附塔换热器支撑结构承载有限元分析

附塔换热器支撑结构承载有限元分析
杨湖;孙志刚;吴显伟
【摘要】附塔支架支撑的换热器结构形式特殊,相关文献对这种结构进行分析时支撑梁承载假设与实际情况存在着一定偏离.考虑设备的实际安装过程,采用有限元分析法详细分析了支撑梁在不同工况下的承载情况,得到不同工况下支撑梁和接管承载比例,分析结果更加符合实际,对结构强度校核提出了相关的建议,可作为此类结构设计的参考.
【期刊名称】《化工设备与管道》
【年(卷),期】2018(055)005
【总页数】5页(P30-34)
【关键词】塔;换热器;支撑;承载;有限元
【作者】杨湖;孙志刚;吴显伟
【作者单位】无锡化工装备股份有限公司,江苏无锡214131;无锡化工装备股份有限公司,江苏无锡214131;中国化学工程第十四建设有限公司,南京211500
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.5;TH123
当换热器标高较高时，换热器可能会采用附塔支架支撑，即悬挂支撑。

文献 [1]认为这种附塔支架支撑仅适用相对小型的换热器，如文献 [2，3]中采用类似支撑结构的设备最大重量为10 t，但也有比较重的换热器采用这种支撑形式的，如文献
[4]中的换热器最大重量达到245 t。

换热器与塔器之间的连接接管开孔补强需要考虑换热器重量的影响，对此有两种不同的处理方法。

第一种方法 [2]认为支架承担100 %的换热器重量，设计中仅针对支架设计考虑换热器重力载荷，接管不承受换热器重量；第二种方法 [3-4]认为接管和支架均承受换热器重量，通过建立包含塔器部分、接管、换热器部分以及支架的整体模型计算出接管和支架的实际承载或者相应的应力分布。

从工程实际分析发现两种方法均有合理性和不足。

设备在现场安装时首先安装塔器，然后安装支架，最后安装换热器，在换热器重力作用下支架会产生变形，换热器与塔器对接的接管会对不齐，现场会校平支撑梁使得塔器接管与换热器接管对齐，然后再进行接管连接。

由此可见，安装时换热器空重100 %由支架承担，在其他工
况下换热器空重也应该是支撑梁承受的，换热器操作以及水压试验时的介质重量、地震载荷和风载荷作用时支架会发生二次变形，这些载荷由接管和支架共同承担。

第一种方法能保证支架的安全，但认为接管不承受换热器载荷是偏冒进的，设计时通常宜留有一定的裕量；第二种方法则是过保守地考虑换热器载荷对接管的影响，接管设计偏保守。

合理的载荷分析是合理设计的前提条件，所以，有必要根据实际情况对支架与接管承载情况进行详细分析。

本文对某MDI项目附塔支架支撑换热器支架支撑结构承载情况进行了有限元分析，可作为同类结构设计提供参考。

1 计算条件
图1为附塔支架支撑换热器开孔接管结构。

塔器设计温度260 ℃，设计压力0.4 MPa，换热器设计温度300 ℃，设计压力0.4 MPa，塔器和换热器管程主体材料为SA-240304L，考虑水压试验液柱静压力二者的试验压力达到1.05 MPa。

安装时换热器空重为102500 kg，操作时换热器重量为105100 kg，水压试验时换热
器重量为163700 kg。

换热器设计地震加速度0.1g，风压441 Pa。

支撑梁规格
为HW400×400× 22×16，材料为 Q345R。

2 有限元分析
2.1 载荷工况和力学模型
根据前面的分析，支架和接管的承载情况可以归纳如表1所示，有些载荷是支架单独承受，有的是支架和接管共同承受，所以，首先需要分析共同承受的载荷支架和接管各自的承载大小。

为此，这里需要建立2个模型。

图1 附塔支架支撑换热器开孔接管结构简图Fig.1 Structural sketch for heat exchanger with nozzle attached tower
表1 支架和接管承载情况Table1 Load condition for support and nozzle注：地震设计加速度为0.1 g，风压为441 Pa，经计算地震载荷为105100 N，风载荷为21304 N。

本文主要分析单一载荷条件支撑梁与接管的承载情况，分析的工况与塔器标准中要求的不同。

工况支架承受的载荷接管承受的载荷 A&D安装换热器空重（102500 kg）换热器风载荷21304 N 无正常操作换热器空重（102500 kg）换热器操作介质（2600 kg）重量的一部分换热器操作介质（2600 kg）重量的一部分地震换热器空重（102500 kg）换热器操作介质（2600 kg）重量的一部分换热器地震载荷105100 N的一部分换热器操作介质（2600 kg）重量的一部分换热器地震载荷105100 N的一部分换热器试验介质（61200 kg）重量的一部分水压换热器空重（102500 kg）换热器试验介质（61200 kg）重量的一部分
模型1：此模型为了计算安装工况下换热器支耳在支撑梁上的作用力。

模型1由塔器筒体、封头、裙座筒体、塔器接管、换热器管箱法兰、换热器管箱壳体、换热器接管及换热器支耳组成，支撑梁，其中塔器接管和换热器接管未焊接连接在一起。

模型2：此模型为了计算除安装工况外情况下换热器支耳在支撑梁上的作用力。

模型2的构成元件与模型1相同，但其中塔器接管和换热器接管焊接连接在一起。

在安装过程中支撑梁变形后有个校平过程，使得塔器接管和换热器接管能够对齐，接管焊接完成时，支撑梁实际上已经发生了变形，可以认为是小变形，所以忽略这
种变形采用模型2应是可行的，弹性叠加原理是适用的，这样为载荷分析提供了
便利。

图2 实体模型Fig.2 Solid model
图3 网格划分Fig.3 Meshing
2.2 建立有限元模型
有限元分析软件采用大型通用有限元软件ANSYS Workbench16.0。

建立第2.2节的2个实体模型，其中塔器包括筒体（t=36 mm）长度为2950
mm和筒体（t=24 mm）1500 mm，裙座筒体底端面至塔器封头切线9000 mm，忽略地脚螺栓座，忽略换热器管箱法兰凸台和螺栓孔，忽略接管A&D以外的所有接管。

模型1与模型2差别很小，通过抑制接管A&D对接处一小段（30 mm）
接管实体可以由模型2得到模型1，所以这里只给出模型2的实体，如图2所示。

有限元分析采用8节点SOLID185单元，壳体与接管壁厚方向划分4份，支撑梁
和垫板壁厚方向划分3份，模型2单元数为615175，节点数为785315，网格划分如图3所示。

在网格划分时耳座垫板与管箱筒体，耳座垫板与筋板，耳座垫板
与支撑梁，支撑梁之间共节点网格划分比较麻烦，这里采用MPC绑定方法连接，不需要共节点和网格对齐。

在后处理时可以提取MPC绑定接触的支反力，从而求得换热器耳座底板对支撑梁的作用力，确定支撑梁的受力情况，文献 [4]采用的便是这种方法。

换热器空重和换热器操作或试验介质重量可采用施加一般力载荷的办法直接施加在换热器管箱法兰上端面。

换热器的风载荷和地震载荷施加如果采用一般力施加方法施加在换热器管箱法兰上端面，需要按照力的平移原理施加相应的弯矩。

参考文献[4]，本文采用ANSYS Workbench中远端力（Remote Force）的方法施加风载
荷和地震载荷，载荷的作用面仍为箱法兰上端面，力的位置设置为几何形心和重心位置，不需要力的平移计算，更加方便。

模型的位移边界条件为：在裙座筒体的下端面施加轴向和环向位移约束。

有限元分析情况如表2所示。

载荷施加情况如图4所示。

表2 有限元分析情况汇总Table2 Summary of finite element analysis载荷情况载荷来源载荷大小/N 载荷方向所用模型载荷1 空重 1025000 -Y 模型1载荷2 操作介质 26000 -Y 模型2载荷3 地震力 102500 Z 模型2载荷4 水压试验介质612000 -Y 模型2
2.3 有限元分析结果与分析
不同工况下单一载荷作用时支耳对支撑梁作用力计算结果如表3所示。

从表3中可以发现，当载荷是Y方向时，支耳1的作用力FY远小于支耳2和支耳3的，产生这种现象的原因是支耳作用处支撑梁的刚性差别较大，支耳1作用较小，换热器支耳应考虑成双支耳支撑设计。

图4 载荷施加图Fig.4 Loads appling
根据表2中的载荷和表3中耳座作用力FY的和FZ值，可以计算得到不同工况下支撑梁和接管承受的换热器载荷以及相应的百分比，如表4所示。

由表4可以发现对于Y方向操作或者水压试验介质载荷支撑梁承载了其中的66.7 %，而Z方向的水平地震力，支撑梁仅仅承载了其中的5.1 %，对于地震弯矩，支撑梁承载了其中的59.7 %。

经过叠加计算可以发现，对于Y方向的重力载荷，安装工况下支撑梁承载了其中的100 %，操作工况下承载了其中的99.2 %，水压试验工况下承载了其中的87.6 %。

对于垂直三角支架的地震力，支撑梁承载比例很低，绝大部分由接管承担。

表3 单一载荷作用时支耳对支撑梁作用力计算结果Table3 The result for the force acting on the beam by each lug under single loading N*支耳2和支耳3对称布置，支耳1位于支耳2和支耳3之间。

载荷1 载荷2 载荷3 载荷4支耳1 FX 21321406 -148.29556.2 FY -53313 -3794.756.8 -89321 FZ
227.455.38402.6123.9支耳2 FX -10487 -390.6 -42419 -9194.2 FY -485840 -6786 -58887 -159730 FZ 10452 -240.1 -1650.85650.8支耳3 FX -10842 -392.243033 -9232.8 FY -485830 -6770.358962 -159360 FZ -10680 -247.7 -1553.4 -5829.3
图5 安装工况结构应力分布Fig.5 Stress distribution under installation case 表4 不同载荷单独作用时支撑梁和接管承受的载荷Table4 The load on the beam and nozzle under different load with alone acting注：换热器重心距离耳座底面3539.5 mm，斜撑处2支耳作用力距离3677 mm。

参数空重/N 操作介质重量/N 地震力/N 地震弯矩*/(N·m) 试验介质重力/N单一载荷102500026000 102500362799 612000梁承载 102498317351 5220216665 408411梁承载百分比/% 10066.75.159.766.7接管承载百分比/%
033.394.940.333.3
3 结论
本文建立附塔支架支撑换热器支撑结构有限元模型，分析了支撑梁和接管在不同载荷工况下的承载情况，结论和建议如下：
（1）附塔支架支撑换热器支撑梁和接管载荷分析应考虑实际安装过程，换热器空重由支架100 %承担，操作或水压介质重量等载荷由接管和支架共同承担。

（2）尽管换热器有3个支耳，但换热器的载荷主要由斜梁支撑处的支耳承担，换热器支耳设计应按照2个考虑。

（3）支撑梁承载了大部分竖直方向的载荷，但操作重量或者水压试验重量与换热器空重差距越大，支撑梁承载比例下降越多，所以，换热器操作重量或者水压试验重量与换热器空重差距较大时，宜通过有限元分析确定支撑梁和接管对介质承载比例，以确保接管设计的安全。

（4）对垂直支撑梁三角平面的地震水平力，支撑梁几乎没有承载能力，实际主要
由接管承担，接管局部应力计算时应予以考虑。

（5）支撑梁设计按照100 %换热器最大载荷考虑是必要的，可以不考虑地震载荷和风载荷水平力的影响。

（6）支撑梁承载确定以后即可反推接管的承载，接管的局部应力校核可以采用SW6.0中的接管的局部应力校核程序WRC297或者CSCBPV-TD001-2013，不一定需要采用有限元整体模型进行分析，分析过程可以简化。

参考文献
【相关文献】
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[2]刘宏超，宋启祥，谢培军，等. 设备连接支架等强度及稳定性核算[J]. 压力容器，2014，31（ 12）：31-37.
[3]徐君臣，王震. 带支架压力容器圆筒开孔接管的有限元分析及结构改进[J]. 压力容器， 2017，34（ 1）：35-40.
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