超設(shè)計使用壽命旋風(fēng)分離器的合于使用評價*

宋耀民，張 婧,王曉博，高 振

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；2.中國石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028)

旋風(fēng)分離器是石油化工企業(yè)常用的一種壓力容器，其工作原理是:氣液混合介質(zhì)通過入口管線進(jìn)入分離器，在分離器內(nèi)部做旋流向下傾斜式運(yùn)動，由于介質(zhì)中夾帶的液體速率降低，在離心力的作用下被分離出來聚集在分離器內(nèi)壁上，最后匯集到集水槽中，經(jīng)自動疏水閥排出，分離后的干燥清潔氣體從分離器進(jìn)入出口管線。

壓力容器的設(shè)計壽命不一定等于實際使用壽命，是因為其設(shè)計壽命受很多因素的制約，比如材料力學(xué)性能、金屬腐蝕速率、疲勞及蠕變等。但是當(dāng)容器的運(yùn)行時間超過設(shè)計壽命時，其安全裕度會降低，風(fēng)險等級會提高[1]。因此，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定:達(dá)到設(shè)計使用年限或者未規(guī)定設(shè)計使用年限但使用超20年的壓力容器，如果要繼續(xù)使用，需進(jìn)行定期檢驗，必要時進(jìn)行合于使用評價[2]。

目前，國內(nèi)對帶缺陷壓力容器的合于使用評價方法有很多[3-5]，而對超設(shè)計使用壽命的壓力容器合于使用評價較少。受某企業(yè)委托，2019年7月對一臺超設(shè)計壽命的旋風(fēng)分離器進(jìn)行合于使用評價。

1 旋風(fēng)分離器技術(shù)參數(shù)

該旋風(fēng)分離器于1998年5月投入使用，已累計使用超過20年，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 旋風(fēng)分離器技術(shù)參數(shù)

2 定期檢驗

依據(jù)TSG 21—2016的相關(guān)規(guī)定，對該旋風(fēng)分離器進(jìn)行了外部檢驗，包括宏觀檢查、壁厚測定、安全附件檢查、超聲檢測及磁粉檢測，經(jīng)檢驗未發(fā)現(xiàn)明顯問題。基于該旋風(fēng)分離器服役時間已超設(shè)計使用年限，壁厚測定時除了筒體、封頭部位以外，對一些接管、人孔也進(jìn)行了測厚，測厚部位及數(shù)據(jù)見表2。從表2可知，設(shè)備本體未發(fā)生明顯腐蝕減薄，腐蝕速率為0.1 mm/a。

表2 測厚部位及數(shù)據(jù)

3 潛在失效模式分析

該旋風(fēng)分離器的材質(zhì)為16MnR，在66 ℃的操作溫度下不會發(fā)生蠕變，可排除蠕變失效模式；操作工況穩(wěn)定，可排除疲勞失效模式；工作介質(zhì)為水、天然氣及烴類，經(jīng)無損檢測未發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象，可排除應(yīng)力腐蝕開裂模式。因此，可以判斷旋風(fēng)分離器的潛在失效模式為凈強(qiáng)度削弱導(dǎo)致的塑性失效。

4 材料性能參數(shù)確定

由于該旋風(fēng)分離器在正常使用中，不能對其材質(zhì)進(jìn)行取樣，無法進(jìn)行材料的力學(xué)性能試驗，故該材料的屈服極限、抗拉強(qiáng)度等常規(guī)性能參數(shù)取相關(guān)國標(biāo)中的數(shù)值:彈性模量210 GPa，屈服極限325 MPa，抗拉強(qiáng)度490 MPa，泊松比0.3，許用應(yīng)力163 MPa。

5 合于使用評價

在多向應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度需滿足5個強(qiáng)度準(zhǔn)則。JB 4732—1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ小于KSm,這里K值為1.0,Sm為許用應(yīng)力；一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ小于1.5KSm；一次局部薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ小于1.5KSm；一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ小于3Sm；峰值應(yīng)力強(qiáng)度SⅤ小于交變載荷下的疲勞許用值。16MnR材料在常溫下的許用應(yīng)力為163 MPa。

考慮到該旋風(fēng)分離器的載荷分布和幾何結(jié)構(gòu)特性，并充分利用計算機(jī)資源，對可能由工作載荷引起的高應(yīng)力部位進(jìn)行應(yīng)力分析，具體分兩個模型進(jìn)行。其中模型Ⅰ的分析部位為筒體+上封頭+進(jìn)、出口接管，模型形式為1/4結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模型；模型Ⅱ的分析部位為下封頭+接管，模型形式為1/4結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模型。

5.1 模型Ⅰ應(yīng)力分析

根據(jù)該旋風(fēng)分離器幾何結(jié)構(gòu)和工作載荷的對稱性進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，分析時可采用軸對稱模型進(jìn)行應(yīng)力分析，其中筒體的長度L為1 500 mm，筒體、封頭壁厚分別取計算壁厚23.3 mm、24.0 mm，上人孔、進(jìn)口接管、出口接管壁厚選取實測最小值。分析時選用SOLID185模擬筒體和封頭等結(jié)構(gòu)，采用映射面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，另外為了保證計算精度，沿筒體的壁厚方向劃分5層。該旋風(fēng)分離器的應(yīng)力分析模型及網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 1/4模型及網(wǎng)格劃分

圖2 位移及力邊界條件

圖3 工作壓力下的應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖

利用ANSYS的路徑分析功能，在高應(yīng)力區(qū)部位建立如圖4所示的路徑。接著利用ANSYS路徑線性化功能對路徑下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分類。

圖4 應(yīng)力線性化路徑

根據(jù)JB 4732—1995對各類應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評價，工作壓力下各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評定結(jié)果見表4。

表4 各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評定結(jié)果

5.2 模型Ⅱ應(yīng)力分析

同模型Ⅰ一樣，采用軸對稱模型進(jìn)行應(yīng)力分析，下封頭和下封頭接管的計算壁厚分別為24.0 mm和9.3 mm，采用映射面劃分網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 下封頭1/4模型及網(wǎng)格劃分

模型Ⅱ位移和力邊界條件的施加，如圖6所示。位移邊界條件包括約束封頭上端面Y方向位移為零(Y方向為設(shè)備筒體軸向方向)和各對稱面上施加對稱位移約束；力邊界條件包括下封頭、下封頭接管，下封頭內(nèi)表面施加工作載荷pc為3 MPa,下封頭接管端面施加等效應(yīng)力載荷p下封頭接管為15.9 MPa。然后采用第三強(qiáng)度理論，得到工作壓力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度 SINT云圖(見圖7)。

圖6 位移及力邊界條件

圖7 工作壓力下的應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖

利用ANSYS的路徑分析功能，在高應(yīng)力區(qū)部位建立如圖8所示的路徑。然后對路徑下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分類，依據(jù)JB 4732—1995對各類應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評價，評定結(jié)果見表5。

圖8 下封頭及下封頭接管應(yīng)力線性化路徑

表5 各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評定結(jié)果

從模型Ⅰ和模型Ⅱ的應(yīng)力強(qiáng)度評價結(jié)果可看出該旋風(fēng)分離器在操作壓力不超過3 MPa，操作溫度不超過66 ℃的工作條件下滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，可繼續(xù)安全運(yùn)行至2022年7月。

6 結(jié) 語

(1)對旋風(fēng)分離器進(jìn)行了宏觀檢查、壁厚測定、安全附件檢查、超聲檢測及磁粉檢測，經(jīng)檢驗未發(fā)現(xiàn)明顯問題。

(2)通過分析旋風(fēng)分離器的材質(zhì)、操作工況、工作介質(zhì)以及無損檢測的結(jié)果，得出旋風(fēng)分離器的潛在失效模式為凈強(qiáng)度削弱導(dǎo)致的塑性失效。

(3)由于不能對旋風(fēng)分離器進(jìn)行取樣，無法進(jìn)行材料的力學(xué)性能試驗，依據(jù)相關(guān)國標(biāo)，確定了材料的彈性模量、屈服極限、抗拉強(qiáng)度、泊松比及許用應(yīng)力。

(4)采用ANSYS建模進(jìn)行模型的應(yīng)力強(qiáng)度評價，結(jié)果可知，旋風(fēng)分離器在當(dāng)前的工況下滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，可繼續(xù)運(yùn)行至2022年7月。

(5)在旋風(fēng)分離器繼續(xù)運(yùn)行期間建議使用單位嚴(yán)格控制運(yùn)行參數(shù)，嚴(yán)禁超溫、超壓運(yùn)行，避免內(nèi)壓力劇烈波動。