二氧化碳捕集纯化工程中再生塔运输和吊装的补强措施仿真研究.doc
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1、二氧化碳捕集纯化工程中再生塔运输和吊装的补强措施仿真研究舒兴海(胜利油田胜利建设监理有限公司 山东东营 257000)摘要:二氧化碳捕集纯化工程中再生塔属于大型薄壳设备,具有运输、吊装困难、易变形等特点。本文从塔体开孔的方位、焊接角钢加强筋、薄壳失稳破坏等因素,采用ANSYS有限元软件对再生塔进行模拟分析。开口向侧下时,危险截面的位移和应力较小。沿筒身长度方向焊接6根等边角钢加强筋,在筒身中间位置焊接间距为5米的环向角钢加强筋,能够有效减小危险截面的最大位移和应力值,同时开口处应力集中值明显减小,有效防止了再生塔的失稳破坏。关键词:再生塔 吊装 ANSYS 失稳破坏再生塔是胜利发电厂烟气CO2
2、捕集纯化工程三座大型塔设备之一,其壁厚最薄。为了加快建设施工速度、保证施工质量,再生塔塔采用在预制厂整体预制,然后进行整体运输吊装和安装的施工方案。因此如何采取补强措施,防止再生塔在运输和吊装过程中出现扭曲和变形,是本工程的主要施工难点之一。本文主要针对这一难点,采用ANSYS有限元软件对再生塔进行模拟分析研究。以下是再生塔的工艺参数:再生塔 塔盘填料符合塔,外形尺寸:直径2200mm,高度31200mm材质:06Cr19Ni10。壁厚8mm,总重量23.4吨。1理论计算将再生塔简化为一简支梁。对简化模型进行力学计算,根据工程力学知识可知塔的危险点在塔身中部。并能得出最大弯矩和挠度值。表1-1
3、 弯矩值和挠度值装置Mmax(Nm)挠度(mm)再生塔627972.46.252壳体的稳定性考虑到再生塔属于薄壳设备,因此,需要进行壳体的稳定性分析。再生塔在自重作用下的问题可以简化为如下图2-1所示的简支薄壁圆筒受均布压力作用的问题。 图2-1 薄壁圆筒计算简图 图2-2 失稳破坏时简化图 在自重作用下,薄壁圆筒上侧受压,下侧受拉,薄壳圆筒产生弯曲变形如图2-2。筒体可能会发生失稳破坏。对危险段进行分析,可简化为下图2-3所示问题。图2-3 危险段受力图在拉应力作用下薄壁圆筒不会发生失稳破坏,因此,取受压的上侧进行轴向失稳分析。分析过程略,结果如表2-1表2-1 失稳临界应力计算结果设备径厚
4、比临界径厚比临界应力(MPa)失稳临界应力(MPa)(失稳安全系数3)失稳临界应力(MPa)(失稳安全系数3.5)再生塔138591344.2114.798.33 再生塔有限元分析3.1 静力分析为了模拟此构件在吊装过程中的变形及应力,使用有限元软件进行分析计算。计算模型及载荷约束条件单元类型对结构进行分析时,选择壳单元shell43。载荷及约束条件在起吊过程中只受重力作用。整个模型简化为在重力作用下的简支梁模型。模型的建立及网格划分对模型进行简化,利用ANSYS中的建模功能建立模型。考虑到塔身筒壁上开有孔,这些部位会产生应力集中的现象,因此,对这种部位在网格划分时进行特殊处理,如图3-1:图
5、3-1 筒壁网格图(1) 开口向侧下时的模拟计算由于在再生塔的筒壁上开有很多孔,所以吊装时应考虑开孔位于上侧和下侧时对再生塔的影响。设定再生塔中的开孔位于侧下,ANSYS分析位移云图如图3-2。图3-2 总位移图由图3-2可知,在重力作用下,筒身中间位置的总位移变形最大,向两端逐渐减小。位移最大值为6.91mm。由于筒壁开孔和吊耳位置会发生应力集中,因此不重点研究此段的应力大小。在计算时,可简化为简支梁模型,其危险处在筒身的中间位置。因此对应力的研究只取其危险段分析。应力见图3-3。图3-3 危险截面处mises应力图由应力图中可知,筒体的应力在上下两侧较大,在左右两侧应力值较小。在上下两侧应
6、力值沿轴向向两端逐渐减小。在左右两侧应力值沿轴向向两端逐渐增大。应力沿环向呈从侧面开始先增大后减小,再增大再减小的趋势。由图可得此种情况下的危险段最大应力和最大位移。表3-1 危险段最大位移与应力值开口向侧下位移(mm)应力(MPa)最大值6.9174.3(2)开口向侧上时的模拟计算再生塔中的开孔位于侧上时,ANSYS分析的位移和应力云图趋势同开口向侧上时,在此仅列出其危险段最大位移和应力值,云图略。见表3-2所示。表3-2 危险截面处最大位移与应力值开口向侧上位移(mm)应力(MPa)最大值6.9578.9比较开孔位于侧上和侧下两种情况对再生塔的影响,表3-1与表3-2的结果显示,开孔位于侧
7、上时,位移与应力都较大。因此,考虑起吊过程中筒身的安全起吊时应选择开孔位于侧下位置。表3-3给出了两种开口情况下和理想情况下得出的位移和应力最大值。表3-3 不同吊装方式时危险截面处最大位移与应力值对比状态最大位移(mm)最大应力(MPa)开口向侧下6.9174.3开口向侧上6.9578.9理论值6.2522.69由上表可知,模拟计算值要大于理论值。主要原因是由于筒壁上开孔及吊耳对筒体的影响。(3)角钢加强筋保护下的模拟计算沿筒身长度方向焊接等边角钢加强筋,平均分布在筒身圆周,共6根;在筒身中间位置焊接环向角钢加强筋5根,计算角钢加强筋间距分别为2米、3米和5米(角钢加强筋焊接范围分别为8米、
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