超設(shè)計(jì)使用壽命旋風(fēng)分離器的合于使用評(píng)價(jià)*

宋耀民，張 婧,王曉博，高 振

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029；2.中國(guó)石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028)

旋風(fēng)分離器是石油化工企業(yè)常用的一種壓力容器，其工作原理是:氣液混合介質(zhì)通過(guò)入口管線進(jìn)入分離器，在分離器內(nèi)部做旋流向下傾斜式運(yùn)動(dòng)，由于介質(zhì)中夾帶的液體速率降低，在離心力的作用下被分離出來(lái)聚集在分離器內(nèi)壁上，最后匯集到集水槽中，經(jīng)自動(dòng)疏水閥排出，分離后的干燥清潔氣體從分離器進(jìn)入出口管線。

壓力容器的設(shè)計(jì)壽命不一定等于實(shí)際使用壽命，是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)壽命受很多因素的制約，比如材料力學(xué)性能、金屬腐蝕速率、疲勞及蠕變等。但是當(dāng)容器的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)設(shè)計(jì)壽命時(shí)，其安全裕度會(huì)降低，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)會(huì)提高[1]。因此，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定:達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限或者未規(guī)定設(shè)計(jì)使用年限但使用超20年的壓力容器，如果要繼續(xù)使用，需進(jìn)行定期檢驗(yàn)，必要時(shí)進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)[2]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)帶缺陷壓力容器的合于使用評(píng)價(jià)方法有很多[3-5]，而對(duì)超設(shè)計(jì)使用壽命的壓力容器合于使用評(píng)價(jià)較少。受某企業(yè)委托，2019年7月對(duì)一臺(tái)超設(shè)計(jì)壽命的旋風(fēng)分離器進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)。

1 旋風(fēng)分離器技術(shù)參數(shù)

該旋風(fēng)分離器于1998年5月投入使用，已累計(jì)使用超過(guò)20年，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 旋風(fēng)分離器技術(shù)參數(shù)

2 定期檢驗(yàn)

依據(jù)TSG 21—2016的相關(guān)規(guī)定，對(duì)該旋風(fēng)分離器進(jìn)行了外部檢驗(yàn)，包括宏觀檢查、壁厚測(cè)定、安全附件檢查、超聲檢測(cè)及磁粉檢測(cè)，經(jīng)檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)明顯問(wèn)題?；谠撔L(fēng)分離器服役時(shí)間已超設(shè)計(jì)使用年限，壁厚測(cè)定時(shí)除了筒體、封頭部位以外，對(duì)一些接管、人孔也進(jìn)行了測(cè)厚，測(cè)厚部位及數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表2可知，設(shè)備本體未發(fā)生明顯腐蝕減薄，腐蝕速率為0.1 mm/a。

表2 測(cè)厚部位及數(shù)據(jù)

3 潛在失效模式分析

該旋風(fēng)分離器的材質(zhì)為16MnR，在66 ℃的操作溫度下不會(huì)發(fā)生蠕變，可排除蠕變失效模式；操作工況穩(wěn)定，可排除疲勞失效模式；工作介質(zhì)為水、天然氣及烴類(lèi)，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)有開(kāi)裂現(xiàn)象，可排除應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂模式。因此，可以判斷旋風(fēng)分離器的潛在失效模式為凈強(qiáng)度削弱導(dǎo)致的塑性失效。

4 材料性能參數(shù)確定

由于該旋風(fēng)分離器在正常使用中，不能對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行取樣，無(wú)法進(jìn)行材料的力學(xué)性能試驗(yàn)，故該材料的屈服極限、抗拉強(qiáng)度等常規(guī)性能參數(shù)取相關(guān)國(guó)標(biāo)中的數(shù)值:彈性模量210 GPa，屈服極限325 MPa，抗拉強(qiáng)度490 MPa，泊松比0.3，許用應(yīng)力163 MPa。

5 合于使用評(píng)價(jià)

在多向應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度需滿足5個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則。JB 4732—1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ小于KSm,這里K值為1.0,Sm為許用應(yīng)力；一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ小于1.5KSm；一次局部薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ小于1.5KSm；一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ小于3Sm；峰值應(yīng)力強(qiáng)度SⅤ小于交變載荷下的疲勞許用值。16MnR材料在常溫下的許用應(yīng)力為163 MPa。

考慮到該旋風(fēng)分離器的載荷分布和幾何結(jié)構(gòu)特性，并充分利用計(jì)算機(jī)資源，對(duì)可能由工作載荷引起的高應(yīng)力部位進(jìn)行應(yīng)力分析，具體分兩個(gè)模型進(jìn)行。其中模型Ⅰ的分析部位為筒體+上封頭+進(jìn)、出口接管，模型形式為1/4結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模型；模型Ⅱ的分析部位為下封頭+接管，模型形式為1/4結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模型。

5.1 模型Ⅰ應(yīng)力分析

根據(jù)該旋風(fēng)分離器幾何結(jié)構(gòu)和工作載荷的對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，分析時(shí)可采用軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，其中筒體的長(zhǎng)度L為1 500 mm，筒體、封頭壁厚分別取計(jì)算壁厚23.3 mm、24.0 mm，上人孔、進(jìn)口接管、出口接管壁厚選取實(shí)測(cè)最小值。分析時(shí)選用SOLID185模擬筒體和封頭等結(jié)構(gòu)，采用映射面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，另外為了保證計(jì)算精度，沿筒體的壁厚方向劃分5層。該旋風(fēng)分離器的應(yīng)力分析模型及網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 1/4模型及網(wǎng)格劃分

圖2 位移及力邊界條件

圖3 工作壓力下的應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖

利用ANSYS的路徑分析功能，在高應(yīng)力區(qū)部位建立如圖4所示的路徑。接著利用ANSYS路徑線性化功能對(duì)路徑下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分類(lèi)。

圖4 應(yīng)力線性化路徑

根據(jù)JB 4732—1995對(duì)各類(lèi)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，工作壓力下各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評(píng)定結(jié)果

5.2 模型Ⅱ應(yīng)力分析

同模型Ⅰ一樣，采用軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，下封頭和下封頭接管的計(jì)算壁厚分別為24.0 mm和9.3 mm，采用映射面劃分網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 下封頭1/4模型及網(wǎng)格劃分

模型Ⅱ位移和力邊界條件的施加，如圖6所示。位移邊界條件包括約束封頭上端面Y方向位移為零(Y方向?yàn)樵O(shè)備筒體軸向方向)和各對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)位移約束；力邊界條件包括下封頭、下封頭接管，下封頭內(nèi)表面施加工作載荷pc為3 MPa,下封頭接管端面施加等效應(yīng)力載荷p下封頭接管為15.9 MPa。然后采用第三強(qiáng)度理論，得到工作壓力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度 SINT云圖(見(jiàn)圖7)。

圖6 位移及力邊界條件

圖7 工作壓力下的應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖

利用ANSYS的路徑分析功能，在高應(yīng)力區(qū)部位建立如圖8所示的路徑。然后對(duì)路徑下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分類(lèi)，依據(jù)JB 4732—1995對(duì)各類(lèi)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表5。

圖8 下封頭及下封頭接管應(yīng)力線性化路徑

表5 各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評(píng)定結(jié)果

從模型Ⅰ和模型Ⅱ的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果可看出該旋風(fēng)分離器在操作壓力不超過(guò)3 MPa，操作溫度不超過(guò)66 ℃的工作條件下滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，可繼續(xù)安全運(yùn)行至2022年7月。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行了宏觀檢查、壁厚測(cè)定、安全附件檢查、超聲檢測(cè)及磁粉檢測(cè)，經(jīng)檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)明顯問(wèn)題。

(2)通過(guò)分析旋風(fēng)分離器的材質(zhì)、操作工況、工作介質(zhì)以及無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果，得出旋風(fēng)分離器的潛在失效模式為凈強(qiáng)度削弱導(dǎo)致的塑性失效。

(3)由于不能對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行取樣，無(wú)法進(jìn)行材料的力學(xué)性能試驗(yàn)，依據(jù)相關(guān)國(guó)標(biāo)，確定了材料的彈性模量、屈服極限、抗拉強(qiáng)度、泊松比及許用應(yīng)力。

(4)采用ANSYS建模進(jìn)行模型的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)價(jià)，結(jié)果可知，旋風(fēng)分離器在當(dāng)前的工況下滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，可繼續(xù)運(yùn)行至2022年7月。

(5)在旋風(fēng)分離器繼續(xù)運(yùn)行期間建議使用單位嚴(yán)格控制運(yùn)行參數(shù)，嚴(yán)禁超溫、超壓運(yùn)行，避免內(nèi)壓力劇烈波動(dòng)。