吸收塔塔体封头应力分析

1、第二章 吸收塔塔底封头应力分析2.1 吸收塔结构与工艺吸收塔的工艺，操作工况，主要结构陈述一下，把图纸放上去。2.2 有限元建模与计算2.2.1 模型的建立由于塔底封头处的应力状态为本文研究的重点，因此，为简化计算，不考虑塔体上接管等局部结构对塔底应力状态的影响，将整个塔体作为轴对称结构处理，建立二维轴对称模型，如图2-4所示。其中，将塔板与格栅组合成的复杂结构等效为刚度和强度都较大（设置较高的弹性模量和屈服强度）的钢板置于塔内，将填料、吸附剂等塔内内件及工艺介质对各层钢板的作用力等效为均布压力P，塔体及钢板的自重设为G。图2-4 塔体二维轴对称结构图2.2.2 网格划分塔体的网格划分如图2-

2、5所示，采用CAX4R或CAX3单元，共划分21598个节点，18647个单元，其中局部可能应力集中的区域采用较密集的网格。图2-5 网格划分2.2.3 材料参数冷却塔塔体材料为16MnR钢，其性能参数见表2-1，此外，塔板与格栅的等效钢板的弹性模量E取为600GPa，屈服强度y取为600MPa。表2-1 塔体材料16MnR刚的性能参数材料温度TºC密度 (g/mm3)弹性模量E(GPa)屈服强度y(MPa)16MnR2007.862003192.2.3 载荷与边界条件根据工厂提供的吸附塔操作数据可知，增加塔的产量后，塔体内部填料、吸附剂及介质等的总重量约为2550t，将此重量均匀分

3、布给各层塔板与格栅等效钢板，可得各层钢板承受的质量为2550/13=196t，等效钢板的面积为30002-(425+30)2=2.76×107mm2，因此每层等效钢板所承受的均布压力P=0.07MPa。另外，取重力加速度g=9.8m/s2。设置图2-4所示模型的左边界为轴对称边界，限制裙坐支撑的塔体部分的各个方向移动与转动。2.3 结果与讨论2.3.1 整体应力分布利用有限元ABAQUS软件，根据上述模型及载荷与边界条件，计算得到塔体的应力分布。图2-6给出了塔体的整体应力分布图，由图2-6可见，塔体在底部封头支撑处存在明显的应力集中，应力最大位置位于封头外表面支撑所在位置的两侧，最

4、大值达到319MPa，超过了塔体封头材料16MnR钢在200 ºC时的屈服强度。局部应力集中区图2-6 塔体整体应力分布2.3.2 塔体底部封头局部应力分布为详细考察塔底封头局部区域的应力分布情况，取图2-7中所示的路径P1，图2-82-12分别给出了此局部区域的Mises应力、最大主应力、径向应力S11、轴向应力S22、周向应力S33的分布云图及沿路径P1的应力分布规律。取路径P1即是为了更直观的表示此局域的应力大小与分布情况。由图2-8可见，封头在此支撑对应位置的外表面存在明显应力集中，有较大区域的应力超过了材料的屈服强度，即发生了屈服。而由图2-9可知，封头在此局部区域的最大主

5、应力甚至达到了365MPa，超过了16MnR钢的屈服强度。P1图2-7 路径P1（a） Mises应力分布云图（b） 沿路径P1的Mises应力分布图2-8 塔体封头局部区域的Mises应力分布（a） 最大主应力分布云图（b） 沿路径P1的最大应力分布图2-9 塔体封头局部区域的最大主应力分布（a） 径向应力S11分布云图（b） 沿路径P1的径向应力分布图2-10 塔体封头局部区域的径向应力分布（a）轴向应力S11分布云图（b） 沿路径P1的轴向应力分布图2-11 塔体封头局部区域的轴向应力分布（a）周向应力S11分布云图（b） 沿路径P1的周向应力分布图2-12 塔体封头局部区域的周向应力分

6、布显然，有以上分析可知，若增加吸收塔的产量，由于塔内内件及工艺介质的重量的增加，会导致塔体底部封头在塔内支撑所在位置的外表面局部区域发生明显塑性屈服，因此，为保证设备的使用安全，需对塔底封头的应力集中区域进行补强。2.4 结论第三章 吸收塔塔底封头补强后应力分析3.1 塔底封头补强策略 补强板是最常见的补强策略，。补强板厚度36mm，长度1200mm3.2 有限元建模与计算3.2.1 补强后的塔体结构的网格划分 图3-1给出了补强后塔底封头的局部网格划分。图3-1 补强后塔底封头的局部网格划分3.2.2 材料参数、载荷及边界条件补强板选用材料与塔体材料一致，为16MnR，材料性能参数见表2-1

7、。载荷与边界条件与2.3节相同。3.3 结果与讨论3.3.1 补强后塔体的整体应力分布图3-2给出了塔底封头补强后塔体的整体应力分布图，由图3-2可见，塔体在底部封头在补强板补强后应力较补强前发生明显较低，最大应力位置仍位于支撑所在位置的封头外表面，但最大值仅为197MPa，显著低于16MnR钢在200 ºC时的屈服强度。图3-2 补强后塔体的应力分布3.3.2 塔体底部封头补强后的局部应力分布与2.3节类似，为详细考察塔底封头补强后局部区域的应力大小及其分布情况，取图3-3中所示路径P1，图3-43-8分别给出了补强后此局部区域的Mises应力、最大主应力、径向应力S11、轴向应力S22、周向应力S33的分布云图及沿路径P1的应力分布规律。P2图3-3 路径P2由图3-43-8可见，补强后封头在支撑对应位置的外表面仍存在一定的应力集中，但应力数值已有明显降低，均远远低于材料的屈服强度，因此，可以判定采用36mm补强板补强塔底封头具有有效性，可使封头的应力处在安全范围内。（a） Mises应力分布云图（b） 沿路径P1的Mises应力分布图3-4 塔体封头补强后的局部Mises应力分布（a） 最大主应力分布云图（b） 沿路径P1的最大主应力分布图3-5 塔体封头补强后的局部最大主应力分布（a） 径向应力分布云图（b） 沿路径P1的径向应力分布