吸附器外墊板處的應力分析及建議

趙合楠（四川大學化學工程學院，四川 成都610065）

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，以下簡稱PSA)是對氣體混合物進行提純的工藝過程，該工藝是以多孔性固體物質（吸附劑）內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎，在兩種壓力狀態(tài)之間工作的可逆的物理吸附過程。在分離過程中，氣體組分在升壓時吸附，降壓時解吸。不同組分由于其吸附和解吸特性不同，在壓力周期性的變化過程中實現(xiàn)分離。

作為變壓吸附最關鍵的設備，吸附器長期承受疲勞載荷的作用，易在應力集中較高的焊縫部位產生疲勞裂紋，隨著交變載荷的繼續(xù)作用，疲勞裂紋會在壁厚方向不斷擴展，最終導致吸附器發(fā)生開裂泄漏事故的發(fā)生。因此在吸附器分析設計時，往往要求盡量降低在焊縫部位集中應力，以免降低吸附器的使用壽命?；谀壳皣鴥任狡餮b置的統(tǒng)計，絕大多數(shù)處于安全運行中，極個別吸附器出現(xiàn)了裂紋，且裂紋基本均位于吸附器外接非受壓原件部位。本文通過軟件分析下封頭墊板角焊縫附近的應力集中情況，提出針對E類焊縫的避免應力集中的辦法和制造要求，以增加吸附器安全使用壽命。

1有限元模型的建立及分析

1.1 吸附器模型的計算及建模

為了說明問題，本文給出以下工程實例進行分析。某公司油田伴生氣脫碳裝置中吸附器為Ⅱ類容器，主要受壓元件材料為Q345R，工作介質主要為CH4、CO2等，設計壽命為15 年。其公稱直徑為1200mm，工作壓力為-0.08～0.7Mpa，工作溫度為40℃，設計壓力為0.88Mpa，水壓試驗為1.1Mpa，設計溫度為80℃，腐蝕裕量取3.0mm，鋼板負偏差為0.3mm，焊接接頭系數(shù)為1.0，壓力波動循環(huán)次數(shù)為720000次，支撐方式為支承式支座（型號：B2 標準：NB/T47065.4-2018）。

因，故根據(jù)JB4732-1995（2005 年確認）公式(7-1)可得計算厚度：mm，則筒體的設計厚度為mm。考慮腐蝕裕量，負壓工況以及疲勞工況，取筒體的名義厚度δn10mm，則筒體的有效厚度；對于標準橢圓封頭的計算厚度，根據(jù)圖7-1查表確定mm，考慮腐蝕裕量，減薄成型，負壓工況以及疲勞工況，取封頭的名義厚度δn14mm，成型后的最小厚度為12mm，則封頭的有效厚度；支座墊板厚度。結構尺寸如圖1。考慮打磨圓滑，在墊板周圍角焊縫與封頭焊接處倒R8的圓角。網(wǎng)格劃分如圖2。

圖1：吸附器結構尺寸

圖2：網(wǎng)格劃分

1.2 應力計算結果

吸附器不同工況下的第三強度當量應力云圖見圖3～5。

圖3：設計載荷工況

圖4：水壓試驗載荷工況

圖5：疲勞載荷工況

如圖可見，在設計載荷工況下，墊板周圍角焊縫最大應力為108.79Mpa，在水壓

試驗載荷工況下墊板周圍角焊縫最大應力為136.1Mpa，在疲勞載荷工況下，墊板周圍角焊縫最大應力為96.54Mpa。

2 墊板處角焊縫對疲勞設備的影響及建議

根據(jù)分析結果可知，在疲勞載荷工況下遠離墊板處封頭的薄膜應力約為48Mpa 左右，而墊板周圍封頭應力值則將近100Mpa，可見墊板周圍結構不連續(xù)導致應力集中的情況發(fā)生。因此此處往往是疲勞設備裂紋出現(xiàn)的源頭。在實際工程中，為了避免出現(xiàn)應力集中，可采用以下辦法：

①吸附器支撐方式采用裙座或者剛性環(huán)支撐，該結構與筒體或封頭采用連續(xù)周邊焊接，避免了局部焊接不連續(xù)導致的峰值應力過大；

②受壓元件與非受壓原件焊接，盡量選擇對接接頭形式，這種焊接方式可避免結構不連續(xù)，同時方面做無損檢測；

③對于個別小型吸附器而言，無法避開的情況下，可采用增加設備壁厚，從而降低設備本體薄膜應力的辦法來降低峰值應力；

④制造過程中，將所有焊縫打磨圓滑過渡，避免焊縫處結構不連續(xù)，降低峰值應力。