疲勞設備保溫支撐圈結構應力分析

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(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

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

1 問題的提出

SH/T 3098標準中推薦了兩種保溫支撐圈結構：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條中介紹的帶有預焊件的保溫支撐圈，此處的預焊件為水平設置結構。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(設計壽命20年)，多臺吸附塔相繼出現裂紋，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。本設備采用的是SH/T 3098《石油化工塔器設計規范》標準中的第一種直接與塔體相焊的保溫支撐圈結構。通過對SH/T 3098標準中推薦的兩種保溫支撐圈結構形式進行有限元分析，得到第一種保溫支撐圈結構在保溫支撐圈缺口區域的應力集中系數達到6，而第二種保溫支撐圈結構在預焊件端部與筒體相焊區域的應力集中系數為2.5。從這兩種結構的應力集中系數可以得出，SH/T 3098《石油化工塔器設計規范》標準中推薦的兩種保溫支撐圈結構可以應用到循環頻次比較低的設備中，但是應用于循環頻次比較高的PSA裝置吸附塔(設計壽命內的總循環次數在30萬到50萬次)時會影響到整臺設備的使用安全，特別是第一種結構(直接與塔體相焊的保溫支撐圈結構)將嚴重縮短設備的疲勞壽命。為此，本文提出一種疲勞設備保溫支撐圈結構(見圖1)，該結構與SH/T3098標準中推薦的第二種保溫支撐圈結構的區別在于預焊件改為水平放置，同時保溫支撐圈的連接形式也發生了改變。

圖1 疲勞設備保溫支撐圈

2 有限元分析

2.1 模型參數

某項目PSA工序中吸附塔參數見表1。

表1 設備參數表

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，利用結構的對稱性，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)，模型結構尺寸見圖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 模型結構尺寸

2.3 單元網格的劃分

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

圖3 模型網格劃分

2.4 邊界條件

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

對稱邊界條件：由于模型為完整結構的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 有限元計算結果分析

所分析結構在操作壓力(P=1.66 MPa(g))作用下的應力強度分布見圖5。計算結果表明，在預焊件上端與筒體連接處的焊縫出現了最大應力，強度值為179.96 MPa(g)，其應力集中系數僅為1.5。比標準SH/T 3098中推薦的兩種保溫支撐圈結構的應力集中系數均小，僅為第一種結構的25%，第二種結構的60%，應力集中系數的降低，可以提高本結構的疲勞設計壽命。

圖5 預焊件附近應力分布云圖

3 強度和疲勞評定

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

疲勞評定按JB4732標準的附錄C進行，對0～1.66 MPa(g)交變內壓作用下的預焊件區域的疲勞壽命進行評定，評定結果見表2。

表2 預焊件局部應力強度和疲勞評定

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

4 結語

有限元計算結果表明，疲勞設備保溫支撐圈結構的最大應力出現在預焊件(支耳板)的上(下)端與筒體之間的焊縫附近，且應力集中系數僅為1.5，比SH/T 3098標準中推薦的兩種保溫支撐圈結構的應力集中系數均??；疲勞設備保溫支撐圈結構的應力強度和疲勞評定均合格，說明建立的疲勞設備保溫支撐圈結構能滿足吸附塔設計要求。

[1]JB 4732—1995，鋼制壓力容器——分析設計標準(2005年確認版)[S].

[2] SH/T 3098—2011，石油化工塔器設計規范[S].