基于有限元分析的輸氣場站 過濾分離設(shè)備承載能力分析

張健，李強(qiáng)林，王文燕，伊巖，姜兆元 (.山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 5000； .國家管網(wǎng)集團(tuán)青寧天然氣分公司，江蘇 揚(yáng)州 5000；.山東省國實(shí)管道天然氣有限公司，山東 濟(jì)南 5000)

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的提出和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需要，我國對天然氣的需求量越來越大，而長輸管道作為天然氣最主要的運(yùn)輸方式之一，已獲得越來越高的認(rèn)可和重視，管道運(yùn)行安全也是愈加重要[1-3]。從集氣站、天然氣凈化站或者LNG接收站來的天然氣，由于長距離輸送或其他原因，有時(shí)會帶有少量的游離水或砂粒等雜質(zhì)，這些固體、液體雜質(zhì)不僅會增加管道的阻力，降低輸氣管道的氣質(zhì)，而且影響設(shè)備、閥門和儀表的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和計(jì)量的準(zhǔn)確性，腐蝕管道內(nèi)壁，使其磨損加速、使用壽命縮短。因此，通常在分輸場站設(shè)置分離除塵設(shè)備，分離氣體中攜帶的粉塵、雜質(zhì)和上游凈化裝置異常情況下可能出現(xiàn)的液體，以保證下游氣質(zhì)的干凈。因此，過濾分離系統(tǒng)對分離粉塵雜質(zhì)、提高天然氣的潔凈度、延長設(shè)備使用壽命等起到了很關(guān)鍵的作用。

目前，常用過濾分離設(shè)備主要包括旋風(fēng)分離器和重力式分離器。旋風(fēng)分離器是依據(jù)旋風(fēng)除塵原理對管路中的塵埃進(jìn)行分離的除塵裝置，其主要功能是盡可能除去輸送介質(zhì)氣體中攜帶的固體雜質(zhì)和液滴，達(dá)到氣固液分離，以保證管道及設(shè)備的正常運(yùn)行，對于10 μm及以上的固體或液體顆粒有較好的分離效果，一般能達(dá)到99%以上；重力分離器主要功能是盡可能除去輸送氣體中攜帶的固體雜質(zhì)和液滴，達(dá)到氣固液分離，以保證管道及設(shè)備的正常運(yùn)行，重力分離器一般可以分離直徑為10～30 μm及以上的固體或液體顆粒，加裝補(bǔ)集器的重力分離器對直徑為于5～10 μm及以上的固體或液體顆粒有較好的分離效果，可以達(dá)到99%。在實(shí)際生產(chǎn)中，氣流的沖擊往往會使設(shè)備本體和錨固點(diǎn)承受應(yīng)力，而且長時(shí)間的工作會導(dǎo)致分離器出現(xiàn)壁面磨損等現(xiàn)象，如不通過日常管理及時(shí)發(fā)現(xiàn)或進(jìn)行有效處置，將會導(dǎo)致設(shè)備故障甚至事故發(fā)生。為找出應(yīng)力分布規(guī)律以及設(shè)備壁厚等臨界運(yùn)行參數(shù)，本文借助三維造型軟件SolidWorks結(jié)合設(shè)計(jì)測繪參數(shù)對常見旋風(fēng)分離器和重力式分離器模型進(jìn)行制作[4-6]，同時(shí)借助有限元分析軟件ABAQUS對某種工況下設(shè)備承受應(yīng)力情況以及臨界運(yùn)行壁厚參數(shù)進(jìn)行分析，以指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行管理和維護(hù)保養(yǎng)，保障安全生產(chǎn)。

1 過濾分離設(shè)備三維模型設(shè)計(jì)

重力式分離器主要由圓柱形筒體、氣體進(jìn)出口、傘形板、捕霧器、排污口、人孔、清灰口以及支腿等部分組成，天然氣由進(jìn)氣口進(jìn)入筒體，流動截面積突然擴(kuò)大很多，流速減小，天然氣與其中的液、固體雜質(zhì)密度有差異，質(zhì)量不同，液固顆粒下降速度大于氣流上升速度，液固顆粒下沉器底，氣流上升從出口管輸出，從而實(shí)現(xiàn)液固雜質(zhì)與氣體的分離。旋風(fēng)分離器主要由圓柱形筒體、氣體進(jìn)出口、旋風(fēng)子、傘形板、捕霧器、排污口、人孔、清灰口以及支腿等部分組成，其核心部件是旋風(fēng)分離組件，當(dāng)氣流從切線方向進(jìn)入旋風(fēng)分離器時(shí)，由于氣體與塵粒的質(zhì)量不同，所產(chǎn)生的離心力也就不同，結(jié)果是質(zhì)量較大的塵粒被拋到外圈，依靠入口速度的動量和重力沿壁面下落，進(jìn)入灰斗，而旋轉(zhuǎn)下降的氣流在進(jìn)入錐體時(shí)，因錐體的收縮而向旋風(fēng)子中心靠攏，其切向速度不斷提高，當(dāng)?shù)竭_(dá)錐體某一位置時(shí)，即以同樣的旋轉(zhuǎn)方式反轉(zhuǎn)而上，形成內(nèi)旋氣流，經(jīng)出口管流出。通過對分離器結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行分析以及對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，借助三維造型軟件，制作得到常見結(jié)構(gòu)重力式分離器和旋風(fēng)分離器的三維模型，具體如圖1所示。

圖1 重力式分離器、旋風(fēng)分離器三維模型圖

2 重力式分離器承載能力分析及臨界運(yùn)行參數(shù)模擬

結(jié)合某場站實(shí)際運(yùn)行工況，重力式分離器原始壁厚16 mm，工作運(yùn)行壓力為2 MPa，對分離器承載能力進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 某工況下重力式分離器應(yīng)力云圖

通過圖2可以看出，最大應(yīng)力集中處分布在重力分離器4個(gè)支撐腳座處，主要原因是由于重力分離器內(nèi)壓分布不均導(dǎo)致支撐腳座處存在橫向剪切力，對重力分離器的底座產(chǎn)生橫向剪切作用，因此要保證支撐腳的強(qiáng)度并做好固定。此外，入口焊接處相對承受應(yīng)力較大，要重點(diǎn)做好該部位壁厚測試和狀態(tài)監(jiān)測。

為找出臨界運(yùn)行參數(shù)，通過做壁厚減薄2 mm仿真，從壁厚16 mm減薄至12 mm，如圖3所示。

圖3 壁厚12 mm應(yīng)力分布云圖

通過應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)壁厚減薄至12 mm時(shí)，整個(gè)重力分離器已基本達(dá)到材料的屈服極限，若繼續(xù)使用下去有可能出現(xiàn)壁面爆破，出現(xiàn)生產(chǎn)事故，因此在日常管理工作中，要及時(shí)做好壁厚檢測等工作。

3 旋風(fēng)分離器承載能力分析及臨界運(yùn)行參數(shù)模擬

結(jié)合實(shí)際工況，旋風(fēng)分離器原始壁厚30 mm，工作運(yùn)行壓力為2 MPa，對分離器承載能力進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 某工況下旋風(fēng)分離器應(yīng)力云圖

通過圖4可以看出，最大應(yīng)力集中處分布在旋風(fēng)分離器4個(gè)支撐腳座處，主要原因是由于旋風(fēng)分離器內(nèi)壓分布不均導(dǎo)致支撐腳座處存在橫向剪切力，對旋風(fēng)分離器的底座產(chǎn)生橫向剪切作用，因此要保證支撐腳的強(qiáng)度并做好固定。此外，入口及液位計(jì)連接法蘭焊接處相對承受應(yīng)力較大，要重點(diǎn)做好該部位壁厚測試和狀態(tài)監(jiān)測。

為找出臨界運(yùn)行參數(shù)，通過做壁厚減薄2 mm仿真，從壁厚30 mm減薄至26 mm，如圖5所示。

圖5 壁厚26 mm應(yīng)力分布云圖

通過應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)壁厚減薄至26 mm時(shí)，整個(gè)旋風(fēng)分離器已基本達(dá)到材料的屈服極限，若繼續(xù)使用下去有可能出現(xiàn)壁面爆破，出現(xiàn)生產(chǎn)事故，因此在日常管理工作中，要及時(shí)做好壁厚檢測等工作。

4 結(jié)語

通過有限元分析模擬，重力式分離器和旋風(fēng)分離器最大應(yīng)力集中處分布在4個(gè)支撐腳座處，因此要保證支撐腳的強(qiáng)度并做好固定。

針對重力式分離器，入口焊接處相對承受應(yīng)力較大；針對旋風(fēng)分離器，入口及液位計(jì)連接法蘭焊接處相對承受應(yīng)力較大，因此，要重點(diǎn)做好這些部位壁厚測試和狀態(tài)監(jiān)測。

壁厚減薄對分離器承載能力影響較大，因此要做好日常維護(hù)保養(yǎng)和測試監(jiān)測工作。