文献娜，胡尊旭，张建政

（1.山东金沂蒙化工机械有限公司，山东临沂 276700；2.山东省临沂市三丰化工有限公司，山东临沂 276700）

工业行业中塔器有多种分类，尤其是化工行业应用相对较多，随着化工产品的多样化，化工设备与高压反应容器等的复杂化、精细化要求，在实际安装使用时，对塔器操作也提出了更为严苛的要求。塔器作为化工企业的核心反应容器，不论制造还是安装，相较于其他设备的运行都更加复杂危险，施工难度系数也较大，造价成本高，操作流程繁琐，为了确保在实际生产条件下，不因为出现人为失误，或者设备故障而发生事故，为了降低经济损失，确保人员安全，应该高度重视塔器设计的每一项环节，不论结构方面，还是功能方面，都要精心考虑，比如大型塔器设备，高径比规格>15，高度超过30m的设备，其底部裙座和下封头之间的焊缝处实际使用时，如遇到大风天气，容易产生横向共振而破坏失稳，因此，需要对横向风流共振强度进行判断和计算，从而采取针对性措施进行规避风险。如何通过优化塔器设计，确保设备运行的安全性、稳定性，不断提升工业效率，确保操作人员的生命安全，值得不断深思与探讨[1]。

1 液压装置的试验设计

当压力容器压力较低，而塔器设计高度高时，此时的液柱静压对于液压试验起到关键性作用。按照塔器容器的设计标准，对塔器采取液压试验，当置于卧置试验状态下，液柱静压的影响是首要考虑因素，在低压设计情况下，不论是计算压力，还是实验压力，都不可忽视液柱静压的存在影响；只有当设计压力大于液柱静压5%的状态下，液柱静压才可在设计压力中不做考虑。反之，如果液柱静压值超过实验压力值的6%时，必须将液柱静压影响纳入设计。

试验过程演示：

1）在预先设定的实验温度条件下，计算后的一次薄膜应力强度SI与试验材料屈服强度R eL （R P0.2 ）相比，应不大于R eL 的90%。

2）经过计算所得，将一次薄膜与一次弯曲的应力强度进行叠加，将该应力强度视为SII，按照计算公式推断结论：当薄膜应力强度SI不超过屈服强度R eL 的0.67倍时，SII值应小于屈服强度R eL 的1.35倍；当薄膜应力强度SI超过屈服强度R eL 的0.67倍，且不超过屈服强度R eL 的90%时，SII值应不超过2.15倍屈服强度R eL与1.2倍薄膜应力强度SI之差。如表1所示，不同压力状态下的应力强度分布。

表1 不同压力状态下的应力强度分布

2 塔壳应力分布的审校

当存在附加载荷作用在塔体上时，应该对塔壳表面的应力分布进行一次分析校准，比如外接管道对于塔体的推力作用，塔壳本身自带的支撑梁、吊耳和裙座等附件产生的作用力等，都会对塔壳产生应力的重新分布，通过对分布的应力进行计算，例如塔壳上悬挂再沸器时，其支架需要与塔壳进行焊接固定，经过对支架钢结构的计算标准，可以选择符合载荷要求的钢材，进而根据钢材选用，可计算出塔壳壳体的壁厚要求，最终确保安装质量与载荷安全。此外，为了缓解附件应力直接作用在塔壳壳体表面，还可以通过在壳体需要连接附件的焊接处加工垫板的方法，使得焊接后的应力集中作用在焊板上，避免了在壳体分布的障碍，但是，虽然垫板代替了壳体承受外载荷，但为了确保运行安全，还需要注意垫板焊缝的质量与牢固程度，必须满足焊接强度要求，杜绝出现新的安全隐患。其次，再比如在设备整体执行安装的过程中，由于规格又大又重，为了减少对吊装设备的破坏，需要对塔体外接装吊耳，一般采用对称轴式吊耳，依照此方法对塔器设备进行吊装时，不仅要考虑吊耳自身强度的载荷要求，还需根据塔器安装吊耳部位的设备壁厚情况进行分析判断，计算能否承载吊耳与塔器之间的承重。对于此项施工技术，既是对操作人员技术经验的考验，也是需要对塔壳内外应力分布计算的准确性的考验。此外，还有一种可能性，当塔器制造选用的是特种钢材，或者合金钢的情况下，吊耳焊接固定点不能与复合材料表面进行焊接，因为焊接后强度未经计算可能存在吊装受力不均，强度不达标的状况，影响吊装安全施工，应该与复合材料的基层钢材焊接，以求坚固性和稳定性，在焊接作业时，需要预先把焊接面焊缝周边10mm范围的复合层清除干净，以确保焊接面的均匀受力，确保吊装过程的安全执行。

3 地脚螺栓锚固设计

地脚螺栓作为塔器设备在工业场地的地基重要稳固件，需要充分考虑金属件在不同温度环境下热胀冷缩的物理变化，尤其是塔器裙座与地脚螺栓连接后，若使用统一标准进行设计，当在极寒地区和高温地区安装使用时，会出现地基不稳的情况，尤其是当安装完成运行阶段，存在较大安全隐患，因此，需要根据安装区域温度来具体进行设计修订，一般情况下，采用设计温度按照当地月平均气温的最低值，加上20℃的调校温度进行设计。比如取-20℃作为安装标准，当地温度大于-20℃时，可选用型材为Q235B、Q235C的钢材进行加工；当设计温度不超过-20℃时，可以选用型材为Q345D、Q345E的钢材加工。在加工材质相同、设计强度满足要求的条件下，为了确保塔器安装固定的稳定性，以及受力的均匀，通常采用至少四条地脚螺栓进行固定。为了更好地分布受力，也可采用8条或是12条进行固定，根据实际底托盘面积具体选择。此外，地脚螺栓的眼孔位置一般选择对称开槽，由中心轴向两边布置眼位，因此，在安装地脚螺栓时，要严格按照螺栓开槽方位进行摆布固定，否则将会影响后期塔器设备裙座的落位安装，导致安装进度的拖延，甚至影响塔器设备的正常运行与使用。

4 裙座焊接设计

裙座是塔器固定的重要基础，焊接质量的高低直接影响后期的稳固性，因此，按照标准要求，裙座的焊缝高度要超过裙座自身边缘结构厚度的1.75倍，尤其是对于超高的大型塔器设备，更要具有牢固的裙座与地脚螺栓进行固定，以抵消强风天气下产生的横向风力共振效果，提高基座稳定。

由于裙座、下封头之间的底部连接构件呈现不规则结构，其受力也出现不均匀的现象，边缘端受力更为明显，容易出现应力的峰值区域，当结构应力集中作用在裙座底部时，往往导致焊接部位不能承载负荷而脆化，产生结构疲劳，造成裙座的开焊断裂，导致垮塌事故发生。为了避免这一结局出现，应将焊缝与构件连接部位尽量调整圆滑，使得应力集中区域能够得到有效分散，降低应力峰值区域的接触面积，从而缓解产生焊缝断裂的风险。此外，焊接高度的不同也会在设备自重与横向风力作用下产生共振弯曲的现象，焊缝高度过大，则会导致塔器整体失稳，强度下降；焊缝高度过低，则会因为自身焊接强度达不到要求，造成无法承重而产生断裂的结果。因此，如何调整焊接高度到合适标准，才是确保焊接强度与质量的关键技术。

5 疲劳工况的强度校核

在疲劳工况条件下运行的塔器设备，除了需要计算其静强度载荷外，还需要考虑不同疲劳工况强度下，存在多重外部环境的影响，比如高低压力的影响及高低温度的影响等，都会对裙座与地脚螺栓，以及焊接构件的焊缝处压力产生变化。当处于温度变量环境中，存在焊缝处的热胀冷缩现象，但对于不同壁厚的塔器来说，其温度带来的应力变化与载荷变化也会不同，较大壁厚可承载应力也较大，具有较好的抗拉伸延展性，能够承载更多的应力分布；而壁厚相对较薄的塔器，则会缺失足够强度的抵抗应力作用能力，相对负载能力较小，容易出现疲劳工况下的断裂，导致塔器受损，因此，相较于压力场带来的结构破坏，温度场产生的破坏效果与作用结局显得更加复杂[3]。

6 塔器焊接稳定性优化设计

综上所述，塔器安装、固定及运行时的稳定性受到多种复杂因素的影响，归根到底，还是对于裙座在不同条件下的焊接质量的标准要求，只有裙座的焊接质量满足各种条件和运行工况的要求时，才能有效确保塔器的稳定运行。因此，基于上述的影响裙座焊接质量的若干影响因子，提出合理性的优化设计，进行有效解决。即裙座焊接部位的高低、厚薄应当根据承受载荷的数值进行预算，计算其合理的受力强度，再确定焊缝的具体尺寸，使得宽窄、厚薄处于合理区间，达到抗压强度效果。再者而言，对于选择特殊钢材和复合金属材料的裙座与塔器设备，可先打磨掉表层复合金属材料，通过增加垫板的方式增加受力替代品，但需注意计算好垫板单位面积的载荷能否达到要求，从而利用已知载重反推需要的垫板面积，以确保焊接安全。

7 结语

围绕化工设备塔器的生产制造与后期焊接固定等环节存在的技术问题开展研究分析，通过在不同试验条件下对表层及内外结构产生的应力分布问题提出液柱静压对液压装置的压力影响，并以计算方式得出一次薄膜应力强度与材料屈服强度之间的数值模拟关系。同时，对塔壳表面的应力分布特点，地脚螺栓锚固时受到设计温度与施工安装地区温度存在差异条件下的稳定性问题开展探讨，提出标准温度临界值的推算方法，并通过合理选用钢材进行问题的解决。此外，对于影响塔器设备稳定性的裙座固定焊接工艺进行了详细说明，针对各影响因素进行总结后，提出了合理的优化方案，有效解决了塔器设备应力分布与基座焊接等技术问题，经过实践检验后可作为操作经验进行推广应用。