基于有限元法的變壓吸附器仿真分析

胡效東，王世飛，姜 迪，王海月

（1.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590；2.青島山特化工設計有限公司，青島 266590）

制造軟件

基于有限元法的變壓吸附器仿真分析

胡效東1，王世飛1，姜 迪2，王海月1

（1.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590；2.青島山特化工設計有限公司，青島 266590）

頻繁的加壓與減壓容易造成變壓吸附器的疲勞失效，因此除了常規(guī)的設計標準外，變壓吸附器還需要根據(jù)疲勞容器設計標準進行校核以確保使用壽命。根據(jù)JB4732-1995（2005年確認）的要求，利用有限元法對某公司提供的變壓吸附器進行疲勞校核。通過優(yōu)化上下管口的結構，可以使最大應力值在不超過許用范圍內(nèi)的情況下，降低管口的重量。確定吸附器的最終結構后，在設計壓力為1.03MPa的工況下，吸附器所受到的最大應力為169.07MPa。當工作壓力范圍為-0.08～0.85MPa時，計算得交變應力幅強度為78.9MPa，此交變應力幅的許用循環(huán)次數(shù)大于106，大于設備的設計循環(huán)次數(shù)9.2×105，設備是安全的。

變壓吸附器；有限元法；疲勞強度；Q345

0 引言

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA）廣泛應用于加氫裂解、煤化工、CO提純、沼氣甲烷分離、煤氣層甲烷提純等工程領域[1]。定期的加壓、減壓容易造成疲勞破壞，疲勞損傷累積的最終結果可能會造成壓力容器的破壞。壓力容器的破壞事故往往帶來嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，壓力容器的疲勞破壞問題和安全評定技術一直是行業(yè)中頗為關注的問題。根據(jù)相關的標準，必期的加壓、減壓容易造成疲勞破壞，疲勞損傷累積的最終結果可能會造成壓力容器的破壞，須對此類疲勞設備進行強度校核與疲勞校核[2]。在傳統(tǒng)的設計中，鑒于壓力容器安全問題的重要性，壓力容器的設計往往偏于保守，使得設計的容器又笨重，又浪費材料，而且使制造成本明顯升高，造成了大量的浪費。

本文基于JB4732-1995（2005年確認）《鋼制壓力容器-分析設計標準》，采用有限元法，采用ANSYS軟件，通過建立模型、劃分網(wǎng)格、施加載荷和約束，分析給定變壓吸附器容易產(chǎn)生疲勞失效部位的應力分布特性，進而計算其疲勞壽命，在保證其安全性的條件下優(yōu)化產(chǎn)品結構，降低生產(chǎn)成本。

1 變壓吸附器結構

1.1 設備基本參數(shù)

本文分析齊魯石化工程有限公司提供的氫氣提純變壓吸附器，主要包括上法蘭、封頭、筒體、下部法蘭、裙座和彎管等結構。筒體名義厚度為20mm，橢圓封頭名義厚度為22mm，封頭壁厚最薄處為15.7mm。設備筒體與封頭的材料均為Q345R，鍛件接管的材料16MnⅢ。

作為疲勞設備，變壓吸附器的結構上具有較為嚴格的結構要求，盡量避免采用不連續(xù)結構，對于筒體、封頭、裙座和接管焊接處光滑處理。不連續(xù)結構分布在兩個位置：1）上部結構包括連接件，彎管，上封頭以及一部分筒體；2）下部結構包括連接件，彎管，下封頭以及部分筒體和裙座。

1.2 設備的建模與優(yōu)化

為了便于計算，在不影響分析精度的前提下對該變壓吸附器結構進行簡化：

1）忽略對分析結果影響不大的螺栓孔等；

2）鑒于吸附器的筒體、封頭、接管、裙座等需要分析的結構均為軸對稱的回轉體，分析吸附器的軸向二維界面取代三維模型。

除了封頭與結構不連續(xù)處以外，應力沿著筒體壁厚方向均勻分布。因此吸附器的疲勞校核與優(yōu)化分為以下兩個部分進行：

1）上封頭結構：包括上封頭，接管，彎頭以及部分筒體；

2）下封頭結構：包括下封頭，彎管，以及部分筒體以及部分裙座。

吸附器上部結構的載荷包括：容器內(nèi)壓，彎管與螺栓連接處的等效作用力，同時在筒體截面處施加位移約束。吸附器下部結構的載荷包括：容器內(nèi)表面與管口所受到的內(nèi)壓，接管下端面受到由內(nèi)壓引起的向下的等效力，下封頭內(nèi)表面施加吸附劑質(zhì)量引起的向下的等效力，下封頭上部設備質(zhì)量引起的向下的作用力。約束位置為筒體截斷面處。

有限元分析過程中忽略影響不大的風載荷及地震載荷。上部結構的總質(zhì)量為14400kg，下部結構總質(zhì)量為42500kg。

強度評定過程中，需要進行應力線性化來求出一次應力（Pm，Pl，Pb）和二次應力（Q），以便進行結果評定。在進行應力線性化時，路徑的選取原則是：通過各部分應力強度最大的節(jié)點，并沿壁厚方向的最短方向設定應力線性化路徑，對相對高應力區(qū)沿壁厚方向設定路徑。各部分材料的主要性能如表1所示。

2 強度校核

2.1 上部結構強度校核

上部結構模型主要包括部分筒體，上封頭，凸緣以及接管。劃分網(wǎng)格時采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2mm，共劃分48116網(wǎng)格與140358節(jié)點，如圖3所示。

上部結構受到以下載荷作用：

1）殼體內(nèi)表面以及法蘭密封面在墊片內(nèi)的部分受到內(nèi)壓，P=1.03MPa；

圖1 上部結構載荷、約束及網(wǎng)格情況

2）法蘭盤背面螺栓中心圓直徑面上受到螺栓力，大小為操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WP，WP=F+FP，WP=358415.8N；

3）法蘭密封面墊片壓緊力作用面上受到墊片的反力，大小為操作狀態(tài)下需要的最小墊片預緊力Fp=99057.1N，F(xiàn)p=99057.1N。

在筒體界面處施加一個Y方向位移為0的位移約束來對模型進行約束。

上部結構應力分析結果如圖2所示。由圖中可以看出：對與上封頭開口結構，該部分的應力最大點位于凸緣位置，最大應力值為169.07MPa。

圖2 上部結構應力分析結果

在上部結構中選取兩條路徑進行線性化。路徑1位于凸緣與封頭連接處，此處應力屬于一次局部薄膜應力；路徑2穿過封頭最大曲率處，并垂直于壁厚方向，此處應力屬于一次整體薄膜應力。

2.2 下部結構強度校核

下部結構分析過程中同樣采用二維模型。下部結構模型主要包括下封頭、管口、部分筒體以及部分裙座，模型采用四邊形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為2mm，共劃分網(wǎng)格數(shù)44891，節(jié)點數(shù)131978，如圖3所示。

下部結構受到以下載荷：

1）筒體內(nèi)表面以及接管內(nèi)表面受到內(nèi)壓P=1.03MPa；

2）接管下端面受到由內(nèi)壓引起的向下的等效力F1=πS=121784N；

3）下封頭表面添加的吸附劑因質(zhì)量引而起的向下的等效力，其值為F2=mg=416500N；

4）上封頭設備質(zhì)量引起的等效力F3=mg=141120N；

5）對殼體施加的內(nèi)壓還將在上部筒體截面處引起向上的等效力，F(xiàn)4=7309793N。

圖3 下部結構約束、載荷及網(wǎng)格情況

同樣由于模型的簡化，需要在裙座截面處施加Y方向位移為0的位移約束。下部結構的應力分析結果如圖4所示。

圖4 下部結構應力分析結果

從圖中可以看出，該部分的應力最大點位于下凸緣位置，最大應力值為169.52MPa。選取兩條路徑， 路徑3裙座與筒體直接不連續(xù)處的焊縫位置， 路徑4位于應力最大位置處。路徑3與路徑4處應力，均屬于一次局部薄膜應力。

2.3 強度破壞評估

一次總體薄膜應力強度的許用極限為Sm，一次局部薄膜應力的需用極限為1.5Sm，一次加二次應力強度的需用極限為3Sm。Q345R在設計溫度條件下的許用應力Smt=188MPa，16MnⅢ在設計溫度條件下的許用應力Smt=165.5MPa。整體結構計算模型應力分類與評定[8]結果如表2所示。

3 疲勞壽命評估

由于應力集中位置容易發(fā)生疲勞破壞，因此疲勞破壞校核的位置應該在強度校核過程中的應力值最大

表2 強度破壞評估

【】【】點[9]，根據(jù)JB4732-1995（2005年確認）附錄C以疲勞分析為基礎的設計（P163-P184）規(guī)定對設備進行疲勞強度評定。

本文所分析的吸附器的壓力波動范圍為-0.08～0.85MPa，即壓力范圍△P=0.93MPa。在僅施加壓力載荷的情況下，結構中各點處的應力值與所施加的壓力成線性關系，因此在△P=0.93MPa的壓力波動范圍下下，所考慮位置的最大交變應力幅可通過公式(1)計算。

其中K為常系數(shù)，Vm為靜力分析所得應力值，△P為壓力范圍， P為設計壓力。

考慮疲勞強度減弱系數(shù)，修正后的交變應力強度幅如式(2)所示。

E為材料的彈性模量，Et為相應設計疲勞曲線圖中給到材料彈性模量。

當S’alt=78.8MPa 時的許用疲勞次數(shù)N＞106，該設備的預計設計壓力循環(huán)次數(shù)n=9.2×105，N＞n，所以設備達到疲勞要求。

4 結論

本文通過有限元計算軟件ANSYS分析得到，當設計壓力為1.03MPa時，結構的最大應力位置出現(xiàn)在接管與封頭的連接處外側，應力值為169.07MPa。當吸附器工作壓力范圍為-0.08MPa～0.85MPa時，最大交變應力幅修正后為78.9MPa，而此時的可用循環(huán)次數(shù)大于106次，大于設備的設計循環(huán)壽命n=9.2×105。因此設備滿足JB4732-1995（2005年確認）中對疲勞強度的要求。利用ANSYS進行應力分析與疲勞強度進行分析，方法簡單可行，可以避免大量的計算，簡化了設計過程。

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Fatigue strength check of pressure swing adsorber based on FEM

HU Xiao-dong1, WANG Shi-fei1, JIANG Di2, WANG Hai-yue1

TH128

A

1009-0134(2017)04-0084-04

2016-10-24

山東省自然科學基金項目（ZR2014EEM018）

胡效東（1971 -），男，山東青島人，副教授，博士，研究方向為化工設備先進制造技術。