疲勞設(shè)備保溫支撐圈結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

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(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

在石油化工行業(yè)中，吸附塔是變壓吸附工藝裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，屬于疲勞設(shè)備，同時為了滿足工藝操作的要求，設(shè)備外通常有50～80mm厚的保溫層，必須設(shè)置保溫支撐圈，且其與設(shè)備筒體連接屬于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，影響疲勞設(shè)備的使用壽命。為此本文對某項目的吸附塔上的保溫支撐圈結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力強度和疲勞分析。

1 問題的提出

SH/T 3098標(biāo)準(zhǔn)中推薦了兩種保溫支撐圈結(jié)構(gòu)：第一種是第7.14.3條中介紹的與塔體相焊的保溫支撐圈；第二種是第7.14.4條中介紹的帶有預(yù)焊件的保溫支撐圈，此處的預(yù)焊件為水平設(shè)置結(jié)構(gòu)。某項目的PSA裝置吸附塔在疲勞載荷工況下運行，使用僅2年(設(shè)計壽命20年)，多臺吸附塔相繼出現(xiàn)裂紋，裂紋均從筒體保溫支撐圈的焊接接頭處起裂，沿筒體縱向擴展。本設(shè)備采用的是SH/T 3098《石油化工塔器設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中的第一種直接與塔體相焊的保溫支撐圈結(jié)構(gòu)。通過對SH/T 3098標(biāo)準(zhǔn)中推薦的兩種保溫支撐圈結(jié)構(gòu)形式進行有限元分析，得到第一種保溫支撐圈結(jié)構(gòu)在保溫支撐圈缺口區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)達到6，而第二種保溫支撐圈結(jié)構(gòu)在預(yù)焊件端部與筒體相焊區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)為2.5。從這兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)可以得出，SH/T 3098《石油化工塔器設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中推薦的兩種保溫支撐圈結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到循環(huán)頻次比較低的設(shè)備中，但是應(yīng)用于循環(huán)頻次比較高的PSA裝置吸附塔(設(shè)計壽命內(nèi)的總循環(huán)次數(shù)在30萬到50萬次)時會影響到整臺設(shè)備的使用安全，特別是第一種結(jié)構(gòu)(直接與塔體相焊的保溫支撐圈結(jié)構(gòu))將嚴(yán)重縮短設(shè)備的疲勞壽命。為此，本文提出一種疲勞設(shè)備保溫支撐圈結(jié)構(gòu)(見圖1)，該結(jié)構(gòu)與SH/T3098標(biāo)準(zhǔn)中推薦的第二種保溫支撐圈結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于預(yù)焊件改為水平放置，同時保溫支撐圈的連接形式也發(fā)生了改變。

圖1 疲勞設(shè)備保溫支撐圈

2 有限元分析

2.1 模型參數(shù)

某項目PSA工序中吸附塔參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)表

2.2 模型的建立

吸附塔上每層保溫支撐圈分成8瓣，有8個預(yù)焊件(支耳板)焊接在吸附塔筒體上，為減小模型的運算量，利用結(jié)構(gòu)的對稱性，建立1/16對稱三維模型。模型中的筒體壁厚扣除厚度附加量(3.3mm)，模型結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。模型的建立和求解采用大型通用有限元分析軟件ANSYS14.5 Workbench。

圖2 模型結(jié)構(gòu)尺寸

2.3 單元網(wǎng)格的劃分

有限元單元采用Solid186，Solid186是一個高階三維20節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元，其具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則的網(wǎng)。為了得到預(yù)焊件與筒體焊接區(qū)域更精確的應(yīng)力值，對預(yù)焊件附近的網(wǎng)格劃分進行了局部加密，模型共劃分39 300個單元，168 981個節(jié)點。模型網(wǎng)格劃分(局部)見圖3。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件

力邊界條件：內(nèi)壓載荷(PIN)為1.66 MPa(g)，筒體上端面施加內(nèi)壓作用下的等效壓力P=-59.39 MPa(g)。

對稱邊界條件：由于模型為完整結(jié)構(gòu)的1/16，其他3個截面上施加對稱約束。模型邊界條件施加見圖4。

圖4 模型邊界條件

2.5 有限元計算結(jié)果分析

所分析結(jié)構(gòu)在操作壓力(P=1.66 MPa(g))作用下的應(yīng)力強度分布見圖5。計算結(jié)果表明，在預(yù)焊件上端與筒體連接處的焊縫出現(xiàn)了最大應(yīng)力，強度值為179.96 MPa(g)，其應(yīng)力集中系數(shù)僅為1.5。比標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3098中推薦的兩種保溫支撐圈結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)均小，僅為第一種結(jié)構(gòu)的25%，第二種結(jié)構(gòu)的60%，應(yīng)力集中系數(shù)的降低，可以提高本結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計壽命。

圖5 預(yù)焊件附近應(yīng)力分布云圖

3 強度和疲勞評定

按JB4732進行應(yīng)力強度的評定，采用應(yīng)力線性化處理法，過應(yīng)力強度最大點，沿壁厚方向取路徑，進行應(yīng)力線性化處理，按相應(yīng)的限制條件進行強度評定，評定結(jié)果見表2。

疲勞評定按JB4732標(biāo)準(zhǔn)的附錄C進行，對0～1.66 MPa(g)交變內(nèi)壓作用下的預(yù)焊件區(qū)域的疲勞壽命進行評定，評定結(jié)果見表2。

表2 預(yù)焊件局部應(yīng)力強度和疲勞評定

表2的評定結(jié)果說明，保溫支撐圈預(yù)焊件(支耳板)局部的應(yīng)力強度和疲勞均為合格。

4 結(jié)語

有限元計算結(jié)果表明，疲勞設(shè)備保溫支撐圈結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在預(yù)焊件(支耳板)的上(下)端與筒體之間的焊縫附近，且應(yīng)力集中系數(shù)僅為1.5，比SH/T 3098標(biāo)準(zhǔn)中推薦的兩種保溫支撐圈結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)均??；疲勞設(shè)備保溫支撐圈結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度和疲勞評定均合格，說明建立的疲勞設(shè)備保溫支撐圈結(jié)構(gòu)能滿足吸附塔設(shè)計要求。

[1]JB 4732—1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn)版)[S].

[2] SH/T 3098—2011，石油化工塔器設(shè)計規(guī)范[S].