CAESAR IIにおける中塔器のモデリング及び解析の要点

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蒸留原料（原油）に用いられる塔や円筒形の装置は、あらゆるプロセス工業において非常に重要な設備です。各プロセスパイプライン業界には、必ず数台の立式タンク装置が存在します。さまざまな直径と特性（工程パラメータ）を持つパイプラインが、タワーの異なる高さに接続されている。タワーに接続されているすべての大口径パイプラインに対して応力解析を行い、パイプの支持や管端の負荷を正しく評価する必要がある。タワーの構造をよく観察すると、異なる高さにいくつかの塔板があることがわかる。各ターレットでの温度は、プロセス条件の違いによって異なります。以下では、CAESAR IIを用いてタワーやその他の円筒形構造物に対して応力解析を行う方法について詳しく説明します。円筒形装置の応力解析は、主に以下の点から検討される：1. 解析に必要な入力パラメーター 2. 圆筒形装置／タワーの温度曲線の作成 3. CAESAR IIにおけるモデリング 4. タワーに接続された配管システムの支持 5. ノズル荷重の検証。1. 計算に必要な入力パラメータの分析：タワーに接続された配管のシミュレーションおよび解析には、主に以下のデータが必要である：a) すべての寸法、ノズルの位置、材料などのパラメータを含むタワーの設備全体図。.b) タワー装置の分割温度。c) パイプライン臨界表／パイプライン表／パイプラインパラメータおよびP&ID。d) 接続配管のISO図。e) プロジェクト規程で定義された管口許容荷重表。2. 筒体/塔器の区分温度：異なる組織では、筒体の区分温度を設定するために異なる方法が用いられる。ここでは、最もよく使われる2つの方法を主に紹介します。タワーの温度曲線は、一般的に接続されている出口配管に基づいて作成されます。したがって、P＆IDでは大型の塔器出口ノズルにマークを付ける必要があります（大型とは、ノズルのサイズが塔内の温度変化に顕著な影響を与えることを意味します）。そして、パイプライン一覧表のこれらのパイプラインの横に、運転温度と設計温度を記入する。典型的な塔に、3つの大型の出口ノズルが存在すると仮定する（図1に示されているN1、N2、N3）。そうすれば、図1に示すように、その塔装置の各セクションの温度を設定できます。この方法は、現在、各EPC企業で最も広く用いられている方法です。http://bbs.intergraphbbs.com/data/attachment/forum/201701/17/103737p7czm88ya87oo0fe.jpg
図1：典型的な塔のセグメント温度の作成 —— 方法1
再び、図2で述べられている方法を用いて上記の塔のセグメント温度を作成することもでき、多くの企業でもこの方法が採用されている。http://bbs.intergraphbbs.com/data/attachment/forum/201701/17/103741v69qeoet4q6emoph.jpg図2：典型的な塔装置の各セクションの温度の設定――方法2ほとんどの組織では、機器の全体図に記載されている運転温度や設計温度を、その機器のモデリング時の運転温度や設計温度として直接使用することはありません。上記の2つの方法で得られた装置の熱伸び量は、より現実に近い。3. CAESAR IIでタワーをモデリングする：すべての機器のモデリング方法は同様です。自分の選択に応じて、スカート部から上に向かってモデリングするか、興味のあるノズルから下に向かってスカート部までモデリングすることができます。デバイスノードに個別の番号を付けるのも良い*習慣であり、これによってデバイスノードをパイプラインノードとより容易に区別することができます。私がモデリングを行う際、機器のモデルはノード5000から始まります。ここでは、典型的なノズルフランジから始めましょう。5000-5020をノズルフランジとしてモデル化し、ノズルの直径および厚さは機器GA図に記載されている通りとする。 プロジェクトの初期段階では、機器メーカーの詳細図がない場合もあるため、そのような場合はエンジニアリング図面をモデリングの根拠として使用できます。通常、機器専門分野には、フランジ等級と腐食余裕に基づく最小ノズル厚さの図表も存在します。この図からノズルの厚さを取得するか、またはノズルの厚さを接続されている配管の厚さより2ランク高いと仮定する。参照用の機器図に示すように、フランジから前方にかけては、圧力、腐食余裕、材料、断熱層の厚さおよび密度などについて、上記の2つの図（図1または図2）に記載されている温度が使用される。次に、5020から10をパイプユニットとしてモデル化し、その長さは参照図から取得される（通常、管口から装置の中心線までの距離が示されており、この場合は既にモデル化された装置の半径とフランジの厚さを差し引くことで管口の長さを計算する）。ノード10にANC制約を追加し、Cnodeを5040点に接続する。ノズルの番号を10、20などと定義することで、これらのノードがrestraint summaryレポートの上部に表示され、ノズルの荷重を素早く確認できるようになります。必要であれば、別々のノードを使用することもできます。 これでノズルモデルが完成しました。これから装置のモデリングを行います。5040から5060は無重量の剛体としてモデル化し、長さは装置の外径の半分とする。材料は参照図に示されているものを使用し、温度は上記の図に示す通り、圧力およびその他のパラメータは参照装置の図から取得する。このユニットは、デバイスの中心へとあなたを案内します。この部分から、装置を上図に示すような温度曲線を持つパイプ要素として簡単にシミュレートできます。参照図の直径と厚さを確認してください。これらの値は、上部からスカート部にかけて変化することがあるためです。最後に、スカートベースをパイプ要素としてモデル化し、その温度は本文の最終段落で述べた通りとし、圧力、流体密度、および腐食余裕量は0と設定し、スカートベースの底部に固定点を設ける。図3に示されているのは、シミュレーション用の簡単な塔モデルで、異なる色が異なる温度を表しています。http://bbs.intergraphbbs.com/data/attachment/forum/201701/17/103743ak8fbpnigeaa2j8a.jpg 図3：CAESAR IIにおける単純なタワーモデル 4. タワーサポートを備えた配管のシミュレーション：配管は通常、タワーの筒体によって支えられている。このタイプの支持は、貼り板支持と呼ばれます。筒体のノズル付近にある最初の支持構造は、配管全体の垂直荷重を支える支持枠です。この支持枠を、ノズルにできるだけ近い位置に置いてみてください。残りの支架はすべてガイド支架です。プレートはタワーの筒体に溶接されているため、この位置での熱膨張効果を得るために、ここではプレートおよびそのCnodeに接続された支持架をシミュレーションする必要がある。プレート支持架の耐荷重能力は、通常、支持架のマニュアルで定められています。したがって、時として最初の支持枠の負荷がプレートの耐荷重を超える可能性があります（大型のケーブルを筒体の上部に接続し、空中に張る場合にこのようなことが起こり得ます）。この場合、私たちはもう一つの支持枠を作らなければなりません。この支持架はスプリング式でなければならず、最初の負荷支持架の負荷の一部を担うことになる。そしてこの点から、プロジェクト仕様で定められた基準に従って、ガイド支持をスパンに応じて使用することができる。CAESAR IIモデルは図4に示す通りで、付塔支持工法の参考として利用できる。付塔支持架を無重量の剛体としてモデル化し、装置の内部部分は装置と同じ属性とし、装置の外部部分は環境温度とする。http://bbs.intergraphbbs.com/data/attachment/forum/201701/17/103745w03jso66kceciobw.jpg 図4：CAESAR IIにおける中間タワーの配管支持具の設置 5. 接続部の負荷検証：接続部の許容負荷は、通常、機器メーカーによって示されるか、または機器の全体図に記載されている。一部の機器には、管口の直径とフランジの等級に基づいた標準荷重表があります。したがって、固定点で計算された荷重をこれらの許容値と比較し、計算値が要求を満たしているかどうかを判断する。許容荷重値を超えた場合は、支持架や配管ルートを変更することで、管口の荷重を低減できる。ルートを調整できない場合は、WRCやFEA（NozzlePro）を用いてノズル部の負荷をさらに検証することができる。または、負荷を機器供給業者に送って確認してもらいます。スカート部の温度計算：スカート部の温度は、以下の式によって計算できます。スカート部の平均温度＝(T－Ta)×F + Ta。ここで摂氏度において、Taは環境温度です℃；T=スカートベースの上部の温度；F=；K=断熱定数=1.0（耐火レンガ断熱）=1.6（断熱なし）；hとtはそれぞれスカート座の高さおよび厚さである。