CTA溶劑交換機(jī)殼體應(yīng)力分析與測量

翟向楠 謝曉玲 趙 旭 張萬堯 郭 雨

（天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司）

CTA溶劑交換技術(shù)是PTA裝置的核心技術(shù)，對PTA技術(shù)發(fā)展具有里程碑式的意義，堪稱PTA行業(yè)技術(shù)革命。該技術(shù)通過將工藝水加入特殊設(shè)計的CTA溶劑交換機(jī)內(nèi)，對含有醋酸的CTA漿料進(jìn)行過濾、洗滌置換為含水的CTA濾餅，經(jīng)過打漿后輸送至精制單元，可將復(fù)雜的PTA氧化單元的過濾、干燥、氣力輸送、儲存流程簡化為溶劑交換單元。CTA溶劑交換技術(shù)可大幅縮短PTA氧化單元工藝流程，降低設(shè)備投資，具有設(shè)備占地面積小、操作方便等優(yōu)點。

天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司（以下簡稱天華院）自主研發(fā)的國內(nèi)首套CTA溶劑交換機(jī)在年產(chǎn)220萬噸PTA裝置中成功投用，一次性開車成功，但是由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)原理和物料特性的特殊性，導(dǎo)致在運(yùn)行過程中進(jìn)料區(qū)域頻繁出現(xiàn)較大的壓力波動（0.3～0.6 MPa），殼體承受每分鐘40次的疲勞載荷沖擊，在運(yùn)行兩個月后殼體外側(cè)筋板出現(xiàn)裂紋。

為解決該問題，筆者根據(jù)壓力波動產(chǎn)生的原因進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過有限元分析軟件和現(xiàn)場應(yīng)力測量相結(jié)合的方式對溶劑交換機(jī)殼體進(jìn)行疲勞分析，確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化后殼體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求，保證溶劑交換機(jī)的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 有限元模擬計算

1.1 模型建立

筆者采用Solidworks三維軟件建模，由于溶劑交換機(jī)殼體為對稱結(jié)構(gòu)，因此只需創(chuàng)建1/2模型。為了簡化計算，建模時忽略了部分對應(yīng)力分析結(jié)果不會產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)（如焊縫、倒角等）。為了便于劃分網(wǎng)格，對建好的模型進(jìn)行切割，再導(dǎo)入有限元分析軟件中劃分網(wǎng)格，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件

位移邊界條件：建立一個參考點和端部法蘭面耦合，限制參考點x、z方向的移動，避免在計算過程中發(fā)生剛性移動。

對稱邊界條件：在殼體對稱面施加對稱邊界條件。

載荷邊界條件：在殼體內(nèi)側(cè)施加壓力載荷及溫度載荷，殼體內(nèi)壁溫度105 ℃，外部與大氣接觸，自然對流。

根據(jù)壓力載荷分布情況，殼體可分為進(jìn)料區(qū)、洗滌區(qū)和卸料區(qū)3部分，各區(qū)域載荷分布見表1。

表1 不同殼體區(qū)域壓力載荷分布

根據(jù)表1所列的壓力載荷分布可以組合出6種計算工況，具體見表2。

表2 6種計算工況下的壓力載荷分布

1.3 位移計算

計算得到6種工況下殼體的位移云圖如圖2所示，在殼體進(jìn)料區(qū)選取一固定點，其徑向位移計算值分別為2.51、2.61、2.15、2.26、1.40、1.51 mm。

圖2 殼體徑向位移云圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后（工況1～4）的位移波動為：

其中，Δd為位移波動，d1為工況1位移，d2為工況2位移，d3為工況3位移，d4為工況4位移。

在溶劑交換機(jī)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場，當(dāng)設(shè)備在工況1～4下運(yùn)行時，采用百分表對有限元分析區(qū)域進(jìn)行打表測量（圖3），得到位移波動為0.40 mm，與有限元計算結(jié)果較為接近，可以證明有限元計算結(jié)果是可靠的。

圖3 溶劑交換機(jī)徑向位移波動測量現(xiàn)場

1.4 應(yīng)力評定

按照設(shè)計工況（設(shè)計壓力0.8 MPa，設(shè)計溫度175 ℃）計算，從圖4可以看出，進(jìn)料區(qū)筋板部位、洗滌區(qū)筒體和筋板部位應(yīng)力最大，其應(yīng)力值已超出材料的許用應(yīng)力 （筋板材料304的許用應(yīng)力為137 MPa，殼體材料2205的許用應(yīng)力為230 MPa），此處強(qiáng)度評定需通過應(yīng)力線性化進(jìn)行處理。

圖4 殼體區(qū)域應(yīng)力校核結(jié)果

分別對圖4中的4處應(yīng)力最大部位沿徑向進(jìn)行應(yīng)力線性化，結(jié)果見表3。

表3 應(yīng)力評定

1.5 疲勞評定

疲勞評定采用ASME標(biāo)準(zhǔn)，首先對設(shè)備原工況進(jìn)行疲勞評定，與現(xiàn)場實際運(yùn)行情況進(jìn)行對照，再對改造后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞評定，作為溶劑交換機(jī)長周期穩(wěn)定運(yùn)行的保證。

第k次循環(huán)下的有效交變當(dāng)量應(yīng)變幅可以表示為：

其中，Salt，k為當(dāng)量應(yīng)力幅；ΔSp，k為有效當(dāng)量應(yīng)力范圍，ΔSp，k=（其中為純拉拉當(dāng)量應(yīng)力，為純壓壓當(dāng)量應(yīng)力）；Kf為疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)（受局部缺口或焊縫的影響），按推薦值取最大值4；Ke，k為疲勞損失系數(shù)，由于本模型中ΔSn，k≤SPS（ΔSn，k為當(dāng)量應(yīng)力范圍，SPS為當(dāng)量應(yīng)力范圍的極限），故Ke，k取1.0。

有效交變應(yīng)力幅溫度修正為：

其中，Sa為修正后的應(yīng)力幅；Salt為有效交變應(yīng)力幅；EFC為用于確定設(shè)計疲勞曲線的彈性模量，預(yù)定彈性模量為195 GPa；ET為平均溫度下被評定材料的彈性模量，304不銹鋼100 ℃下的彈性模量為192 GPa，2205不銹鋼100 ℃下的彈性模量為194 GPa。

溶劑交換機(jī)原工況 （0.3～0.6 MPa的壓力波動）下斷裂位置的疲勞評定如下：

110.25 MPa應(yīng)力幅下的壽命為2.63×106次，折合設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時間為46 d，而實際上設(shè)備運(yùn)行兩個月后才出現(xiàn)開裂，因此計算值是偏保守的，按此進(jìn)行后續(xù)的疲勞評定結(jié)果應(yīng)該是安全的。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的殼體計算點如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的殼體計算點

從表4可以看出，溶劑交換機(jī)經(jīng)過優(yōu)化改造后，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的。

表4 殼體進(jìn)料區(qū)、洗滌區(qū)的壽命預(yù)測MPa

2 現(xiàn)場應(yīng)力測試

為了驗證有限元計算結(jié)果的可靠性，在PTA裝置現(xiàn)場采用應(yīng)變片對改造后正在運(yùn)行的CTA溶劑交換機(jī)殼體進(jìn)行應(yīng)力波動測量。

2.1 測試原理

將電阻應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生變形時，應(yīng)變片隨著構(gòu)件一起變形，應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，并轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值，或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號，用記錄儀記錄下來，再通過數(shù)據(jù)處理，得到所需要的應(yīng)變或應(yīng)力值。

2.2 測試步驟

測試現(xiàn)場如圖6所示。工件表面打磨光滑，丙酮清洗，粘貼應(yīng)變片，錫焊連線，現(xiàn)場調(diào)試。采用兩臺設(shè)備分別測量開裂部位測試點1、2及其附近的測試點3、4，數(shù)據(jù)記錄頻次是每秒100次。

圖6 應(yīng)力測試現(xiàn)場

2.3 結(jié)果分析

測試數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到應(yīng)力波動曲線如圖7所示，測試點3、4的應(yīng)力波動曲線較為紊亂，可能是由于應(yīng)變片的安裝有些問題，周圍干擾較為劇烈，因此取消這兩點，僅分析測試點1、2。

圖7 測試點應(yīng)力波動曲線

從圖7a可以看出，壓力為0.5、0.6 MPa時的應(yīng)力值分別為125、151 MPa，其應(yīng)力波動為26 MPa，有限元計算該點應(yīng)力波動為20.49 MPa。從圖7b可以看出，壓力為0.5、0.6 MPa時的應(yīng)力值分別為115、140 MPa，其應(yīng)力波動為25 MPa，有限元計算該點應(yīng)力波動為19.9 MPa。

應(yīng)力值有限元計算結(jié)果與測量結(jié)果的偏差較大，應(yīng)力波動幅度二者偏差不大。這主要是因為在現(xiàn)場貼應(yīng)變片時，設(shè)備并未降至常溫，產(chǎn)生的熱應(yīng)力和有限元計算的熱應(yīng)力無法比較，同時還受到現(xiàn)場其他環(huán)境因素的干擾，在有限元模擬中也沒有考慮焊接、沖擊載荷等對模型的影響，因此測量得到的應(yīng)力值與有限元計算結(jié)果存在一定的偏差。但是在設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，其應(yīng)力波動范圍應(yīng)該是可靠的，可作為分析疲勞壽命的依據(jù)。在26 MPa應(yīng)力波動范圍內(nèi)，其疲勞壽命為無限壽命。

3 結(jié)束語

有限元計算結(jié)果和現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果均表明，CTA溶劑交換機(jī)在優(yōu)化改造后，其機(jī)械強(qiáng)度完全滿足設(shè)計要求，目前運(yùn)行正常，CTA溶劑交換機(jī)已成功通過了性能驗收考核，各項工藝機(jī)械指標(biāo)達(dá)到甚至優(yōu)于合同要求值，尤其是幾項核心技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備，這標(biāo)志著我國首套CTA溶劑交換機(jī)的自主研發(fā)、制造及工業(yè)化應(yīng)用取得了圓滿成功。目前，該設(shè)備技術(shù)水平已達(dá)到國際先進(jìn)水平，并具備大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用和推廣能力。