悬挂式集液器结构优化设计

悬挂式集液器结构优化设计

梁庆海

（中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院， 吉林吉林 132002）

[摘  要]本文应用有限元分析法对某供货商提供的集液器设计方案进行了优化设计，优化后的结构可保证安全承载，做到了既安全可靠又经济合理。本设计可为其它压力容器设计提供一定参考。

[关键词]集液器；优化设计；有限元分析；压力容器设计

1 结构分析

德国某公司为丙烯酸项目溶剂分离塔提供内置板式换热器技术，该塔内径为5000mm，塔筒体材料为不锈钢复合板，3台内置板式换热器安装在塔顶内部支持梁上，板式换热器底部与集液器连接，集液器完成内置换热器换热液体的收集和排净。该公司在以往项目关于集液器的设计中，塔内板式换热器规格都比较小，相应集液器尺寸也不大，承受液柱静压力不高，本项目该公司只给出了集液器结构示意简图（见附图1，2所示），集液器高约4000mm，横向宽度约3500mm，纵向宽度约1800mm，上部敞口形式与板式换热器底部壁板焊接相连，焊接密封保证换热器液体流进集液器而不泄漏，集液器下部为矩形箱体结构，壁板和底板均与外加强型钢焊接，整个集液器只设置了竖向外加强型钢与塔顶内部支撑梁连接，型钢大小和型号均未给出。集液器的合理设计在整个塔传热过程中起到重要的作用，对于节省资金、材料、能源和空间意义重大。

   图1  集液器结构示意简图（正视图）      

     图2  集液器结构示意简图（侧视图）

经过分析研究，对此集液器提出许多关键问题：

（1）在液柱静压力作用下，集液器结构示意简图中外加强型钢能否满足刚度要求，如果不能满足要求，应选择何种形式型钢，加强型钢如何布置才能满足壁板和底板变形要求。

（2）集液器底板能否承受如此高的液柱静压力，底板与壁板连接位置的局部高应力如何消除。

（3）集液器壁板外加强型钢与支撑梁连接，加强型钢能否满足强度要求，连接焊缝能否承受22吨集液器的重力载荷。

2 技术分析

根据该公司提供的简图，运用有限元分析软件ANSYS14进行计算，发现该公司提供的集液器示意图在结构设计上存在以下不足：

（1）由于集液器是悬挂在顶部支撑梁上，结构尺寸较大，在液柱静压力作用下，其壁板和底板变形很大，特别是与内置板式换热器连接接口处，容易出现明显焊缝开裂，造成板式换热器液体泄漏，并从塔顶流经所有塔盘，不但影响塔的换热效果，且工艺性能也不能满足要求。

（2）因集液器底部形状类似矩形容器，受力状态特别不好，在承载两米多高液柱静压力的情况下，壁板与壁板直角连接位置明显应力集中，应力值已远远超过不锈钢材料的屈服极限，不能满足强度要求，焊缝容易开裂，造成集液器内液体外漏，一旦出现泄漏，维修工作特别繁琐，造成很大的麻烦。常规矩形容器计算方法已不能满足该集液器的设计计算。

（3）该公司设计的集液器壁板和底板外加强型钢采用扁钢，在计算过程中发现加强扁钢刚性不足，抗弯惯性矩不够，特别在距集液器底部800mm处，扁钢和扁钢中间的壁板出现外凸变形，变形很大。

（4）集液器悬挂结构是由加强扁钢与板式换热器支撑梁之间进行焊接连接组合而成，焊接面积非常少，扁钢与支撑梁之间的焊接角焊缝远远不能满足整个集液器在盛满液体工况下的承载能力，如果角焊缝开裂，容易造成重达22吨的整个集液器脱落，集液器悬挂在塔顶内部位置，若发生脱落，就会造成所有塔盘被砸坏，后果十分严重。

经过上述计算分析，该公司提供的简图存在很多不合理的之处，存在很大的安全隐患，因此，迫切需要对该集液器的结构设计进行优化，以满足项目的使用。

3 优化设计

为真实准确地给出该集液器的具体结构形式，本设计提出了一种能够在悬挂形式作用下的加强型钢与壁板连接结构。在优化设计过程中，根据集液器的实际应力分布和变形情况，对加强型钢的规格、数量以及布置间距进行选择和调整，使整个集液器受力更均匀，不必增加壁板厚度，有效控制了整个集液器壁板的变形和应力分布，满足强度和变形要求，避免集液器泄漏。增大型钢与集液器支撑主梁的焊接角焊缝面积，以满足集液器承载需要，并采用横向侧壁梁与塔设备筒体连接，在保证壁板挠度变形在许用范围内的同时，使该结构设计更加安全可靠。

本优化设计由集液器壁板壳体、集液器底板壳体以及外加强型钢组成。设计主要内容如下：

（1）集液器壁板及型钢梁的优化设计，主要根据液柱静压力实际分布情况以及对壁板作用的应力分布，对外加强型钢进行合理选择和布置，控制型钢及壁板的应力和变形。

（2）集液器底板及型钢梁的优化设计，主要根据底板在承受最大液柱静压力的作用以及壁板弯曲变形对底板的影响产生的变形，对外加强型钢进行选择和合理布置。控制型钢及底板的应力和变形。

（3）与内置板式换热器支撑梁连接型钢的优化设计，连接型钢不仅承受集液器壁板在盛满液体外凸变形产生的弯矩，而且承受整个集液器盛满液体时的总重量，整个集液器通过连接型钢悬挂在板式换热器支撑梁上。

（4）集液器壁板和底板与外加强型钢连接的优化设计，在满足上述型钢优化设计的情况下，对壁板和底板与型钢的焊接进行合理设计，以降低应力集中，满足强度和变形要求。

4 优化设计的效果

（1）该集液器优化设计开放性强，能够适用各种内置板式换热器及大型矩形容器在不同工况下的特殊要求，能够得到用于设计计算的准确数据。针对不同部位应力和变形的大小，可对不同部位进行加强处理，使材料的性能得到充分利用，避免经验设计的盲目性。

（2）能够对集液器外加强型钢进行预组装焊接，然后进行壁板和底板与型钢的焊接，最后进行整个集液器的安装，加强型钢布置规整，受力均匀，最大程度地降低了弯曲应力的影响，可有效防止在液柱静压力作用下壁板和底板变形过大产生破坏失效，而且焊接和安装操作方便灵活。

（3）通过对集液器实际结构进行模拟，建立了真实的集液器实际结构模型，最大程度地降低了用试验方法消耗的成本，能够对不同载荷工况作用下的集液器进行优化设计，特别是对加强型钢的更换、位置的调整以及数据的比较等方面，要比用试验方法更加方便灵活。

（4）对集液器优化设计采用有限元数值模拟方法，运用有限元分析软件ANSYS14

进行计算，该方法真实可靠，计算精度高，能够充分反映出壁板和底板以及加强型钢的实际受力状态，便于对应力集中以及危险部位进行调整，即节省时间又能减低能量消耗，从而实现对该悬挂式集液器结构的优化设计。优化设计结构详图见附图3、图4所示。

图3  加强型钢布置详图（优化后）

图4  加强型钢和壁板连接详图（优化后）

5 结论

该优化设计不改变原有内置板式换热器的工艺流程，通过优化设计，可以满足不同高度液柱静压力的需求，适用性强，能够对各种结构的内置板式换热器的集液器进行优化设计，并且工程应用扩展性好，能够得到可供压力容器设计人员参考利用的有效结构形式。

参考文献

[1] GB150-2011，压力容器[S].

[2] 蒲广益. ANSYS WORKBENCH 12.0基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2011.