走近科学-减压塔加强圈断裂之谜
减压塔加强圈为何齐齐断裂，为何有些裂缝已经延伸到内圈板处，完全符合GB150的设计，为何会产生这么严重的问题。这一切的背后，是钢板的扭曲还是型钢的沦丧?是设计的疏忽还是校审的的失职？敬请关注，今日头条《走近科学》让我们跟随镜头走进减压塔高温狂热的内心世界。某年某月的某一天，就像一张破碎的脸，难以开口说再见，就让一切重演。这不是件容易的事~~~STOP，言归正传.施工是很严肃的事情，开车仪式上，工地上桌子上摆放红绸脱毛大白猪，经理率众烧香拜佛念念有词，道士做法保平安，爆竹在吊车上高高挂起，庆功宴席早已预定，装置终于要开车了。
常减压装置试开工，减压塔设计压力为-0.1MPa，设计温度410°C，操作温度高达380°C，设备直径7400mm，厚度26mm，高度66米，材料为Q345R。由于是负压工况，按照GB150计算了外压失稳，设置了很多工字钢的加强圈。强度方面按照塔器规范设计，一看设备就像理工科男生，属于结实耐用型的。该塔雄壮威武，容貌甚伟，见下图：
塔的加强圈型钢如下：
设备铺设了保温，材料为硅酸铝针刺毡，厚度为140mm。开车没多久，塔外壁加强圈从下到上均有不同程度的径向焊缝断裂现象，有些裂缝已经延伸到内圈板处。事故发生后，赶紧停止开车，检查原因。
查看计算书，计算书均合格，而且设备厚度裕量不小，加强圈强度惯性矩均有较大裕量，那么绝对不可能是因为失稳，那么究竟是什么原因造成了加强圈断裂呢？
经过检查，发现问题可能出在保温上。当时施工做的保温如下图所示：
加强圈露在保温外侧110mm，造成热损失比较大，加强圈外部温度低，内部温度高，内部要膨胀，被外面的低温的部分约束住无法自由膨胀。造成加强圈外部的应力过大，从而造成加强圈从外侧开始断裂，甚至延伸到内圈。那么怎么证明这点呢？可以先估计一下，按照加强圈内侧温度400°（最高），外侧温度100°C（实测），外侧应力应该会远超过Q345R的抗拉强度。要精确计算的话，还需要用有限元计算一下：建立有限元模型，保温和加强圈全部建上。划分网格在设备内壁施加400°C（最大的操作温度），求得温度场如下，加强圈外侧温度为最高为139°C，边缘大概116°C左右：
在筒体下部施加UY方向的位移约束，求解温度产生的应力场如下：
温差产生的最大应力高达838.55MPa，远远超过Q345R的屈服强度和抗拉强度！这就是使得加强圈断裂的原因?一般来说现场的保温制作会将加强圈一起包进保温里面，但是这个项目的施工方并未按照标准要求，而是将加强圈露在外面，而因为设备直径大，加强圈刚性又很大，导致热应力非常大，从而造成加强圈的破裂。下图为另一项目中，对于加强圈处的保温结构详图，一般现场施工，均需要将加强圈包在保温内部，包的厚度一般也需要有保温层的厚度，这种工程经验，一般施工队都应该有。
事情已经发生了，那么应该如何弥补呢？舒婷有首诗写的非常好：《这也是一切》不是一切大树都被暴风折断； 不是一切种子都找不到生根的土壤； 不是一切真情都流失在人心的沙漠里； 不是一切梦想都甘愿被折掉翅膀。 不，不是一切 都像你说的那样！ 不是一切火焰都只燃烧自己 而不把别人照亮； 不是一切星星都仅指示黑夜 而不报告曙光； 不是一切歌声都掠过耳旁 而不留在心上。 不，不是一切 都像你说的那样！ 不是一切呼吁都没有回响； 不是一切损失却都无法补偿；
的确不是一切损失都无法补偿，工程团队就是要解决出现的实际问题。幸运的是，扒开保温，经过检查，设备和加强圈内圈均没有出现裂纹。原因可能在于外侧加强圈断裂，变形，释放了应力，使得内侧的应力大幅度下降，所以设备还是完好无损的。
停车之后将外压加强圈开裂部分焊好，并重新作保温，将加强圈外露部分也做上有效的保温。再分析一下加强圈也盖上保温的温度场，可以发现，加强圈温度上升很多，从110多度上升到360度，温度更均匀，也就意味着，约束更小。查看应力场结果，最大点的位置没有变化，但是最大点的应力从838.5MPa下降到106.79MPa，下降幅度非常大，远远小于许用应力。业主再也不用担心开裂了。
结果扩展一下：）
经验总结：1. 本案例发生的原因是施工单位未按照工程要求施工，将外压支撑圈裸露在外，而设备本身温度高，造成温差应力过大，导致加强圈破裂，延伸到筒体内圈。2. 为保证加强圈的加强作用，加强圈应整圈围绕在圆筒的圆周上，而不允许任意断开或切割，更不能形成上述的大面积裂纹。3. 若设备运行时发现加强圈发生断裂，应及时停车修补裂纹，避免给设备筒体造成不可修复的变形。4. 对于在设计阶段，高温操作下的设备，仅考虑设备本体的强度和稳定性是不够的，还应考虑由温差过大引起的热应力所带来的危害。特别是温差和约束的关系一定要注意，比如高温的鞍座和刚性环耳座之类。5. 从设计方面来说，常规的各项计算符合规范要求，但是设备仍然可能因为结构设计的原因造成强度上的破坏。设备人员应该考虑各种失效模式，并作出对应的措施。
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