CAESAR II 中塔器的建模及分析要领

用于蒸馏原料（原油）的塔器及筒体设备在任何工艺工业中都是非常重要的设备。每个工艺管道行业必定会有数个立式筒体设备。各种直径和属性（工艺参数）的管线连接到塔器的不同高度。需要对连接到塔器的所有大口径管线进行应力分析，以正确评估管道支撑和管口荷载。仔细观察塔器的结构，可知其有数个在不同高度的塔盘。每个塔盘处的温度基于工艺条件的不同而有所不同。

在下文中，我们将详细介绍采用 CAESAR II 对塔器等筒体备进行应力分析的方法。

筒体设备应力分析将主要从以下几点来进行讨论： 1. 分析所需的输入参数  2.  筒体/塔器的温度曲线的创建 3. 在 CAESAR II 中进行建模 4. 与塔器相连管道系统的支撑 5. 管嘴荷载校核。

1. 分析所需的输入参数：模拟和分析与塔器相连管线主要需要以下数据：

a) 塔器的设备总图，具备所有尺寸、管嘴方位及材料等参数。.

b) 塔器的分段温度。

c) 管线临界表/ 管线表/ 管线参数及 P&ID。

d) 连接管线的 ISO 图。

e) 项目规程中定义的管口许用荷载表。

2. 筒体/塔器的分段温度：不同的组织使用不同的方法来创建筒体的分段温度。这里将主要介绍两种最常使用的方法。

塔器的温度曲线一般是基于所连接的出口管线来创建的。因此，在 P＆ID 中要标记大尺寸的（大尺寸意味着管嘴的尺寸会对塔器内部的温度变化产生显著影响）塔器出口管嘴。然后在管线表中这些管线旁记下操作和设计温度。假设在典型塔器中存在三个大尺寸出口管嘴（图1中所示的N1，N2和N3）。那么可以创建该塔器的分段温度，如图1所示。这种方法是目前各 EPC 公司中最广泛使用的方法。

                               
登录/注册后可看大图

图 1:典型塔器分段温度的创建 —— 方法 1

再次，还可以使用图2中提及的方法来创建上述塔器的分段温度，很多公司也采用这种方法。

                               
登录/注册后可看大图

图 2:典型塔器分段温度的创建 —— 方法 2

很少有组织直接使用设备总图中提到的操作和设计温度作为设备建模时的操作和设计温度。上述两种方法得到的设备热伸长量更加接近现实。

3. 在CAESAR II 中对塔器进行建模：所有的设备建模方法都是类似的。根据自身的选择，可以选择从裙座往上进行建模或者从感兴趣的管嘴开始向下进行建模直到裙座。对设备节点进行单独编号也是一个比较好的x i惯，这能使得设备节点可以更容易地与管道节点之间进行区分。我个人在建模时，设备模型会从节点 5000 开始。这里，让我们从一个典型的管嘴法兰开始。将 5000-5020 模拟为管嘴法兰，管嘴直径和厚度如设备GA图中所述。 有时可能没有设备厂商的详图（在项目的初始阶段），因此在这种情况下可使用工程设计图作为建模的依据。通常设备专业还具有基于法兰等级和腐蚀裕量的最小管嘴厚度图表。从该图中获取管嘴厚度，或者假设管嘴厚度为比连接的管道厚度高两个等级。如参考设备图中所述，从法兰向前，压力、腐蚀余量、材料、隔热层厚度和密度等使用上述两个图（图1或图2）中所提到的温度。然后将5020至10模拟为管道单元，其长度从参考图获得（通常都会提供管口至设备中心线的距离，在这种情况下通过减去已经建模的设备半径和法兰厚度来计算管嘴长度）。在节点10上添加ANC约束并Cnode到5040点。将管嘴编号定义为10、20等，这将使这些节点位于restraint summary报告顶部，以便于我们能快速查看管口荷载。如果你愿意，你也可以采用单独的节点。 这样就完成了管嘴模型。现在我们将对设备进行建模。

将5040至5060模拟为零重量刚性件，长度=设备外径的一半，材料采用参考图中提供的材料，温度如上所述图中所示，压力和其他参数来自参考设备图。这个单元将带你到设备的中心。从该部分开始，就可以简单地将设备模拟为具有如上图所示的温度曲线的管道元件。检查参考图中的直径和厚度，因为这些值有时可能会随着从顶部到裙座的变化而变化。最后将裙座模拟为管道单元，其温度如本文最后一段所述，压力、流体密度及腐蚀裕量设为 0，并在裙座底部设置固定点。如图3所述为模拟的一个简单的塔器模型，不同颜色代表不同的温度。

                               
登录/注册后可看大图

图 3:CAESAR II 中的一个简单的塔器模型

4. 接管附塔支架的模拟：管道通常是由塔器筒体来进行支撑。这种类型的支撑称为贴板支撑。来自筒体管嘴附近的第一个支撑是承载管道总的垂直载荷的承重架。尝试将此承重架放在尽可能靠近管嘴的位置。其余的支架全部为导向支架。由于贴板焊接在塔器筒体上，所以这里需要模拟贴板以及与其 Cnode 相连的支架以获取该位置处的热胀效应。贴板支架的承载能力通常由支架手册来规定。因此，有时可能在第一个承重架的荷载会超出贴板的承载能力（如果将大尺寸的线连接到筒体的顶部，且架空线，则可能发生这种情况）。在这种情况下，我们必须再做第二个承重架。该支架必须为弹簧架，它将分担第一个承重架的一部分荷载。然后从此点起，就可根据项目规范中规定的标准导向跨度使用导向支撑。CAESAR II 模型如图 4 所示，可作为附塔支撑做法的参考。将附塔支架模拟成无重量的刚性件，在设备内部部分的属性与设备相同，设备外部的部分设为环境温度。

                               
登录/注册后可看大图

图 4:CAESAR II 中塔器管道的支架设置

5. 管嘴荷载校核：管口的许用荷载通常由设备厂商提供，或者在设备总图中有所提及。部分单位会有基于管口直径和法兰等级的标准荷载表。所以，将固定点处计算的荷载与这些许用值进行比较，以确定计算值是否满足要求。如果超出了许用荷载值，则可通过修改支架或管道路由来降低管口荷载。在路由无法调整的情况下，可以采用 WRC 或 FEA（NozzlePro）对管口荷载进行进一步校核。或者，将荷载发给设备供应商进行确认。

裙座温度计算：

可根据以下公式来计算裙座温度：

裙座平均温度=(T-Ta)*F+ Ta; 摄氏度

这里

Ta=环境温度，℃；

T=裙座顶部的温度；

F=[83.6/{(K*h/t^0.5)+15.5}]；

K=保温常数=1.0（耐火砖隔热）=1.6（不带保温）；

h 和 t 分别为裙座高度及厚度。

谢谢分享

前来捧场~好贴，谢谢分享，学习了

好高深啊，看不懂

感谢老大指点。高端帖子！！！

好贴，不错不错。继续加油！！

好好呀，继续发帖吧

以前我们建塔这种设备的时候还用的刚性件，现在越来越多用管道代替了

楼主好贴，很细致，我们以前搭塔器的模型时温度没这么细致，设备本体按照刚性件建模，设备温度按照塔壁温直接输入，固定点放到裙座位置。塔上的支架模型搭建基本是一样的，至于管口，直接在Name中定义的，在计算报告中看着也方便。再就是高塔的话得考虑加一下风载吧。

考虑很细致，好贴。谢谢分享！继续加油啊！

很细致，就是纯粹管道模型建立的高塔模型在风荷载时的位移与实际有较大的差别。分析模型中未体现塔器加强圈和塔内件对塔器本身的加固作用。
因此，在高塔管线做风荷载时，最好在塔器上增加一些刚性件，以此来增加塔器的刚度。

好帖，看了一遍，收藏起来以后再好好学习一下。现在有个疑问就是，如果是温度不高的设备，是不是可以直接把管口定义为固定点，设备可以不输入。比如我现在在做一个烟气的管道，吸附塔操作温度是常温，设计温度是120℃，这种情况还需要对塔器进行建模吗？就是对于一些设备和机泵风机等，设备本体应该怎么建模，什么时候考虑关联点这些不太明白。

谢谢分享

多谢分享，好帖