李小波，李福送，張紅光

（深圳壽力亞洲實(shí)業(yè)有限公司，廣東深圳518068）

油氣分離器罐低溫環(huán)境下應(yīng)力分析

李小波，李福送，張紅光

（深圳壽力亞洲實(shí)業(yè)有限公司，廣東深圳518068）

目前市場上的大部分油氣分離器罐設(shè)計溫度范圍是-20～150℃，有少部分油氣分離器罐在寒冷地區(qū)使用，其環(huán)境溫度已經(jīng)低于設(shè)計溫度。利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模擬實(shí)際工況，系統(tǒng)的論證分析常規(guī)油氣分離器罐不必按照低溫壓力容器去選型設(shè)計。當(dāng)殼體或受壓元件使用在“低溫低應(yīng)力工況”下，若其設(shè)計溫度加50℃后高于-20℃時，不必遵循低溫壓力容器規(guī)定。這樣可以大大降低壓力容器的使用環(huán)境溫度，提高整個空壓機(jī)產(chǎn)品的使用范圍。

低溫應(yīng)力；油氣分離器罐；焊縫應(yīng)力；ANSYS

1 引言

目前，石油、礦山機(jī)械廣泛使用的壓縮機(jī)是移動式噴油螺桿空壓機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是供氣平穩(wěn)、耐候性強(qiáng)、使用方便。移動式噴油螺桿空壓機(jī)工作機(jī)理是：通過壓縮機(jī)主機(jī)將氣體壓縮至油氣分離器罐，然后油氣分離器罐將油氣分離，分離出的油則進(jìn)油冷卻器冷卻后回到壓縮機(jī)主機(jī)反復(fù)使用，分離出來的氣體則對外供客戶使用。那么一款好的油氣分離器罐是整個移動式噴油螺桿壓縮機(jī)的關(guān)鍵零件。礦山工地、石油基地的環(huán)境溫度變化較大，尤其是冬天的時候，溫度較低，環(huán)境溫度低于-20℃，更需要耐候性較好的油氣分離器罐。

本文通過Ansys有限元分析油氣分離器罐在低溫環(huán)境應(yīng)力，結(jié)合空壓機(jī)的實(shí)際使用時的情況，讓油氣分離器罐在低于-20℃的環(huán)境溫度下，還能很好的使用。

2 油氣分離器罐的應(yīng)力分析

“低溫低應(yīng)力工況”是指殼體或受壓元件的設(shè)計溫度雖然低于或等于-20℃，但其環(huán)向應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點(diǎn)的1/6，且不大于50 MPa時的工況。一般空壓機(jī)在低溫開機(jī)時有較長時間的低壓暖機(jī)，怠速暖機(jī)的壓力為30PS（0.207 MPa），當(dāng)環(huán)境溫度為-26℃時，暖機(jī)時間設(shè)定為35 min。環(huán)境溫度為-30℃，進(jìn)行油氣分離器罐的應(yīng)力分析，按照怠速暖機(jī)壓力0.207 MPa，環(huán)境溫度為-30℃，進(jìn)行油氣分離器罐的應(yīng)力分析，結(jié)果如圖1：

圖1 怠速暖機(jī)油氣分離器應(yīng)力

從分析結(jié)果可知，罐子環(huán)向應(yīng)力最大為5.5 MPa遠(yuǎn)低與50 MPa，更低于屈服應(yīng)力的1/6（油氣分離器罐材料為Q345R，屈服應(yīng)力為345，345/6= 57.5 MPa），因此該容器不屬于低溫壓力容器范疇，設(shè)計合理。

3 焊縫應(yīng)力分析

根據(jù)油氣分離器罐的實(shí)際結(jié)構(gòu)，進(jìn)行簡化建模，運(yùn)用Ansys有限元的Steady-state Thermal和Static Structure模塊對環(huán)境溫度、焊縫高度與焊縫應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行聯(lián)合仿真。

具體數(shù)值見表1、2：

表1 罐內(nèi)壓力為500psi時焊縫應(yīng)力

表2 罐內(nèi)壓力為350psi時焊縫應(yīng)力

從上面仿真及傳熱學(xué)計算結(jié)果可以看出：

（1）當(dāng)內(nèi)外壁面溫差大（外壁-30℃、內(nèi)壁：130℃）時焊縫應(yīng)力最大，而且已經(jīng)超出了材料的許用應(yīng)力；

（2）焊縫高度對焊縫應(yīng)力有直接影響，當(dāng)焊縫高度減少時，應(yīng)力增大；

（3）從穩(wěn)態(tài)對流傳熱學(xué)計算的結(jié)果來看，外壁-30℃、內(nèi)壁130℃的情況幾乎不可能出現(xiàn)，該組仿真數(shù)據(jù)只具有趨勢分析的參考性，不具備實(shí)際工程的應(yīng)用性；

（4）外壁面-30℃、內(nèi)壁面-20℃時焊縫應(yīng)力雖然最小，但是此時材料的脆性大，許用應(yīng)力應(yīng)該會減小。

當(dāng)環(huán)境溫度為-30℃時，根據(jù)該壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)的排氣溫度為110～120℃，此時穩(wěn)態(tài)對流傳熱學(xué)計算得出此時內(nèi)壁面溫度為115℃、外壁面為110℃（焊縫高度為6 mm，氣體壓力為500 psi）。

圖2

4 壓力容器外部溫度仿真

運(yùn)用該組內(nèi)外壁面溫度進(jìn)行仿真得出焊縫應(yīng)力如下：A=111.8MPa、B=107.25 MPa

仿真過程如圖2（a）；網(wǎng)格劃分如圖2（b）；溫度場分析如圖3；將溫度場作為輸入條件進(jìn)行靜力分析結(jié)果如圖4。

圖3

圖4

5 罐內(nèi)隔板厚度對焊縫的影響

Ansys仿真過程中發(fā)現(xiàn)，油氣分離罐內(nèi)部隔板強(qiáng)度偏弱，變形量偏大如圖5：

圖5是2焊縫處的形變量，A焊縫處為0.6 mm、 B焊縫處為0.7 mm。（工況為：壓力350 psi，隔板厚度6 mm，焊縫厚度6 mm，油氣分離器內(nèi)氣體溫度為115℃）

圖5

6 結(jié)語

以上利用ANSYS有限元分析技術(shù)，對移動式噴油螺桿壓縮機(jī)的油氣分離器罐，在低溫環(huán)境時各個點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，得到比較真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)理論數(shù)據(jù)。這些分析數(shù)據(jù)可以作為油氣分離器罐在設(shè)計時的重要參考，特別是空壓機(jī)在低溫環(huán)境下使用時，為整個油路系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

大部分低溫環(huán)境下使用的移動式噴油螺桿壓縮機(jī)，在選型油氣分離器罐時，若使用環(huán)境溫度低于-20℃，可以根據(jù)壓縮機(jī)的實(shí)際使用情況來看，大部分是不必選型低溫壓力容器，從而有效降低了整機(jī)的設(shè)計成本，提高了整機(jī)產(chǎn)品的有效應(yīng)用范圍。

［1］GB150-1998，鋼制壓力容器［S］.

［2］TSGR0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.

［3］JB/T4746-2002，鋼制壓力容器用封頭［S］.

［4］JB/T4736-2002，補(bǔ)強(qiáng)圈［S］.

［5］JB/T4730.1～4730.6-2005，承壓設(shè)備無損檢測［S］.

［6］HG/T 20668-2000，化工設(shè)備設(shè)計文件編制［S］.

［7］JB 4708-2000，鋼制壓力容器焊接工藝評定［S］.

［8］JB/T4709-2000，鋼制壓力容器焊接規(guī)程［S］.

Stress Analysis of Oil and Gas Separator Tank under Low Temperature Environment

LI Xiao-bo，LI Fu-song，ZHANG Hong-guang
（Shenzhen Sullair Asia Ind.Co.，Ltd.，Shenzhen 518068，China）

Currently the design temperature range is-20℃ to 150℃ for most of oil and gas separator tank on market.The environment temperature is lower than the design temperature for a small part of this separator tank used in the cold area.In this paper，ANSYS finite element analysis software is used to simulate the actual condition，which systematically analyzes and verifies the common pressure vessel systems do not need to design according to the low temperature pressure vessel.When the shell or pressurized components used in the〝low temperature and low stress condition〝，if the design temperature higher than-20℃ after adding 50℃，it does not have to follow the low temperature pressure vessel regulations.So that it can greatly reduce the pressure vessel environment temperature，and then improve the use range of the whole of air compressor products.

low temperature stress；oil and gas separator tank；weld stress；ANSYS

O242.21 TE931+.1

:B

1006-2971（2014）06-0049-03

2014-06-18