制氫吸附器的過載處理探討

摘 要：制氫吸附器在吸附和解吸循環壓力下，疲勞失效是其主要失效形式，利用ANSYS軟件模擬分析最佳過載壓力值，以及過載處理后的殘余應力和操作時的合成應力大小，并分析探討過載處理對疲勞壽命的影響。

關鍵詞：制氫吸附器;過載處理;殘余應力;疲勞壽命

0 引言

制氫吸附器是制氫裝置變壓吸附技術中的關鍵設備，屬于板焊結構的薄壁塔式壓力容器，見圖1。在正常工作過程中，操作溫度保持約20℃不變，操作壓力隨時間周期性變化，每個周期16min，在正常情況下壓力的變化范圍為0.01～1.30MPa，而在非正常情況下為0.02～1.34MPa。因此，制氫吸附器在吸附和解吸循環壓力作用下，疲勞失效是導致破壞的主要失效形式。

提高壓力容器彈性承載能力比較合理與有效的方法是在筒體使用前使筒體產生預應力。通過加壓處理，使整個筒體的內層屈服，進入塑性階段，而外層仍處在彈性階段，卸壓后在內層產生殘余壓應力（也叫預應力）。筒體工作時，其工作載荷與該殘余應力疊加后降低了筒體的拉應力，即自增強效應，也叫過載處理。從使筒體中的最大應力強度最小這一觀點出發，根據Tresca屈服條件或Mises屈服條件可以推導出比較適宜的過載壓力值。

現以一臺直徑1800mm，筒體高度7200mm，材質SB42（Q245R），設計壓力1.57MPa，設計溫度20℃，筒體壁厚20mm，封頭壁厚22mm，水壓試驗2.08MPa的制氫吸附器，分析通過過載處理降低最大應力強度值從而提高疲勞壽命，為受交變載荷容器的局部過載處理技術提供一個實例參考。

1 建模及加載

吸附器應力危險截面在幾何結構不連續的區域，如封頭與筒體連接焊縫處、殼體與接管鍛件處。經有限元分析，手孔接管鍛件的內側拐角處應力強度最大，是制約吸附器疲勞壽命的瓶頸，只要建立吸附器包含手孔接管的下部分模型就能滿足模擬分析要求。

吸附器實際載荷經過適當合理的簡化，下封頭、裙座及帶手孔的筒節所構成的組合件，其載荷主要有：介質壓力（過載處理為過載壓力），吸附劑側向壓力和重力，設備自重，手孔法蘭連接面施加螺栓載荷和墊片壓緊力，由介質壓力引起的下封頭接管端部軸向力等。地震、風、雪載荷，設備平臺、工藝管線等附件作用力等不予考慮。約束主要有模型縱向截面施加對稱約束和裙座底部截面施加豎向（y向）位移約束。

簡化載荷為五個載荷步，在第一個載荷步施加設計壓力1.57MPa;在第二個載荷步中施加過載壓力，局部產生塑性變形;在第三個載荷步中進行卸載，產生殘余應力;在第四個載荷步中加載最小工作壓力，取非正常工況下0.02MPa;在第五個載荷步中加載最大工作壓力，取非正常工況下的1.34MPa。

利用其結構的幾何對稱性，根據模型的合理簡化，建立180°三維實體有限元模型，再加載載荷及約束，有限元模型如圖2所示。

2 模擬設計最佳過載壓力

以使筒體中的最大應力強度最小這一觀點出發，利用ANSYS模擬設計最佳過載壓力。在手孔補強鍛件與筒體交界的對角線處定義一條應力分類線路徑，假設塑性沿此路徑發展，若在此路徑上獲得最小應力強度值，則對應過載壓力是最適宜的。在1.34MPa操作壓力下，分別取過載壓力2.08（水壓試驗值）、2.13、2.18、2.20、2.23、2.25、2.28、2.33MPa進行數值模擬和分析，統計見圖3。

由圖3可得，過載壓力為2.24MPa時，定義路徑上最大應力強度值最低。在1.34MPa操作壓力下，以2.24MPa為過載壓力進行數值模擬，得最大應力強度值為136.368MPa（最大剪應力理論）或130.367MPa（最大畸變能理論），見圖4。

3 無過載處理下應力情況

吸附器不做過載處理時，以0.02～1.34MPa載荷步設置下，殼體上最大應力強度位于手孔接管鍛件的內側拐角處，其值為186.429MPa（最大剪應力理論）或185.715（最大畸變能理論），見圖5。

4 結論

可見，當實施2.24MPa過載內壓處理后，過載處理使吸附器手孔接管鍛件內拐角處局部屈服，形成局部塑性區，卸載后產生殘余應力。吸附器最大應力強度值由185.715MPa（最大畸變能理論）降低到130.367MPa，應力水平降低了30%左右。如若展開討論，過載處理后局部應力集中處的平均應力和應力幅值均得到明顯的改善，疲勞壽命能提高一倍多。

過載處理技術對于提高壓力容器的彈性承載能力，提高材料的抗疲勞性能，節省材料都有著重要意義。可以看出，過載處理技術的實質就是殘余應力的應用，利用預壓應力來降低操作工況時內壁的拉應力水平，從而提高承載能力。

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作者簡介：

陳杰（1987- ），男，工程師，畢業于中國石油大學（華東）過程裝備與控制工程專業，長期從事壓力容器設計工作。