分子篩脫水吸附塔的結構應力與疲勞分析

劉 磊 李明娜 馬秀清 張春貴 李 祺 朱巧家 張 兵

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司；2.機械工業上海藍亞檢測所有限公司）

分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物， 具有規則且直徑大小均勻的微孔結構，能把比微孔結構直徑小的分子吸附到孔腔的內部，并對極性分子和不飽和分子具有優先吸附的能力，因能把不同的極性程度、飽和程度、分子大小和沸點的分子分離開來，即具有“篩分”分子的功能，故稱分子篩［1］。 水是一種強極化分子，由于與分子篩的孔徑相比，水的分子直徑較小，極易被分子篩吸附， 因此分子篩是優良的氣體干燥劑，例如天然氣處理站，天然氣只有在經過脫水設備處理后方可輸往液化設備，脫水是日常工作之一［2，3］。 對露點有較高要求的天然氣的干燥，一般采用分子篩脫水法，因此分子篩脫水裝置在天然氣處理站應用非常廣泛。

分子篩脫水吸附塔是油田天然氣脫水裝置中關鍵的壓力容器單元設備，工作流程為吸附→再生→吸附交替進行的過程，操作溫度和壓力呈周期性變化［4］。 由于現代工業對壓力容器的設計性能要求非常高，為保證設備在滿足性能要求的基礎上更加安全，根據吸附塔的整體模型和操作條件，按照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》中壓力容器的設計規范和標準進行設計［5］，輔以ANSYS有限元分析軟件對分子篩吸附塔建立有限元模型，優化其結構，根據第三強度理論加載求解出模型的應力強度，研究吸附塔的應力分布規律。

1 吸附塔的主要參數

某分子篩脫水吸附塔的介質為濕天然氣，主體材料為Q345R （鋼板厚度負偏差按GB/T 713—2014取0.3mm，材料的泊松比0.3）、管口鍛件材料16Mn，塔體內徑2 200mm，容積31.2m3，設計壓力7.8MPa，設計溫度-20/320℃（該設計溫度時，主體材料的彈性模量為0.201/0.181GPa）， 工作壓力6.9 ～7.2MPa， 工 作 溫 度40 ～290℃， 腐 蝕 裕 量3.0mm， 交變次數為每年334次， 設計使用年限20a。

吸附塔選材的主要性能參數見表1。

表1 吸附塔選材的主要性能參數

在分析計算包括二次應力強度的組合應力強度時，雖應選用工作載荷進行計算，但為使結果偏于安全［6］，均選用設計載荷（壓力7.8MPa、溫度320℃）。在具體的應力計算之前，需先確定吸附塔各部件的壁厚。

吸附塔主要部件的初始壁厚可以按設計壓力pc＝7.8MPa、設計溫度Tc＝320℃，參照JB 4732—1995（2005年確認）規定計算，其中Di為塔體內徑、Ri為封頭內徑。因塔體僅受內壓作用，pc＝7.8MPa＜0.4KSm＝48.24MPa （Sm為設計應力強度；K為載荷組合系數，取值為1.0），故計算得：

根據計算壁厚，綜合考慮設備的結構、疲勞狀況及管口載荷等因素要求， 確定吸附塔塔體、接管和封頭的名義厚度（扣除厚度附加量，表2），用于有限元應力與疲勞分析。

表2 塔器主要受壓部件的壁厚

2 力學模型的建立

根據吸附塔的結構和承載特性，建立整體力學 模 型［7］進 行 分 析， 再 利 用 軟 件ANSYS Workbench17.0［8］進行各工況下的應力分析計算，對人孔和接管結構進行應力分類與評定，最終確定其結構尺寸是否合適。

筆者采用軟件ANSYS Solid186對吸附塔結構進行了網格劃分，形成的有限元模型及網格劃分如圖1所示。

圖1 吸附塔整體結構的有限元模型及網格劃分

3 應力分析及強度評定

有限元分析計算時，分為吸附塔的設計和耐壓試驗兩種工況進行。 強度評定時，應力線性化路徑的選取原則為：通過各部分的應力強度最大受力點沿壁厚最短方向設置應力線性化路徑，對于相對高應力區沿壁厚方向設置線性化路徑［9］。

3.1 設計工況

吸附塔結構在設計工況下的應力分析結果和強度評定路徑如圖2所示。

由圖2 可以看出， 應力強度最大點位于DN250mm進氣管口的鍛件與塔體相交處的內側。各評定路徑相應的應力線性化結果評定通過，強度評定全部合格。

3.2 耐壓試驗工況

吸附塔結構在耐壓試驗工況下的應力分析結果和強度評定路徑如圖3所示。

由圖3可以看出， 上封頭開口結構的應力強度最大點位于接管鍛件與封頭相交處的內側。 各評定路徑相應的應力線性化結果評定通過，強度評定全部合格。

圖2 設計工況結構的應力分析結果和強度評定路徑

圖3 耐壓試驗工況結構的應力分析結果和強度評定路徑

4 疲勞分析

為確定分子篩脫水吸附塔結構承受預計循環載荷而不發生疲勞破壞的能力，需對它進行疲勞分析。 根據設計條件，吸附塔設計使用壽命內預計總循環次數n=334×20=6680， 最高交變溫度290℃，最低交變溫度40℃，工作周期為吸附→再生→吸附交替循環，兩種工況下壓力與溫度交變規律不同：從冷吹（6.9～7.0MPa、30～40℃）→再生（7.0 ～7.1MPa、100℃→200℃→290℃） →吸 附（7.1～7.2MPa、30～40℃），壓力在整個過程中變化很小。

在對吸附塔進行疲勞分析時，溫度計算的邊界條件為塔體封頭內部施加溫度載荷290℃，塔體外表面有保溫層設置傳熱方式為絕熱，保溫層下端距離裙座底部1 800mm。封頭外表、裙座無保溫部分與空氣對流傳熱，系數為10W/（m2·℃）。 由此得到吸附塔的兩個交變工況： 工況1——塔內溫度為40℃，裙座外部最低設計溫度-20℃，塔體、封頭和接管內表面施加內壓pc=6.9MPa，溫度分布和載荷約束如圖4 所示； 工況2——塔內溫度為290℃，裙座外部最低設計溫度-20℃，塔體、封頭和接管內表面施加內壓pc=7.2MPa，溫度分布和載荷約束如圖5所示。分子篩脫水吸附塔工況1、2下的應力分布及 其交變應力幅如圖6所示。

圖4 吸附塔工況1的溫度分布和載荷約束

圖5 吸附塔工況2的溫度分布和載荷約束

圖6 吸附塔工況1、2下的應力分布及其交變應力幅

按JB 4732—1995標準附錄C圖C-1中的彈性模量E＝0.21GPa對交變應力強度幅Salt進行修正，修正后的交變應力強度幅Salt′=Salt×E/E320℃=43.45MPa，查圖C-1對應的曲線和表C-1中的數據得Salt′=43.45MPa時的允許循環次數N＞1.0×106次，說明該吸附塔滿足疲勞壽命的要求。

5 結束語

筆者設計計算了分子篩脫水吸附塔各元件壁厚， 利用ANSYS建立合理的有限元簡化模型，進行應力分析和強度評定，確定了吸附塔整體和局部結構可滿足使用性能和安全運行的條件，既滿足工藝要求并確保整個系統正常運行，同時還能夠降低制造成本。 對分子篩脫水吸附塔進行疲勞分析，結果證明吸附塔滿足疲勞壽命的要求。