油氣分離器罐低溫環(huán)境下應力分析

李小波，李福送，張紅光

（深圳壽力亞洲實業(yè)有限公司，廣東深圳518068）

油氣分離器罐低溫環(huán)境下應力分析

李小波，李福送，張紅光

（深圳壽力亞洲實業(yè)有限公司，廣東深圳518068）

目前市場上的大部分油氣分離器罐設計溫度范圍是-20～150℃，有少部分油氣分離器罐在寒冷地區(qū)使用，其環(huán)境溫度已經(jīng)低于設計溫度。利用ANSYS有限元分析軟件進行模擬實際工況，系統(tǒng)的論證分析常規(guī)油氣分離器罐不必按照低溫壓力容器去選型設計。當殼體或受壓元件使用在“低溫低應力工況”下，若其設計溫度加50℃后高于-20℃時，不必遵循低溫壓力容器規(guī)定。這樣可以大大降低壓力容器的使用環(huán)境溫度，提高整個空壓機產(chǎn)品的使用范圍。

低溫應力；油氣分離器罐；焊縫應力；ANSYS

1 引言

目前，石油、礦山機械廣泛使用的壓縮機是移動式噴油螺桿空壓機，它的優(yōu)點是供氣平穩(wěn)、耐候性強、使用方便。移動式噴油螺桿空壓機工作機理是：通過壓縮機主機將氣體壓縮至油氣分離器罐，然后油氣分離器罐將油氣分離，分離出的油則進油冷卻器冷卻后回到壓縮機主機反復使用，分離出來的氣體則對外供客戶使用。那么一款好的油氣分離器罐是整個移動式噴油螺桿壓縮機的關鍵零件。礦山工地、石油基地的環(huán)境溫度變化較大，尤其是冬天的時候，溫度較低，環(huán)境溫度低于-20℃，更需要耐候性較好的油氣分離器罐。

本文通過Ansys有限元分析油氣分離器罐在低溫環(huán)境應力，結合空壓機的實際使用時的情況，讓油氣分離器罐在低于-20℃的環(huán)境溫度下，還能很好的使用。

2 油氣分離器罐的應力分析

“低溫低應力工況”是指殼體或受壓元件的設計溫度雖然低于或等于-20℃，但其環(huán)向應力小于或等于鋼材標準常溫屈服點的1/6，且不大于50 MPa時的工況。一般空壓機在低溫開機時有較長時間的低壓暖機，怠速暖機的壓力為30PS（0.207 MPa），當環(huán)境溫度為-26℃時，暖機時間設定為35 min。環(huán)境溫度為-30℃，進行油氣分離器罐的應力分析，按照怠速暖機壓力0.207 MPa，環(huán)境溫度為-30℃，進行油氣分離器罐的應力分析，結果如圖1：

圖1 怠速暖機油氣分離器應力

從分析結果可知，罐子環(huán)向應力最大為5.5 MPa遠低與50 MPa，更低于屈服應力的1/6（油氣分離器罐材料為Q345R，屈服應力為345，345/6= 57.5 MPa），因此該容器不屬于低溫壓力容器范疇，設計合理。

3 焊縫應力分析

根據(jù)油氣分離器罐的實際結構，進行簡化建模，運用Ansys有限元的Steady-state Thermal和Static Structure模塊對環(huán)境溫度、焊縫高度與焊縫應力的關系進行聯(lián)合仿真。

具體數(shù)值見表1、2：

表1 罐內(nèi)壓力為500psi時焊縫應力

表2 罐內(nèi)壓力為350psi時焊縫應力

從上面仿真及傳熱學計算結果可以看出：

（1）當內(nèi)外壁面溫差大（外壁-30℃、內(nèi)壁：130℃）時焊縫應力最大，而且已經(jīng)超出了材料的許用應力；

（2）焊縫高度對焊縫應力有直接影響，當焊縫高度減少時，應力增大；

（3）從穩(wěn)態(tài)對流傳熱學計算的結果來看，外壁-30℃、內(nèi)壁130℃的情況幾乎不可能出現(xiàn)，該組仿真數(shù)據(jù)只具有趨勢分析的參考性，不具備實際工程的應用性；

（4）外壁面-30℃、內(nèi)壁面-20℃時焊縫應力雖然最小，但是此時材料的脆性大，許用應力應該會減小。

當環(huán)境溫度為-30℃時，根據(jù)該壓縮機穩(wěn)態(tài)的排氣溫度為110～120℃，此時穩(wěn)態(tài)對流傳熱學計算得出此時內(nèi)壁面溫度為115℃、外壁面為110℃（焊縫高度為6 mm，氣體壓力為500 psi）。

圖2

4 壓力容器外部溫度仿真

運用該組內(nèi)外壁面溫度進行仿真得出焊縫應力如下：A=111.8MPa、B=107.25 MPa

仿真過程如圖2（a）；網(wǎng)格劃分如圖2（b）；溫度場分析如圖3；將溫度場作為輸入條件進行靜力分析結果如圖4。

圖3

圖4

5 罐內(nèi)隔板厚度對焊縫的影響

Ansys仿真過程中發(fā)現(xiàn)，油氣分離罐內(nèi)部隔板強度偏弱，變形量偏大如圖5：

圖5是2焊縫處的形變量，A焊縫處為0.6 mm、 B焊縫處為0.7 mm。（工況為：壓力350 psi，隔板厚度6 mm，焊縫厚度6 mm，油氣分離器內(nèi)氣體溫度為115℃）

圖5

6 結語

以上利用ANSYS有限元分析技術，對移動式噴油螺桿壓縮機的油氣分離器罐，在低溫環(huán)境時各個點的應力進行模擬分析，得到比較真實可靠的實驗理論數(shù)據(jù)。這些分析數(shù)據(jù)可以作為油氣分離器罐在設計時的重要參考，特別是空壓機在低溫環(huán)境下使用時，為整個油路系統(tǒng)的設計提供參考。

大部分低溫環(huán)境下使用的移動式噴油螺桿壓縮機，在選型油氣分離器罐時，若使用環(huán)境溫度低于-20℃，可以根據(jù)壓縮機的實際使用情況來看，大部分是不必選型低溫壓力容器，從而有效降低了整機的設計成本，提高了整機產(chǎn)品的有效應用范圍。

［1］GB150-1998，鋼制壓力容器［S］.

［2］TSGR0004-2009，固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程［S］.

［3］JB/T4746-2002，鋼制壓力容器用封頭［S］.

［4］JB/T4736-2002，補強圈［S］.

［5］JB/T4730.1～4730.6-2005，承壓設備無損檢測［S］.

［6］HG/T 20668-2000，化工設備設計文件編制［S］.

［7］JB 4708-2000，鋼制壓力容器焊接工藝評定［S］.

［8］JB/T4709-2000，鋼制壓力容器焊接規(guī)程［S］.

Stress Analysis of Oil and Gas Separator Tank under Low Temperature Environment

LI Xiao-bo，LI Fu-song，ZHANG Hong-guang
（Shenzhen Sullair Asia Ind.Co.，Ltd.，Shenzhen 518068，China）

Currently the design temperature range is-20℃ to 150℃ for most of oil and gas separator tank on market.The environment temperature is lower than the design temperature for a small part of this separator tank used in the cold area.In this paper，ANSYS finite element analysis software is used to simulate the actual condition，which systematically analyzes and verifies the common pressure vessel systems do not need to design according to the low temperature pressure vessel.When the shell or pressurized components used in the〝low temperature and low stress condition〝，if the design temperature higher than-20℃ after adding 50℃，it does not have to follow the low temperature pressure vessel regulations.So that it can greatly reduce the pressure vessel environment temperature，and then improve the use range of the whole of air compressor products.

low temperature stress；oil and gas separator tank；weld stress；ANSYS

O242.21 TE931+.1

:B

1006-2971（2014）06-0049-03

2014-06-18