吸附器外墊板處的應(yīng)力分析及建議

趙合楠（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都610065）

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，以下簡(jiǎn)稱PSA)是對(duì)氣體混合物進(jìn)行提純的工藝過程，該工藝是以多孔性固體物質(zhì)（吸附劑）內(nèi)部表面對(duì)氣體分子的物理吸附為基礎(chǔ)，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(shí)吸附，降壓時(shí)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(shí)現(xiàn)分離。

作為變壓吸附最關(guān)鍵的設(shè)備，吸附器長(zhǎng)期承受疲勞載荷的作用，易在應(yīng)力集中較高的焊縫部位產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著交變載荷的繼續(xù)作用，疲勞裂紋會(huì)在壁厚方向不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)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(shè)計(jì)時(shí)，往往要求盡量降低在焊縫部位集中應(yīng)力，以免降低吸附器的使用壽命。基于目前國內(nèi)吸附器裝置的統(tǒng)計(jì)，絕大多數(shù)處于安全運(yùn)行中，極個(gè)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(yīng)力集中情況，提出針對(duì)E類焊縫的避免應(yīng)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(jì)算及建模

為了說明問題，本文給出以下工程實(shí)例進(jìn)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(zhì)主要為CH4、CO2等，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)壓力為0.88Mpa，水壓試驗(yàn)為1.1Mpa，設(shè)計(jì)溫度為80℃，腐蝕裕量取3.0mm，鋼板負(fù)偏差為0.3mm，焊接接頭系數(shù)為1.0，壓力波動(dòng)循環(huán)次數(shù)為720000次，支撐方式為支承式支座（型號(hào)：B2 標(biāo)準(zhǔn)：NB/T47065.4-2018）。

因，故根據(jù)JB4732-1995（2005 年確認(rèn)）公式(7-1)可得計(jì)算厚度：mm，則筒體的設(shè)計(jì)厚度為mm。考慮腐蝕裕量，負(fù)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的計(jì)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(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸

圖2：網(wǎng)格劃分

1.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

吸附器不同工況下的第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力云圖見圖3～5。

圖3：設(shè)計(jì)載荷工況

圖4：水壓試驗(yàn)載荷工況

圖5：疲勞載荷工況

如圖可見，在設(shè)計(jì)載荷工況下，墊板周圍角焊縫最大應(yīng)力為108.79Mpa，在水壓

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

2 墊板處角焊縫對(duì)疲勞設(shè)備的影響及建議

根據(jù)分析結(jié)果可知，在疲勞載荷工況下遠(yuǎn)離墊板處封頭的薄膜應(yīng)力約為48Mpa 左右，而墊板周圍封頭應(yīng)力值則將近100Mpa，可見墊板周圍結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致應(yīng)力集中的情況發(fā)生。因此此處往往是疲勞設(shè)備裂紋出現(xiàn)的源頭。在實(shí)際工程中，為了避免出現(xiàn)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致的峰值應(yīng)力過大；

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

③對(duì)于個(gè)別小型吸附器而言，無法避開的情況下，可采用增加設(shè)備壁厚，從而降低設(shè)備本體薄膜應(yīng)力的辦法來降低峰值應(yīng)力；

④制造過程中，將所有焊縫打磨圓滑過渡，避免焊縫處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，降低峰值應(yīng)力。