基于ANSYS的吸附塔設備疲勞分析

丁振興，劉 峰，蘇 健，廖廣純，李 炫，劉坷嘉

(1.廣西上善若水發展有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西北投環保水務集團有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

結構在交變載荷下會產生疲勞破壞，這個問題在壓力容器設備設計中很早就被重視，并且形成了一套完整的疲勞分析系統[1，2]。然而疲勞破壞特別容易發生在塑性變形大的高應變區域，如發生在接管根部等，且破壞時循環次數比較低，因此有必要通過有限元分析技術來找到高應變區，驗證該區域是否滿足疲勞強度要求，如果不符合則需要進行局部補強設計[3]。

吸附塔是用來實現吸附分離操作的設備，在吸附平衡情況下，溫度越低，壓力越高，吸附量越大。反之，溫度越高，壓力越低，則吸附量越小[4，5]，通常采用變溫吸附或變壓吸附兩種循環過程完成吸附與解吸，因此常常在交變載荷工況下工作，故除了需要對吸附塔進行強度和剛度分析，還需要進行疲勞分析，對疲勞強度進行校核[6，7]。

1 吸附塔設備基本參數

圖1為本文研究的吸附塔設備結構簡圖，表1為其中的管口參數。吸附塔最高工作壓力為0.25 MPa，最低工作壓力為-0.1 MPa，最高工作溫度為200 ℃，設備材料為0Cr18Ni9，其彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，物料為乙醇。

表1 吸附塔設備管口參數

圖1 吸附塔設備結構簡圖

吸附塔壓力循環周期為1 200 s，按一年工作360 d計算，使用壽命為15年，載荷循環次數為：

N=(24×3 600/1 200)×360×15=3.888×105次.

吸附塔工作時，主要受到設備自重、物料重量以及運行中的交變載荷，會導致吸附塔產生疲勞應變，這些應變往往集中在設備結構變形及接管處。

2 建立吸附塔設備ANSYS有限元模型并進行分析

因吸附塔受力集中區域在封頭及接管的高應變區，筒體部分受載均勻，所以建立吸附塔設備的ANSYS有限元分析模型時僅建立封頭及部分筒體的模型即可。吸附塔設備三維模型如圖2所示。采用SHELL181單元，通過網格劃分工具進行網格劃分，如圖3所示。

圖2 吸附塔設備三維模型 圖3 吸附塔劃分網格模型 圖4 吸附塔設備載荷施加

模型劃分網格后，需要進行施加載荷，包括內壓與外壓，內壓施加載荷部分程序代碼如下：

!以下定義載荷步、加載并求解

time,1!第一載荷步對應最大工作壓力

cmsel,s,apax1!選擇面組件apax1

sfa,all,1,pres,pax21 !對接管1施加端部平衡面載荷

cmsel,s,apax2 !選擇面組件apax2

sfa,all,1,pres,pax22 !對接管2施加端部平衡面載荷

cmsel,s,apax3 !選擇面組件apax3

sfa,all,1,pres,pax23 !對接管3施加端部平衡面載荷

cmsel,s,acon !選擇面組件acon

sfa,all,1,pres,p2 !施加內壓

外壓施加方法類似，施加內、外壓載荷后的吸附塔設備有限元模型如圖4所示。

加載后進行疲勞分析，疲勞分析部分代碼如下：

FL,1,48630,1.0,1.0,1.0,try!定義疲勞分析參數

SET,1,last !讀入第一載荷數據

FSNODE,48630,1,1 !計算并存儲疲勞分析節點的各應力分量

SET,2,last !讀入第二載荷數據

FSNODE,48630,1,2 !計算并存儲疲勞分析節點的各應力分量

!FE,1,1 !清除以前的疲勞參數與數據

FE,1,3.88e5 !設定事件循環次數

FTCALC,1,48630 !進行疲勞評定

進行疲勞分析得到的吸附塔應力云圖如圖5所示。

圖5 吸附塔應力云圖

由圖5可知，該吸附塔設備最大應力強度幅位于DN600處的人孔與封頭相貫區的內壁，其最大值為218.263 MPa。查標準JB4732-2002提供的0Cr18Ni9疲勞曲線[8]，對應的應力強度幅允許的應力循環次數為Nf>106。由于該吸附塔設備的N

3 結論

采用ANSYS有限元分析軟件對吸附塔設備進行建模，對建立的模型加載模擬分析真實工況下的疲勞強度，找到其最大應力強度幅位置，驗證該處疲勞強度符合設計要求。通過ANSYS有限元分析方法改變了傳統設計采用各種失效準則進行繁瑣計算的方法，減少了設計成本，節約了設計時間，為吸附塔的疲勞分析提供了新思路。