楊昆山

（浙江工程設(shè)計(jì)有限公司， 浙江 杭州 310000）

1 裝置概述

某脂肪酸甲酯項(xiàng)目中，T-201塔頂有2處開孔，經(jīng)管道與2個(gè)冷凝器連接，如圖1所示。考慮運(yùn)行狀況，塔身和塔頂冷凝器之間垂直方向的位移差84mm，在塔身到冷凝器之間的水平管道上設(shè)置了大拉桿橫向補(bǔ)償器，補(bǔ)償能力為111mm。

2019年3月31日，項(xiàng)目業(yè)主投料試車，抽真空過程中，發(fā)現(xiàn)T-201填料塔頂膨脹節(jié)內(nèi)側(cè)螺母鎖死。項(xiàng)目業(yè)主指揮工人將塔體連接處的膨脹節(jié)拉桿螺母松開，避免膨脹節(jié)不起作用，松開螺母瞬間出現(xiàn)異響，裝置震動(dòng)，地面中控室震感明顯，東面冷凝器膨脹節(jié)拉桿變形。4月1日經(jīng)測(cè)量塔體向南面傾斜，拆掉保溫后，觀察在高度約20.5m及29m處塔體有變形，變形量約15mm。4月2日觀察，塔體在不斷回正階段。

2 T-201填料塔主要技術(shù)參數(shù)

塔設(shè)備內(nèi)徑4800mm，厚度16mm，總高38.46m（含裙座7m）。塔體材質(zhì)為S31603，塔體外側(cè)設(shè)置加強(qiáng)圈，加強(qiáng)圈規(guī)格為T120×16。設(shè)備外形結(jié)構(gòu)見圖2，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 塔系統(tǒng)布置圖

3 設(shè)備故障原因分析

3.1 設(shè)備設(shè)計(jì)剛度偏弱，外壓加強(qiáng)圈不能滿足要求

圖2 填料塔外形圖

表1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

通過查看原計(jì)算書發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)過程中外壓計(jì)算時(shí)塔釜處的2000mm液柱靜壓力未取消造成外壓計(jì)算壓力值為-0.08MPa，重新按-0.1MPa校核，外壓加強(qiáng)圈剛性校核不合格；當(dāng)外壓長(zhǎng)度L=4000mm時(shí)，許用外壓P1為0.12033MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，最大外壓長(zhǎng)度L=2500mm，增加加強(qiáng)圈，得到許用外壓P2為0.16416MPa。外壓筒體及加強(qiáng)圈核算過程如下[1]。

3 . 1 . 1 當(dāng) 外 壓 長(zhǎng) 度L = 4 0 0 0 m m 時(shí)， 有效 厚 度S 1 = 1 6 - 0 . 3 = 1 5 . 7 m m ； 筒 體外 徑D o = 4 8 0 0 + 2 × 1 6 = 4 8 3 2 m m ； L /Do=4000/4832=0.83，Do/S1=4832/15.7=307.77；

查表得到A=0.0002993，B=37.03；

許用外壓計(jì)算： P 1 = B / ( D o /S1)=37.03×15.7/4832=0.12033MPa。

加強(qiáng)圈計(jì)算：加強(qiáng)圈規(guī)格：T120×16；加強(qiáng)圈面積：As=3840；

有效慣性矩：Is=28922500.00；

有效慣性矩Is小于所需慣性矩，不合格。3 . 1 . 2 當(dāng) 外 壓 長(zhǎng) 度L = 2 5 0 0 m m 時(shí)， 有效 厚 度S 1 = 1 6 - 0 . 3 = 1 5 . 7 m m ， 筒 體外 徑D o = 4 8 0 0 + 2 × 1 6 = 4 8 3 2 m m ； L /Do=2500/4832=0.52，Do/S1=4832/15.7=307.77；

查表得到A=0.0004895，B=50.52；

許用外壓計(jì)算： P 2 = B / ( D o /S1)=50.52×15.7/4832=0.16416MPa。

加強(qiáng)圈計(jì)算：加強(qiáng)圈規(guī)格：T120×16；加強(qiáng)圈面積：As=3840；

有效慣性矩：Is=48003908；有效慣性矩Is大于所需慣性矩，L160×14可作為外壓加強(qiáng)圈使用。

3.2 管道力的反作用

投料過程中，膨脹節(jié)螺栓未松，塔體外壓變形過程中給膨脹節(jié)的力的同時(shí)，膨脹節(jié)也給塔體反作用力。根據(jù)管道專業(yè)CAESAR II軟件進(jìn)行模擬，對(duì)負(fù)重、溫度、壓力幾種荷載進(jìn)行分析，模擬工況包括持續(xù)荷載工況、運(yùn)行荷載工況和熱膨脹荷載工況。計(jì)算得到塔頂管口S1a，S1b的管口載荷，詳見表2。

表2 接管載荷

將表2中的接管載荷，導(dǎo)入到SW軟件中，進(jìn)行管口局部應(yīng)力計(jì)算。每個(gè)接管根據(jù)力和彎矩分別得到薄膜應(yīng)力SII，以及薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力SIII，根據(jù)規(guī)范給定相應(yīng)的合格標(biāo)準(zhǔn)SII≤1.5S，SIII≤3S[2]。計(jì)算結(jié)果詳見表3。

4 外壓穩(wěn)定性分析

針對(duì)在抽真空時(shí)，T-201填料塔發(fā)生局部失穩(wěn)，在塔高20.5m和29m處，設(shè)備局部向內(nèi)凹陷，最大凹陷深度約為15mm。對(duì)塔體進(jìn)行了外壓穩(wěn)定性分析，分析過程中采用的材料熱物理性能見表4。

表3 接管局部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表4 材料平均線膨脹系數(shù)

4.1分析模型

4.1.1 原設(shè)計(jì)模型

首先對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了屈曲特征值分析，分析時(shí)采用梁殼單元組合建模，其中筒體采用殼單元Shell181，加強(qiáng)圈采用梁?jiǎn)卧狟eam189。建立原設(shè)計(jì)模型的有限元模型，如圖3所示。分析時(shí)塔體外表面上施加單位壓力，裙座底面全約束。

圖3 原設(shè)計(jì)模型的穩(wěn)定性分析有限元模型

4.1.2 改進(jìn)模型

針對(duì)設(shè)備出現(xiàn)局部失穩(wěn)問題，擬通過增加補(bǔ)強(qiáng)圈的方式提高設(shè)備的穩(wěn)定性。根據(jù)商定的加強(qiáng)圈加固方案，對(duì)改進(jìn)方案模型進(jìn)行了屈曲特征值分析。改進(jìn)方案建模時(shí)考慮設(shè)備的局部凹陷。同樣，分析時(shí)采用梁殼單元組合建模，其中筒體采用殼單元Shell181，加強(qiáng)圈采用梁?jiǎn)卧狟eam189。建立有限元模型，如圖4所示。分析時(shí)塔體外表面上施加單位壓力，裙座底面全約束。

4.2 分析結(jié)果

圖4 改進(jìn)模型的穩(wěn)定性分析有限元模型

原設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案模型的1階失穩(wěn)變形情況如圖5所示，從失穩(wěn)形狀看，失穩(wěn)主要發(fā)生于筒體接管位置，2個(gè)模型的臨界失穩(wěn)壓力如表5所示。從表中可以看出，改進(jìn)模型的臨界失穩(wěn)壓力得到明顯提高。

表5 臨界失穩(wěn)壓力

圖5 原設(shè)計(jì)方案的外壓屈曲結(jié)果

圖6 改進(jìn)方案的外壓屈曲結(jié)果

5 處理方案

針對(duì)設(shè)備已經(jīng)發(fā)生的局部凹陷，對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行以下措施整改：

(1)塔設(shè)備內(nèi)部填料，分布器開塔視變形情況清理。

(2)建議復(fù)位的同時(shí)，塔頂S1ab出口彎頭部分增加臨時(shí)支撐，輔助恢復(fù)塔體垂直。

(3)采用0.2MPa壓縮空氣打壓，使局部變形趨圓。

(4)制作外徑為4800，S=20mm的弧板，采用千斤頂恢復(fù)外形；設(shè)備檢查垂直度應(yīng)小于等于30mm。

(5)塔體變形恢復(fù)后，在塔外壁原有加強(qiáng)圈之間增設(shè)角鋼加強(qiáng)圈L160×160×14，改造后最大外壓長(zhǎng)度為2.5m，設(shè)備許用外壓0.164MPa。并在13m樓面、19m樓面、24.5m樓面、32.5m樓面處設(shè)置限位裝置，阻止塔的橫向位移。改造后的結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 增加加強(qiáng)圈改造后設(shè)備外形圖

圖8 塔頂冷凝器鞍座改造后外形圖

(6)在膨脹節(jié)兩端增設(shè)彈簧支架，用以減少設(shè)備及管口所受力。在復(fù)位期間，應(yīng)松開膨脹節(jié)兩段內(nèi)外側(cè)螺母并經(jīng)常觀察松開間隙。

(7)修復(fù)完畢，S1ab焊縫處及彎管臨時(shí)支撐處，冷凝器進(jìn)口彎頭焊縫處做100%PT檢測(cè)。塔設(shè)備頂部管口第一道焊縫做20%RT檢測(cè)。

(8)塔頂冷凝器的鞍座底部增加圓鋼，減小冷凝器對(duì)管道的反作用力。改造后的冷凝器支座詳見圖8。

6 結(jié)束語

通過上述對(duì)T201填料塔的處理，該項(xiàng)目已在7月1日成功開車，并安全運(yùn)行至今。通過該案例，我們?cè)谒酵鈮喝萜髟O(shè)計(jì)時(shí)，液柱靜壓力不能用來抵消外壓作用力，計(jì)算外壓時(shí)應(yīng)將液柱靜壓力取消，否則會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。要根據(jù)管道專業(yè)提供的管口載荷，核算各管口的局部應(yīng)力。并將該載荷，添加到塔的整體計(jì)算中，驗(yàn)證地腳螺栓的強(qiáng)度。

◆參考文獻(xiàn)

[1] GB150.1～GB150.4-2011，壓力容器[S].

[2] HG/T 20582-2011，鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定[S].