過濾分離器管板設(shè)計與有限元分析

孫卓瑞

（中油管道機械制造有限責任公司，河北 廊坊 065000）

過濾分離器是天然氣輸氣管道站場、天然氣集輸站場、天然氣凈化處理廠中用于氣體凈化的關(guān)鍵設(shè)備，其管板組件由管板、過渡管等組成，起隔離腔室、承受壓差、支撐濾芯及阻擋氣體沖刷的作用。管板與筒體相連接，工作中受力狀況復(fù)雜，必須對其進行強度校核、變形評定以保證安全可靠。目前國內(nèi)外尚未形成完整的過濾分離器管板設(shè)計計算規(guī)則，結(jié)構(gòu)設(shè)計多參考相關(guān)平蓋封頭和熱交換器管板。但實際上過濾分離器管板受力狀況與上述二者存在一定差距，計算得出的結(jié)構(gòu)尺寸往往偏保守，造成材料浪費、焊接工作量大以及薄筒體變形不協(xié)調(diào)局部應(yīng)力過大等問題。而采用已有的工程生產(chǎn)經(jīng)驗進行減薄優(yōu)化，又缺少必要的有限元分析，存在一定的安全隱患。文中以某工程用DN1 300 mm過濾分離器管板設(shè)計為例，采用正常工況下參照規(guī)范設(shè)計和極限工況下有限元數(shù)值模擬分析驗證相結(jié)合的方法，對其進行設(shè)計與分析［1-8］，提供了一種解決過濾分離器管板設(shè)計難題的方法，驗證了設(shè)計的安全性和合理性。

1 過濾分離器管板結(jié)構(gòu)常規(guī)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)形式

DN1 300 mm過濾分離器管板操作介質(zhì)為凈化天然氣，設(shè)計溫度80℃，設(shè)計壓力10 MPa，濾芯正常壓差0.1 MPa、極限壓差0.65 MPa，筒體腐蝕裕量2 mm。圓形管板材質(zhì)16MnDR、過渡管材質(zhì)16Mn，16MnDR的許用應(yīng)力為170 MPa、彈性模量203 000 MPa，16Mn許用應(yīng)力181 MPa、彈性模量203 000 MPa［9-12］。

管板組件由布滿圓孔的圓形管板和多個插入圓孔的過渡管焊接而成，圓形管板焊接至筒體內(nèi)壁，形成氣體過濾前后的2個腔室。過渡管用于安裝濾芯及其組件，管板組件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 過濾分離器管板組件結(jié)構(gòu)形式

1.2 受力分析

管板組件受力見圖2。管板主要承受濾芯堵塞后形成的側(cè)向壓差p、過渡管組件重力G，過渡管外表面承受壓差p、端部承受濾芯組件的重力g及其引起的彎矩W。

圖2 過濾分離器管板組件受力示圖

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

參照GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》［13］或 ASME Ⅷ-Ⅰ—2019《壓力容器建造規(guī)范》［14］中的平蓋公式計算該過濾分離器管板厚度。由于管板開孔條件不滿足GB 150.3—2011中的相關(guān)要求，無法按照GB 150.3—2011進行計算，故按照ASME Ⅷ-Ⅰ—2019，取正常壓差來計算管板厚度：

式中，t為平蓋的計算厚度，d為平蓋直徑，mm；C為系數(shù)；p1為計算壓力，Sm為許用應(yīng)力，MPa；E 為焊接接頭系數(shù)。

管板開孔按ASME Ⅷ-Ⅰ—2019中UG39的相關(guān)規(guī)定進行補強，取C=0.5。將計算厚度t乘以系數(shù)h，確定管板的最終設(shè)計厚度。系數(shù)h的計算公式為：

式中，e為開口削弱系數(shù)；d平均為相鄰開口的平均直徑，P為兩相鄰開孔的中心距，mm。

將 d=1 300 mm、C=0.5、p1=0.1 MPa、E=1、Sm=170 MPa、e=390、d平均=9 mm、P=130 mm 代入式（1）～式（3），得到管板厚度為 22.3 mm。

根據(jù)GB 150.3—2011中的外徑公式計算過渡管壁厚，最終確定過渡管壁厚為5 mm。參照GB 151—2014《熱交換器》［15］中的布管方式，以三角形排列過渡管。結(jié)合相關(guān)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗設(shè)計的過濾分離器管板組件結(jié)構(gòu)尺寸見圖3。

圖3 過濾分離器管板組件結(jié)構(gòu)尺寸

2 極限壓差下過濾分離器管板結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型

采用三維實體模型建立管板有限元模型。因管板模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，故取1/2模型進行計算。為保證計算精度，在各焊縫處對管板網(wǎng)格進行了細化（圖4）。結(jié)合施工項目要求，設(shè)定濾芯壓差達到極限壓差0.65 MPa，且壓差均勻分布在管板和各過渡管外表面。過渡管端面承受等效壓力2.42 MPa，過渡管端面濾芯及部分過渡管承受等效力170 N、等效力矩180 200 N·mm。筒體的一個端面為固定約束面，另一個端面承受等效壓力68.24 MPa，管板兩側(cè)筒體內(nèi)表面承受壓力分別為10 MPa、9.35 MPa。過濾分離器管板模型受力及約束情況見圖5。

圖4 過濾分離器管板模型有限元網(wǎng)格劃分

圖5 過濾分離器管板模型受力及約束情況

2.2 分析結(jié)果

有限元分析得到的過濾分離器管板模型應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 過濾分離器管板模型應(yīng)力云圖

圖6結(jié)果顯示，最大應(yīng)力發(fā)生在管板中心區(qū)域過渡管與管板的焊縫處，最高值為562.23 MPa。參照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準（2005 確認）》［16］規(guī)定的方法對各危險截面（圖7）進行應(yīng)力評定，結(jié)果見表 1。表1中SⅡ為一次局部薄膜應(yīng)力，SⅣ為一次應(yīng)力加二次應(yīng)力，SⅢ為一次局部薄膜應(yīng)力加二次應(yīng)力。從表1可知，中心區(qū)域的管板與過渡管焊縫處和過渡管厚度方向的應(yīng)力較大，逼近許用應(yīng)力，其它各處應(yīng)力較低，不足許用應(yīng)力的50%。各截面應(yīng)力評定結(jié)果滿足JB 4732—1995中的要求。

表1 0.65 MPa極限壓差工況下過濾分離器管板危險截面應(yīng)力評定結(jié)果

圖7 過濾分離器管板模型危險截面位置

有限元模擬分析得到的過濾分離器管板模型變形云圖見圖8。圖8顯示，管板承受極限壓差后，以管板圓心為中心整體向出氣方向凸出，呈弓字形變形，過渡管末端向筒體中心聚攏變形，管板中心變形最大（3.58 mm），滿足施工項目中設(shè)備管板最小成型厚度要求。

圖8 過濾分離器管板模型變形云圖

3 結(jié)語

對過濾分離器管板按常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并結(jié)合有限元分析計算的方法加以驗證，證明設(shè)計出的管板結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理，滿足相關(guān)規(guī)范和工程使用要求，為過濾分離器管板設(shè)計提供了一種可行的設(shè)計計算方法。