吸收塔塔體封頭應(yīng)力分析

1、第二章 吸收塔塔底封頭應(yīng)力分析2.1 吸收塔結(jié)構(gòu)與工藝吸收塔的工藝，操作工況，主要結(jié)構(gòu)陳述一下，把圖紙放上去。2.2 有限元建模與計(jì)算2.2.1 模型的建立由于塔底封頭處的應(yīng)力狀態(tài)為本文研究的重點(diǎn)，因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮塔體上接管等局部結(jié)構(gòu)對(duì)塔底應(yīng)力狀態(tài)的影響，將整個(gè)塔體作為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)處理，建立二維軸對(duì)稱模型，如圖2-4所示。其中，將塔板與格柵組合成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效為剛度和強(qiáng)度都較大（設(shè)置較高的彈性模量和屈服強(qiáng)度）的鋼板置于塔內(nèi)，將填料、吸附劑等塔內(nèi)內(nèi)件及工藝介質(zhì)對(duì)各層鋼板的作用力等效為均布?jí)毫，塔體及鋼板的自重設(shè)為G。圖2-4 塔體二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)圖2.2.2 網(wǎng)格劃分塔體的網(wǎng)格劃分如圖2-

2、5所示，采用CAX4R或CAX3單元，共劃分21598個(gè)節(jié)點(diǎn)，18647個(gè)單元，其中局部可能應(yīng)力集中的區(qū)域采用較密集的網(wǎng)格。圖2-5 網(wǎng)格劃分2.2.3 材料參數(shù)冷卻塔塔體材料為16MnR鋼，其性能參數(shù)見表2-1，此外，塔板與格柵的等效鋼板的彈性模量E取為600GPa，屈服強(qiáng)度y取為600MPa。表2-1 塔體材料16MnR剛的性能參數(shù)材料溫度TºC密度 (g/mm3)彈性模量E(GPa)屈服強(qiáng)度y(MPa)16MnR2007.862003192.2.3 載荷與邊界條件根據(jù)工廠提供的吸附塔操作數(shù)據(jù)可知，增加塔的產(chǎn)量后，塔體內(nèi)部填料、吸附劑及介質(zhì)等的總重量約為2550t，將此重量均勻分

3、布給各層塔板與格柵等效鋼板，可得各層鋼板承受的質(zhì)量為2550/13=196t，等效鋼板的面積為30002-(425+30)2=2.76×107mm2，因此每層等效鋼板所承受的均布?jí)毫=0.07MPa。另外，取重力加速度g=9.8m/s2。設(shè)置圖2-4所示模型的左邊界為軸對(duì)稱邊界，限制裙坐支撐的塔體部分的各個(gè)方向移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。2.3 結(jié)果與討論2.3.1 整體應(yīng)力分布利用有限元ABAQUS軟件，根據(jù)上述模型及載荷與邊界條件，計(jì)算得到塔體的應(yīng)力分布。圖2-6給出了塔體的整體應(yīng)力分布圖，由圖2-6可見，塔體在底部封頭支撐處存在明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力最大位置位于封頭外表面支撐所在位置的兩側(cè)，最

4、大值達(dá)到319MPa，超過了塔體封頭材料16MnR鋼在200 ºC時(shí)的屈服強(qiáng)度。局部應(yīng)力集中區(qū)圖2-6 塔體整體應(yīng)力分布2.3.2 塔體底部封頭局部應(yīng)力分布為詳細(xì)考察塔底封頭局部區(qū)域的應(yīng)力分布情況，取圖2-7中所示的路徑P1，圖2-82-12分別給出了此局部區(qū)域的Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力、徑向應(yīng)力S11、軸向應(yīng)力S22、周向應(yīng)力S33的分布云圖及沿路徑P1的應(yīng)力分布規(guī)律。取路徑P1即是為了更直觀的表示此局域的應(yīng)力大小與分布情況。由圖2-8可見，封頭在此支撐對(duì)應(yīng)位置的外表面存在明顯應(yīng)力集中，有較大區(qū)域的應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度，即發(fā)生了屈服。而由圖2-9可知，封頭在此局部區(qū)域的最大主

5、應(yīng)力甚至達(dá)到了365MPa，超過了16MnR鋼的屈服強(qiáng)度。P1圖2-7 路徑P1（a） Mises應(yīng)力分布云圖（b） 沿路徑P1的Mises應(yīng)力分布圖2-8 塔體封頭局部區(qū)域的Mises應(yīng)力分布（a） 最大主應(yīng)力分布云圖（b） 沿路徑P1的最大應(yīng)力分布圖2-9 塔體封頭局部區(qū)域的最大主應(yīng)力分布（a） 徑向應(yīng)力S11分布云圖（b） 沿路徑P1的徑向應(yīng)力分布圖2-10 塔體封頭局部區(qū)域的徑向應(yīng)力分布（a）軸向應(yīng)力S11分布云圖（b） 沿路徑P1的軸向應(yīng)力分布圖2-11 塔體封頭局部區(qū)域的軸向應(yīng)力分布（a）周向應(yīng)力S11分布云圖（b） 沿路徑P1的周向應(yīng)力分布圖2-12 塔體封頭局部區(qū)域的周向應(yīng)力分

6、布顯然，有以上分析可知，若增加吸收塔的產(chǎn)量，由于塔內(nèi)內(nèi)件及工藝介質(zhì)的重量的增加，會(huì)導(dǎo)致塔體底部封頭在塔內(nèi)支撐所在位置的外表面局部區(qū)域發(fā)生明顯塑性屈服，因此，為保證設(shè)備的使用安全，需對(duì)塔底封頭的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。2.4 結(jié)論第三章 吸收塔塔底封頭補(bǔ)強(qiáng)后應(yīng)力分析3.1 塔底封頭補(bǔ)強(qiáng)策略 補(bǔ)強(qiáng)板是最常見的補(bǔ)強(qiáng)策略，。補(bǔ)強(qiáng)板厚度36mm，長(zhǎng)度1200mm3.2 有限元建模與計(jì)算3.2.1 補(bǔ)強(qiáng)后的塔體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分 圖3-1給出了補(bǔ)強(qiáng)后塔底封頭的局部網(wǎng)格劃分。圖3-1 補(bǔ)強(qiáng)后塔底封頭的局部網(wǎng)格劃分3.2.2 材料參數(shù)、載荷及邊界條件補(bǔ)強(qiáng)板選用材料與塔體材料一致，為16MnR，材料性能參數(shù)見表2-1

7、。載荷與邊界條件與2.3節(jié)相同。3.3 結(jié)果與討論3.3.1 補(bǔ)強(qiáng)后塔體的整體應(yīng)力分布圖3-2給出了塔底封頭補(bǔ)強(qiáng)后塔體的整體應(yīng)力分布圖，由圖3-2可見，塔體在底部封頭在補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)后應(yīng)力較補(bǔ)強(qiáng)前發(fā)生明顯較低，最大應(yīng)力位置仍位于支撐所在位置的封頭外表面，但最大值僅為197MPa，顯著低于16MnR鋼在200 ºC時(shí)的屈服強(qiáng)度。圖3-2 補(bǔ)強(qiáng)后塔體的應(yīng)力分布3.3.2 塔體底部封頭補(bǔ)強(qiáng)后的局部應(yīng)力分布與2.3節(jié)類似，為詳細(xì)考察塔底封頭補(bǔ)強(qiáng)后局部區(qū)域的應(yīng)力大小及其分布情況，取圖3-3中所示路徑P1，圖3-43-8分別給出了補(bǔ)強(qiáng)后此局部區(qū)域的Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力、徑向應(yīng)力S11、軸向應(yīng)力S22、周向應(yīng)力S33的分布云圖及沿路徑P1的應(yīng)力分布規(guī)律。P2圖3-3 路徑P2由圖3-43-8可見，補(bǔ)強(qiáng)后封頭在支撐對(duì)應(yīng)位置的外表面仍存在一定的應(yīng)力集中，但應(yīng)力數(shù)值已有明顯降低，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，因此，可以判定采用36mm補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)塔底封頭具有有效性，可使封頭的應(yīng)力處在安全范圍內(nèi)。（a） Mises應(yīng)力分布云圖（b） 沿路徑P1的Mises應(yīng)力分布圖3-4 塔體封頭補(bǔ)強(qiáng)后的局部Mises應(yīng)力分布（a） 最大主應(yīng)力分布云圖（b） 沿路徑P1的最大主應(yīng)力分布圖3-5 塔體封頭補(bǔ)強(qiáng)后的局部最大主應(yīng)力分布（a） 徑向應(yīng)力分布云圖（b） 沿路徑P1的徑向應(yīng)力分布