分子篩脫水吸附塔的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與疲勞分析

劉 磊 李明娜 馬秀清 張春貴 李 祺 朱巧家 張 兵

（1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司；2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞檢測(cè)所有限公司）

分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物， 具有規(guī)則且直徑大小均勻的微孔結(jié)構(gòu)，能把比微孔結(jié)構(gòu)直徑小的分子吸附到孔腔的內(nèi)部，并對(duì)極性分子和不飽和分子具有優(yōu)先吸附的能力，因能把不同的極性程度、飽和程度、分子大小和沸點(diǎn)的分子分離開來，即具有“篩分”分子的功能，故稱分子篩［1］。 水是一種強(qiáng)極化分子，由于與分子篩的孔徑相比，水的分子直徑較小，極易被分子篩吸附， 因此分子篩是優(yōu)良的氣體干燥劑，例如天然氣處理站，天然氣只有在經(jīng)過脫水設(shè)備處理后方可輸往液化設(shè)備，脫水是日常工作之一［2，3］。 對(duì)露點(diǎn)有較高要求的天然氣的干燥，一般采用分子篩脫水法，因此分子篩脫水裝置在天然氣處理站應(yīng)用非常廣泛。

分子篩脫水吸附塔是油田天然氣脫水裝置中關(guān)鍵的壓力容器單元設(shè)備，工作流程為吸附→再生→吸附交替進(jìn)行的過程，操作溫度和壓力呈周期性變化［4］。 由于現(xiàn)代工業(yè)對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)性能要求非常高，為保證設(shè)備在滿足性能要求的基礎(chǔ)上更加安全，根據(jù)吸附塔的整體模型和操作條件，按照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中壓力容器的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)［5］，輔以ANSYS有限元分析軟件對(duì)分子篩吸附塔建立有限元模型，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，根據(jù)第三強(qiáng)度理論加載求解出模型的應(yīng)力強(qiáng)度，研究吸附塔的應(yīng)力分布規(guī)律。

1 吸附塔的主要參數(shù)

某分子篩脫水吸附塔的介質(zhì)為濕天然氣，主體材料為Q345R （鋼板厚度負(fù)偏差按GB/T 713—2014取0.3mm，材料的泊松比0.3）、管口鍛件材料16Mn，塔體內(nèi)徑2 200mm，容積31.2m3，設(shè)計(jì)壓力7.8MPa，設(shè)計(jì)溫度-20/320℃（該設(shè)計(jì)溫度時(shí)，主體材料的彈性模量為0.201/0.181GPa）， 工作壓力6.9 ～7.2MPa， 工 作 溫 度40 ～290℃， 腐 蝕 裕 量3.0mm， 交變次數(shù)為每年334次， 設(shè)計(jì)使用年限20a。

吸附塔選材的主要性能參數(shù)見表1。

表1 吸附塔選材的主要性能參數(shù)

在分析計(jì)算包括二次應(yīng)力強(qiáng)度的組合應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，雖應(yīng)選用工作載荷進(jìn)行計(jì)算，但為使結(jié)果偏于安全［6］，均選用設(shè)計(jì)載荷（壓力7.8MPa、溫度320℃）。在具體的應(yīng)力計(jì)算之前，需先確定吸附塔各部件的壁厚。

吸附塔主要部件的初始壁厚可以按設(shè)計(jì)壓力pc＝7.8MPa、設(shè)計(jì)溫度Tc＝320℃，參照J(rèn)B 4732—1995（2005年確認(rèn)）規(guī)定計(jì)算，其中Di為塔體內(nèi)徑、Ri為封頭內(nèi)徑。因塔體僅受內(nèi)壓作用，pc＝7.8MPa＜0.4KSm＝48.24MPa （Sm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；K為載荷組合系數(shù)，取值為1.0），故計(jì)算得：

根據(jù)計(jì)算壁厚，綜合考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)、疲勞狀況及管口載荷等因素要求， 確定吸附塔塔體、接管和封頭的名義厚度（扣除厚度附加量，表2），用于有限元應(yīng)力與疲勞分析。

表2 塔器主要受壓部件的壁厚

2 力學(xué)模型的建立

根據(jù)吸附塔的結(jié)構(gòu)和承載特性，建立整體力學(xué) 模 型［7］進(jìn) 行 分 析， 再 利 用 軟 件ANSYS Workbench17.0［8］進(jìn)行各工況下的應(yīng)力分析計(jì)算，對(duì)人孔和接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分類與評(píng)定，最終確定其結(jié)構(gòu)尺寸是否合適。

筆者采用軟件ANSYS Solid186對(duì)吸附塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，形成的有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 吸附塔整體結(jié)構(gòu)的有限元模型及網(wǎng)格劃分

3 應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)定

有限元分析計(jì)算時(shí)，分為吸附塔的設(shè)計(jì)和耐壓試驗(yàn)兩種工況進(jìn)行。 強(qiáng)度評(píng)定時(shí)，應(yīng)力線性化路徑的選取原則為：通過各部分的應(yīng)力強(qiáng)度最大受力點(diǎn)沿壁厚最短方向設(shè)置應(yīng)力線性化路徑，對(duì)于相對(duì)高應(yīng)力區(qū)沿壁厚方向設(shè)置線性化路徑［9］。

3.1 設(shè)計(jì)工況

吸附塔結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力分析結(jié)果和強(qiáng)度評(píng)定路徑如圖2所示。

由圖2 可以看出， 應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)位于DN250mm進(jìn)氣管口的鍛件與塔體相交處的內(nèi)側(cè)。各評(píng)定路徑相應(yīng)的應(yīng)力線性化結(jié)果評(píng)定通過，強(qiáng)度評(píng)定全部合格。

3.2 耐壓試驗(yàn)工況

吸附塔結(jié)構(gòu)在耐壓試驗(yàn)工況下的應(yīng)力分析結(jié)果和強(qiáng)度評(píng)定路徑如圖3所示。

由圖3可以看出， 上封頭開口結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)位于接管鍛件與封頭相交處的內(nèi)側(cè)。 各評(píng)定路徑相應(yīng)的應(yīng)力線性化結(jié)果評(píng)定通過，強(qiáng)度評(píng)定全部合格。

圖2 設(shè)計(jì)工況結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果和強(qiáng)度評(píng)定路徑

圖3 耐壓試驗(yàn)工況結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果和強(qiáng)度評(píng)定路徑

4 疲勞分析

為確定分子篩脫水吸附塔結(jié)構(gòu)承受預(yù)計(jì)循環(huán)載荷而不發(fā)生疲勞破壞的能力，需對(duì)它進(jìn)行疲勞分析。 根據(jù)設(shè)計(jì)條件，吸附塔設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)預(yù)計(jì)總循環(huán)次數(shù)n=334×20=6680， 最高交變溫度290℃，最低交變溫度40℃，工作周期為吸附→再生→吸附交替循環(huán)，兩種工況下壓力與溫度交變規(guī)律不同：從冷吹（6.9～7.0MPa、30～40℃）→再生（7.0 ～7.1MPa、100℃→200℃→290℃） →吸 附（7.1～7.2MPa、30～40℃），壓力在整個(gè)過程中變化很小。

在對(duì)吸附塔進(jìn)行疲勞分析時(shí)，溫度計(jì)算的邊界條件為塔體封頭內(nèi)部施加溫度載荷290℃，塔體外表面有保溫層設(shè)置傳熱方式為絕熱，保溫層下端距離裙座底部1 800mm。封頭外表、裙座無保溫部分與空氣對(duì)流傳熱，系數(shù)為10W/（m2·℃）。 由此得到吸附塔的兩個(gè)交變工況： 工況1——塔內(nèi)溫度為40℃，裙座外部最低設(shè)計(jì)溫度-20℃，塔體、封頭和接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓pc=6.9MPa，溫度分布和載荷約束如圖4 所示； 工況2——塔內(nèi)溫度為290℃，裙座外部最低設(shè)計(jì)溫度-20℃，塔體、封頭和接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓pc=7.2MPa，溫度分布和載荷約束如圖5所示。分子篩脫水吸附塔工況1、2下的應(yīng)力分布及 其交變應(yīng)力幅如圖6所示。

圖4 吸附塔工況1的溫度分布和載荷約束

圖5 吸附塔工況2的溫度分布和載荷約束

圖6 吸附塔工況1、2下的應(yīng)力分布及其交變應(yīng)力幅

按JB 4732—1995標(biāo)準(zhǔn)附錄C圖C-1中的彈性模量E＝0.21GPa對(duì)交變應(yīng)力強(qiáng)度幅Salt進(jìn)行修正，修正后的交變應(yīng)力強(qiáng)度幅Salt′=Salt×E/E320℃=43.45MPa，查圖C-1對(duì)應(yīng)的曲線和表C-1中的數(shù)據(jù)得Salt′=43.45MPa時(shí)的允許循環(huán)次數(shù)N＞1.0×106次，說明該吸附塔滿足疲勞壽命的要求。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)計(jì)算了分子篩脫水吸附塔各元件壁厚， 利用ANSYS建立合理的有限元簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，確定了吸附塔整體和局部結(jié)構(gòu)可滿足使用性能和安全運(yùn)行的條件，既滿足工藝要求并確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，同時(shí)還能夠降低制造成本。 對(duì)分子篩脫水吸附塔進(jìn)行疲勞分析，結(jié)果證明吸附塔滿足疲勞壽命的要求。