Modeling and Simulation
Vol.06 No.01(2017), Article ID:19338,11 pages
10.12677/MOS.2017.61002

Numerical Simulation on Integral Hoisting for Flare Stack with Flange Connection Structure

Bing Ge1, Xuanyu Sheng2, Hongzhi Zhang1, Chuan Liu1, Yachen Xu3

1Installation Company of Daqing Oilfield Engineering Construction Co., Ltd., Daqing Heilongjiang

2Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing

3Research Center of Advanced Energy Equipment Technology, Tianjin Research Institute for Advanced Equipment, Tsinghua University, Tianjin

Received: Dec. 1st, 2016; accepted: Dec. 20th, 2016; published: Dec. 23rd, 2016

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

ABSTRACT

Segmentation hoisting is generally used for flare stack with flange connection structure. This paper presents a technical innovation of integral hoisting of flare stack with flange connection struc- ture. In the paper, CATIA finite-element-analysis is used to build 100% model of flare stack and to simulate working condition in both horizontal and vertical limit states. During the integral hoisting of flare stack, strength and stability of flare stack during hoisting are checked and calculated. Dangerous points are found. Measures of strengthening weak structure are proposed and reference is provided for hoisting procedure design and formulation of hoisting plan.

Keywords:Flange Connection, Flare Stack, Integral Hoisting, CATIA Finite-Element-Analysis, Strengthen

法兰连接火炬塔架整体吊装有限元校核

葛兵1,盛选禹2,张宏志1,刘 传1,徐雅晨3

1大庆油田工程建设有限公司安装公司,黑龙江 大庆

2清华大学核能与新能源技术研究院,北京

3清华大学天津高端装备研究院先进能源装备技术研究所,天津

收稿日期:2016年12月1日;录用日期:2016年12月20日;发布日期:2016年12月23日

摘 要

法兰连接结构火炬塔架一般采用分节吊装,本文提出一种法兰连接结构火炬塔架整体吊装技术方法的创新。利用CATIA对火炬塔架整体进行100%实体建模,使用CATIA有限元分析模拟火炬塔架整体吊装时的水平和竖直两个极限状态工况,对吊装时塔架的强度和稳定性进行校核计算,查找出危险点及提出薄弱结构的加固处理措施,为吊装工艺设计和方案制定提供依据。

关键词 :法兰连接,火炬塔架,整体吊装,CATIA有限元分析,加固

1. 引言

针对法兰连接结构火炬塔架一般采用分节吊装,而中七浅冷站安全隐患治理工程火炬塔吊装项目为冬季施工项目,施工期间气候严寒多风雪,吊装施工环境条件极为不利,作业难度大。若采用分段吊装则必然导致高空作业安全风险大,劳动强度高 [1] 。对此,我们大胆进行尝试提出一种整体吊装的工艺方法。经现场多方结合,确定对塔架进行合理的加固然后采用整体吊装,本文对火炬塔架整体吊装工艺进行校核分析计算。

2. 火炬塔架结构参数

中七浅冷站安全隐患治理工程放空系统需安装三柱式火炬1座。根据生产厂家给出的图纸,火炬塔架高32 m,火炬头高3 m,总高35 m,总重量16.3 T。塔身及筒体全部为钢管,塔身主材及筒体连接为法兰盘,内部之间采用连接板连接。塔架柱子之间、柱子和横梁之间、柱子和斜撑之间,采用高强螺栓连接。放空筒底部6 m范围内为Ф610 × 12 mm钢管,以上的筒体为Ф406.4 × 10 mm,所有结构材质均为20#钢,火炬塔架整体结构图如图1所示。

3. 火炬塔架加固设计

法兰连接结构火炬塔架一般采用分节吊装,但施工期间已进入大庆地区的冬季,气温低于−15℃,有风雪。加上登高作业施工安全风险大,作业人员劳动强度大。综合各方面因素,经现场多方结合,确定采用整体吊装。但对塔架结构进行分析来看,主立柱规格Ф180 × 10和Ф159 × 8,立柱和横梁以及斜撑之间均采用6 mm厚节点板连接,火炬和火炬筒体之间采用L63 × 5角钢连接,考虑到该火炬塔架整体结构较为轻薄,为避免在吊装作业过程中出现变形破坏,必须对塔架整体结构合理设置加固。

3.1. 塔架整体加固

为增强塔架的整体刚性,对塔架整体结构设置加固(如图2所示),采用20b槽钢、临时管箍、支撑管将塔架和火炬筒体连成一个刚性整体。槽钢之间采用12 mm厚钢板进行连接,使之成为一个整体,加强板间距为300 mm,加强板和槽钢之间角焊缝满焊。临时管箍共设置3道,第一道位于距顶部平台3.5 m处,第二道位于距顶部平台15.5 m处,第三道位于距顶部平台27.5 m处。

Figure 1. Integral structure of the flare stack

图1. 火炬塔架整体结构

Figure 2. Integral consolidation of the flare stack

图2. 塔架整体加固

3.2. 主吊耳加固

该火炬塔架整体吊装,顶部平台尺寸3000 mm,主吊耳形式选取轴式吊耳,长度800 mm。为避免轴式吊耳弯矩过大,对轴式吊耳和塔架连接处进行加固设计如图3所示。

3.3. 溜尾吊耳加固

塔架整体起吊时,溜尾吊耳承受最大载荷,如下图4所示,采用24 mm厚钢板制作溜尾吊耳,并在两侧设置加强圈和加强筋板,以提高吊耳承载能力。

4. 火炬塔架有限元法校核分析计算

4.1. 火炬塔架CATIA有限元分析计算模型建立

在CATIA三维设计和辅助分析一体化计算平台中建立火炬塔架一比一三维模型(如图5) [2] ,采用CATIA自带的四面体自适应非线性网格划分技术对整体模型进行网格划分,并针对塔架受力变形较大位置进行局部网格细化以提高计算精度,网格划分后的模型如图6所示。

4.2. 火炬重量、重心位置和惯性矩校核结果

计算模型建立之后,在CATIA软件中查看火炬塔架三维模型的机械属性,对其进行评估分析得到计算总重量和重心位置坐标和体积质量等参数数据如图7所示。

4.3. 有限元法进行强度和挠度校核分析

分析火炬塔架的起吊过程中两个极限位置受力状况,一是火炬塔架完全水平状态时,汽车吊和履带

Figure 3. Consolidation of main lifting lug

图3. 主吊耳加固

Figure 4. Consolidation of tail lifting lug

图4. 溜尾吊耳加固

Figure 5. Three-dimensional model of the flare stack

图5. 塔架三维实体模型

Figure 6. Mesh generation of the flare stack

图6. 塔架整体网格划分

Figure 7. Mechanical properties of the flare stack

图7. 火炬塔架整体机械属性

吊的钢丝绳按照与火炬塔架重心距离的反比承受火炬塔架的部分重量,此时吊耳、钢丝绳上的载荷不大,但是火炬塔架本身由于水平放置,要承受重力产生的弯矩,火炬塔架塔中部弯矩大,需要对火炬塔架的强度和稳定性进行校核;二是,火炬塔架竖直状态时,火炬塔架的全部重量作用在上部的吊耳位置,承受火炬塔架的全部重量,此时吊耳以及吊耳附近的火炬塔身所受应力较大,需要重点对此位置进行校核,具体强度和挠度校核分析如下:

4.3.1. 火炬水平状态分析计算

(1) 应力计算

水平位置时,两端的钢丝绳竖直向上,钢丝绳上端设定固定约束。计算的Von Mises应力如图8所示。结构整体应力水平很低,在10~40 MPa的量级,远低于材料的屈服强度值240 MPa,因此结构整体处于水平位置时受力不大,满足安全要求。

(2) 危险点检查及处理措施

对主立柱法兰螺栓进行应力监测表明(如下图9所示),水平位置时上部主立柱第2、3、4级法兰螺栓

Figure 8. Stress calculation result of the flare stack

图8. 整体应力计算结果

Figure 9. Inspection result of the dangerous points

图9. 危险点检查结果显示

受力稍大在180~260 MPa之间,因此建议现场对这几处位置法兰进行加强(如图10所示)。测得主吊耳处最大应力在100 MPa左右(如图11所示),也小于材料的屈服强度值,因此设计的吊耳在水平吊装位置时安全,能够满足安全要求。

(3) 稳定性分析

火炬塔架结构处于水平状态时,塔架结构整体在重力作用下,会有向下的位移,若位移过大,结构在吊装过程中可能会产生失稳破坏,通过水平位移情况可以校核水平起吊吊点设置合理情况。图12为火炬塔架在水平状态时的位移,中间部位位移最大,为11.1 mm。两吊点距离24 m,则最大挠度(f) (m) = L/300 = 0.08 m > 0.0111 m ,可见结构稳定性符合安全要求。

4.3.2. 竖直位置时计算结果

(1) 应力计算

竖直位置时,设定火炬塔架顶端吊耳钢丝绳垂直向上,结构只承受火炬塔架的重力载荷。计算火炬塔架整体的Von Mises应力云图如图13所示。结构整体应力较小,仍然在10~40 MPa的量级,远低于材料的屈服强度值240 MPa,满足强度安全范围,因为结构本身只承受重力载荷作用,没有其它的外载荷。

(2) 危险点检查及处理措施

对火炬塔架整体结构进行危险点检测,结构所承受的局部最大等效应力在火炬塔架上部的主吊耳上(如图14所示),塔架整体最大应力为主吊耳加强板处局部点应力(值为160 MPa),小于材料的屈服强度

Figure 10. Reinforcement structure in flange junction

图10. 法兰连接处加强结构

Figure 11. Stress distribution of the lifting lug

图11. 主吊耳处应力分布

Figure 12. Result of horizontal displacement

图12. 水平位置整体位移计算结果

Figure 13. Stress cloud chart of the flare stack

图13. 竖直位置整体应力云图

值。因此结构整体在竖直位置吊装时是安全的。

(3) 稳定性分析

火炬塔架整体位移计算显示(如图15所示),在竖直位置时,火炬塔架结构不承受外压,只有重力载

Figure 14. Maximal stress in the local position

图14. 局部最大应力显示图

Figure 15. Displacement cloud chart of the flare stack

图15. 整体位移云图

Figure 16. Reinforcement of whole structure, lifting lug, and flange

图16. 整体加固、吊耳加固、立柱法兰加固

Figure 17. Result of the integral hoisting

图17. 整体吊装完成

荷,计算结构的位移大小,结构的最大位移值为7.45 mm,位于火炬塔架的最底部,符合最大变形量要求,满足安全条件。

5. 现场吊装实施

参考CATIA有限元校核分析计算结果,依据加固指导方案,工程现场完成对该火炬塔架的整体加固、吊耳加固、立柱法兰加固工作(如图16所示),于2015年12月20日在中七浅冷站安全隐患治理工程火炬区,经过1个小时的吊装作业,该火炬塔架整体吊装作业取得圆满成功(如图17所示)。

6. 结论

(1) 针对该火炬塔架整体较为轻薄而设置的整体加固、吊耳加固、立柱法兰加固等加固工装进行了大胆新颖的方法创新,保证了该火炬塔架整体吊装的强度和稳定性更加满足安全要求,确保火炬塔架整体吊装作业圆满完成。

(2) 探索了一种法兰连接结构火炬塔架的整体吊装工艺,节省工时,规避安全风险,解决了冬季施工散件高空组装和分段吊装作业的诸多困难,为这种吊装方法推广打下坚实基础。

(3) 通过整体吊装有限元校核计算,巩固成熟了一种运用计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助分析(CAE)对此类法兰连接结构火炬吊装工艺的有限元校核计算方法,进一步推动了我公司吊装技术的进步,现场实际吊装工作验证了有限元强度校核计算结果精确、快捷,安全可靠。

文章引用

葛兵,盛选禹,张宏志,刘传,徐雅晨. 法兰连接火炬塔架整体吊装有限元校核
Numerical Simulation on Integral Hoisting for Flare Stack with Flange Connection Structure[J]. 建模与仿真, 2017, 06(01): 10-20. http://dx.doi.org/10.12677/MOS.2017.61002

参考文献 (References)

  1. 1. SH/T 3029-2014石油化工排气筒和火炬塔架设计规范[M]. 北京: 中华人民共和国工业和信息化部, 2014.

  2. 2. 盛选禹, 唐守琴, 编. CATIA有限元分析命令详解与实例[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

期刊菜单