值分析所得到的临界压力为2.456Mpa。非线性分析得到的载荷系数为0.19867，因此非线性分析所得到的临界载荷为2.456×0.19867=0.488Mpa。许用外压式（6）计算得到。
（6）
其中：Pcr － 理论外压，Mpa
m － 稳定性系数
取稳定性系数m=3，则[P]=0.16Mpa。
由屈曲分析结果可知，该结构的临界外压为0.16 Mpa，要远小于常规计算方法所得的临界外压0.594 Mpa，因此可以证明，在该结构的临界外压计算中，附加载荷和N15接管的削弱作用是不可忽视的。
5.结论
针对冷凝器结构的特殊性，文中充分考虑了外部载荷的作用，对该连接段进行设计。结构上采用带折边的过渡锥体，以避免高应力区出现在锥体环焊缝上，此外在N14接管处设置加强圈以提高筒体的稳定性。结构强度和稳定性计算表明该过渡结构的设计是合理的。该结构的稳定性计算说明，附加载荷对稳定性的影响不可忽视，常规的临界外压计算方法，在该结构稳定性计算中并不合适的。因此在外压下操作的设备更应考虑附加载荷和大开孔对其临界外压的削弱，以得出安全合理的结构设计。
参考文献：
[1]卓震．化工容器及设备[M]．中国石化出版社，1998
[2]刘敏珊，董其伍，刘彤．过程装备特殊零部件应力分析[M]．化学工业出版社，2009
[3]GB150.1~150.4－2011 压力容器[S]
[4]刘宏臣，胡泽康，王泽军．椭圆度对外压圆筒体屈曲临界载荷影响的初步分析[J]．压力容器，2006
论文作者:万里阳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
标签：载荷论文; 冷凝器论文; 结构论文; 稳定性论文; 临界论文; 锥体论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第13期论文;