曹麗華 曹加勝 王云偉 李 勇

(1. 東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2. 秦山核電有限公司)

基于流固耦合方法的壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)的應(yīng)力分析*

曹麗華**1曹加勝1王云偉2李 勇1

(1. 東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2. 秦山核電有限公司)

以國(guó)內(nèi)某大型煤化工廠合成氣壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)為例，分別采用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析方法和流固耦合方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明：濾網(wǎng)內(nèi)外表面壓差遠(yuǎn)大于管道進(jìn)出口壓差；管道進(jìn)出口壓差超過(guò)安全值是造成濾網(wǎng)損壞的原因；對(duì)沖孔濾網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)采用流固耦合方法計(jì)算應(yīng)力，并采用基于第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行校核。

循環(huán)氣壓縮機(jī) 沖孔濾網(wǎng) 流固耦合 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

由于我國(guó)富煤、貧油、少氣的資源結(jié)構(gòu)，煤制油、煤制醇醚燃料及煤制烯烴等新型煤化工在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，且主要集中在內(nèi)蒙古，而內(nèi)蒙古褐煤產(chǎn)量豐富。粉煤加壓氣化技術(shù)可以充分利用品質(zhì)較差的褐煤，提高碳轉(zhuǎn)化率，降低排污率。但該技術(shù)需抽取氣化工段出口的合成氣，經(jīng)加壓后送回氣化爐冷卻。由于合成氣中存在灰分，容易造成循環(huán)氣壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)堵塞，使設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，因此，對(duì)壓縮機(jī)濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)尤為重要。

循環(huán)氣壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)是由沖孔板卷制而成的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便清理維修，能很好地滿足工藝要求。然而現(xiàn)有的濾網(wǎng)多是設(shè)備廠家根據(jù)工藝條件按照企業(yè)各自的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，力學(xué)性能參數(shù)不夠詳細(xì)，給企業(yè)運(yùn)行帶來(lái)一定影響。尤其是新廠調(diào)試階段，由于工藝操作條件波動(dòng)大，若按設(shè)計(jì)要求就會(huì)造成頻繁停車，使試車工作進(jìn)度緩慢，為了加快進(jìn)度，企業(yè)就會(huì)根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備運(yùn)行狀況，在超出設(shè)計(jì)要求的條件下運(yùn)行。目前已有學(xué)者對(duì)沖孔濾網(wǎng)進(jìn)行了研究，李勇等對(duì)濾網(wǎng)的整流作用進(jìn)行了研究，但沒(méi)有對(duì)濾網(wǎng)的應(yīng)力變化趨勢(shì)進(jìn)行研究[1]；杜躍成利用布孔削弱系數(shù)方法計(jì)算了多孔板厚度[2]；陳惠亮等利用第四強(qiáng)度理論對(duì)多孔平板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，結(jié)果表明第四強(qiáng)度理論偏于安全[3]；徐小龍等根據(jù)JB 4732-1995對(duì)壓力容器大開(kāi)孔進(jìn)行了應(yīng)力分析，但未對(duì)均布小孔進(jìn)行應(yīng)力分析[4～6]。

筆者利用流固耦合方法和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析方法對(duì)沖孔濾網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分別采用第三、第四強(qiáng)度理論對(duì)流固耦合結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力分析評(píng)定，尋找濾網(wǎng)損壞的原因和符合工程應(yīng)用的應(yīng)力分析評(píng)定方法，為沖孔濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)和使用提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1設(shè)計(jì)參數(shù)

某大型煤基烯烴項(xiàng)目氣化工段的循環(huán)氣壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)為：管道內(nèi)徑476mm，濾網(wǎng)入口內(nèi)徑368mm，濾網(wǎng)高479mm，圓孔直排，孔徑6.4mm，正方形布孔間距11.24mm，板厚3mm，濾網(wǎng)入口帶有90°彎頭，直管段長(zhǎng)1 200mm，濾網(wǎng)前后壓差的設(shè)計(jì)報(bào)警值是0.05MPa，設(shè)計(jì)停車值是0.08MPa。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，彎頭前壓力為3.40MPa，流量為3×105Nm3/h。材料選用316L不銹鋼板。

1.2物理模型

筆者采用Solidworks和Gambit對(duì)循環(huán)氣壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)建模。考慮到實(shí)際中鋼板厚度存在負(fù)偏差，取其值為2.7mm，外部管道做薄殼處理。由于存在大量的孔，流域形狀不連續(xù)，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，將計(jì)算域劃分為兩部分，直管段采用四面體網(wǎng)格，彎頭段采用六面體網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)約為261萬(wàn)(圖1)。

圖1 循環(huán)氣壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)模型網(wǎng)格劃分

1.3控制方程和湍流模型

數(shù)值模擬方法是把時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理場(chǎng)用有限個(gè)離散點(diǎn)表示，并建立離散點(diǎn)間的關(guān)系方程，通過(guò)迭代方法求解這些方程的近似解。筆者主要是對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)力分析，不考慮流體、固體的能量傳遞，故只采用連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型，通過(guò)設(shè)置邊界約束條件，當(dāng)方程解的殘差值小于10-5時(shí)，認(rèn)為收斂。

絕熱可壓縮流體的連續(xù)性方程為：

(1)

式中t——時(shí)間，s；

U——速度矢量，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3。

動(dòng)量守恒方程為：

(2)

(3)

(4)

式中Su、Sv、Sω——?jiǎng)恿渴睾惴匠痰膹V義源項(xiàng)；

u、v、ω——速度矢量U在x、y、z方向上的分量，m/s；

μ——?jiǎng)恿φ扯?，Pa·s。

湍流強(qiáng)度I的計(jì)算式為：

I≈0.16(Re)-1/8

(5)

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中，線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程為：

(6)

式中C——阻尼矩陣；

F——節(jié)點(diǎn)所受到的力；

K——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

M——質(zhì)量矩陣；

X——有限元節(jié)點(diǎn)位移；

虛功原理方程為：

δE=δW

(7)

式中E——虛變形能；

W——力F做的虛功。

2 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

利用Fluent軟件對(duì)不同工況下濾網(wǎng)管段內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，圖2為濾網(wǎng)剖面的速度矢量和壓力分布云圖。從圖2可以看出：介質(zhì)流經(jīng)濾網(wǎng)，由于孔的存在，使孔附近的速度和壓力分布變得極不均勻，在濾網(wǎng)內(nèi)外表面處的流速有較大差異；在局部放大圖中，孔處流速最大可達(dá)110m/s；流場(chǎng)的最大壓力在彎頭和濾網(wǎng)內(nèi)表面，最小壓力在濾網(wǎng)外表面。

圖2 濾網(wǎng)剖面的速度矢量和壓力分布云圖

對(duì)進(jìn)出口壓差為0.04～0.10MPa的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出：濾網(wǎng)內(nèi)表面壓力最大值與外表面壓力最小值之差要遠(yuǎn)大于管道進(jìn)出口壓差，且兩者近乎為線性關(guān)系。

表1 濾網(wǎng)內(nèi)外表面壓力計(jì)算結(jié)果 MPa

3 應(yīng)力分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件模擬方法從原來(lái)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析發(fā)展到了流固耦合分析。在壓力容器和管道中，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是將物料壓力看作載荷；而流固耦合分析不但考慮到了物料壓力，還考慮了物料流動(dòng)的影響，能更真實(shí)地反映受力情況。

3.1結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

對(duì)管道進(jìn)出口壓差為0.10MPa的工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，將內(nèi)表面壓力的最大值3.42MPa看作內(nèi)表面載荷，外表面壓力最小值3.20MPa看作外表面載荷，有限元分析結(jié)果如圖3所示。圖中最大應(yīng)力位置與最大變形位置不在同一處，最大應(yīng)力位置靠近濾網(wǎng)底部，而最大變形位置約在1/3高度處；最大應(yīng)力值約為32.35MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求，不需要做進(jìn)一步的應(yīng)力分析。

圖3 采用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析方法時(shí)濾網(wǎng)的等效應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖

3.2流固耦合分析

流固耦合涉及到流體求解和固體求解，考慮了流場(chǎng)的特性，更接近物理現(xiàn)象本身規(guī)律。圖4是管道進(jìn)出口壓差為0.10MPa時(shí)的等效應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖，利用Mechanical自帶工具指出了最大等效應(yīng)力和最大變形位置，從圖4可以看出：最大等效應(yīng)力位置和最大變形位置幾乎在同一處。

圖4 采用流固耦合方法時(shí)濾網(wǎng)的等效應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖

通過(guò)流固耦合方法分析得到的最大等效應(yīng)力值為76.56MPa，已接近許用應(yīng)力77MPa，需做進(jìn)一步的應(yīng)力分析。在實(shí)際使用過(guò)程中，管道進(jìn)出口壓差為0.11MPa時(shí)，壓縮機(jī)振值突然上升，停車檢修發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)破裂，表明結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析方法不適用于沖孔濾網(wǎng)的應(yīng)力分析。圖5為實(shí)際中濾網(wǎng)的破損情況，與圖4對(duì)比可以看出，流固耦合分析的危險(xiǎn)區(qū)域與實(shí)際破損情況一致。

圖5 實(shí)際中濾網(wǎng)的損壞情況

4 應(yīng)力評(píng)定

筆者用Fluent和Static Structural模塊對(duì)管道進(jìn)出口壓差為0.05～0.11MPa的工況分別進(jìn)行流固耦合分析計(jì)算，得到不同工況下最大等效應(yīng)力和最大應(yīng)力強(qiáng)度(表2)。從表2可以看出：當(dāng)管道進(jìn)出口壓差為0.10MPa時(shí)，最大應(yīng)力強(qiáng)度為81.11MPa，大于許用應(yīng)力，需做更為詳細(xì)的應(yīng)力分析。

表2 不同工況下最大等效應(yīng)力和最大應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果 MPa

4.1第三強(qiáng)度理論

我國(guó)應(yīng)力評(píng)定一般是根據(jù)JB 4732-1995進(jìn)行應(yīng)力分析的，其理論基礎(chǔ)是第三強(qiáng)度理論(即最大剪應(yīng)力理論)。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同類型應(yīng)力組合的當(dāng)量應(yīng)力加以不同的條件進(jìn)行限制，筆者正是根據(jù)這些限制條件進(jìn)行評(píng)定分析的。表2中的應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果并不是真正應(yīng)力，其值是第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力之差，不能直接參與應(yīng)力評(píng)定，需將其分解為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的應(yīng)力強(qiáng)度類型，在Mechanical中是通過(guò)線性處理來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分類的。沖孔濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)根據(jù)JB 4732-1995的規(guī)定對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)定。Mechanical分析時(shí)，通過(guò)設(shè)置路徑來(lái)得到線上各點(diǎn)的應(yīng)力各成分值。在最大應(yīng)力強(qiáng)度處設(shè)置路徑1、2(圖6)，對(duì)路徑做線性化處理可以得到薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力加薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力之和。限制峰值應(yīng)力強(qiáng)度是為了防止因周期性載荷引起疲勞破壞，在本例中不考慮疲勞破壞，因此可以忽略峰值應(yīng)力的影響。

圖6 在最大應(yīng)力強(qiáng)度處設(shè)置路徑

圖7為管道進(jìn)出口壓差為0.10MPa時(shí)，最大應(yīng)力強(qiáng)度處的線性化處理結(jié)果，一次局部薄膜應(yīng)力SⅡ?yàn)?2.00MPa。從圖7可以看出：彎曲應(yīng)力以濾網(wǎng)中心面為界呈線性變化，屬于一次彎曲應(yīng)力。根據(jù)一次總體薄膜應(yīng)力定義和圖3a，可得SⅠ≤32.35MPa。JB 4732-1995中對(duì)許用應(yīng)力極限的規(guī)定是：一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ的許用極限為KSm；一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ的許用極限為1.5KSm；一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ的許用極限為1.5KSm，其中，K為載荷組合系數(shù)。筆者只涉及到物料引起的載荷，無(wú)二次應(yīng)力，故取K=1。316L材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力強(qiáng)度Sm在230℃時(shí)為77.00MPa，1.5Sm=115.50MPa，SⅠ<77.00MPa；SⅡ<115.50MPa；SⅢ<115.50MPa。因此，濾網(wǎng)在管道進(jìn)出口壓差為0.10MPa的工況下，強(qiáng)度滿足要求。

圖7 最大應(yīng)力強(qiáng)度處的線性化處理結(jié)果

對(duì)管道出口壓差為0.09、0.10、0.11MPa 3個(gè)工況下最大應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行線性化處理，結(jié)果見(jiàn)表3。3個(gè)工況下的一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力最大值SⅢ均小于1.5Sm，滿足強(qiáng)度要求。

表3 不同工況下最大應(yīng)力強(qiáng)度線性化處理結(jié)果 MPa

4.2第四強(qiáng)度理論

另一種評(píng)定方法是根據(jù)ASME VIII-2規(guī)則，其理論基礎(chǔ)是第四強(qiáng)度理論。第四強(qiáng)度理論又稱為畸變能理論、莫爾強(qiáng)度理論或形狀改變比能理論，其表述是材料發(fā)生屈服是畸變能密度引起的。Mechanical中計(jì)算得出的等效應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算出的當(dāng)量應(yīng)力。其評(píng)定準(zhǔn)則可以概括為[7,8]：

(8)

式中σ1、σ2、σ3——x、y、z方向上的主應(yīng)力；

[σ]——材料的許用應(yīng)力。

不等號(hào)左側(cè)為形狀改變能，右側(cè)為形狀改變能的簡(jiǎn)化值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果(表2)，當(dāng)進(jìn)出口壓差為0.10MPa時(shí)，最大等效應(yīng)力值為76.56MPa≈[σ]，達(dá)到強(qiáng)度極限；而當(dāng)壓差大于0.10MPa時(shí)，等效應(yīng)力值均大于許用應(yīng)力，不滿足強(qiáng)度要求。

由上述分析可知：管道進(jìn)出口壓差為0.10MPa時(shí)，根據(jù)第三強(qiáng)度理論分析的結(jié)果，此濾網(wǎng)滿足強(qiáng)度要求；而根據(jù)第四強(qiáng)度理論分析的結(jié)果，此濾網(wǎng)可能損壞。在實(shí)際使用過(guò)程中，在管道進(jìn)出口壓差為0.11MPa時(shí)，壓縮機(jī)振值突然上升，停車檢修發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)破裂，說(shuō)明在對(duì)沖孔濾網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，第四強(qiáng)度理論更可靠。

5 結(jié)論

5.1在對(duì)沖孔濾網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)采用流固耦合方法，并根據(jù)第四強(qiáng)度理論進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。

5.2此規(guī)格濾網(wǎng)的安全使用范圍是管道進(jìn)出口壓差為0.00～0.09MPa，超出后會(huì)造成濾網(wǎng)損壞。管道進(jìn)出口壓差超過(guò)安全值是造成濾網(wǎng)損壞的原因，此濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案雖然滿足強(qiáng)度要求，但安全裕量較小。

5.3現(xiàn)場(chǎng)中濾網(wǎng)前后測(cè)點(diǎn)壓差并不是濾網(wǎng)內(nèi)外表面的真正壓差，要比真正壓差小得多，且隨管道進(jìn)出壓差成線性變化。在工程實(shí)際過(guò)程中，不能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輕易更改工藝設(shè)備參數(shù)，要理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，否則就會(huì)造成事故。

[1] 李勇，李立言，曹麗華，等．凝汽器循環(huán)水二次濾網(wǎng)整流特性的數(shù)值模擬[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(z)：137～143.

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[6] 巢建偉，張晶，許進(jìn)文.不銹鋼反應(yīng)釜頂蓋開(kāi)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析[J].壓力容器，2008，25(1)：28～33.

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StressAnalysesofInletStrainerforCompressorBasedonFluid-SolidCouplingMethod

CAO Li-hua1, CAO Jia-sheng1, WANG Yun-wei2, LI Yong1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.QinshanNuclearPowerCo.,Ltd.,Haiyan314300,China)

Taking inlet strainer of the syngas compressor in a coal chemical plant as an example, both fluid-solid coupling method and structural static analysis method were adopted to analyze the inlet strainer, respectively. The results show the differential pressure which exceeding safety value between the pipeline’s inlet and outlet can cause strainer damage; and the fluid-solid coupling method has to be employed to analyze the stress of perforated strainer, including to check it with the strength criterion based on the fourth strength theory.

recycle gas compressor, perforated strainer, fluid-solid coupling, structural static analysis

*吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(20140204040SF)。

**曹麗華，女，1973年10月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0234-06

2014-05-20，

2015-03-10)

浙江豐利新一代超細(xì)纖維粉碎機(jī)出口日本

日前，國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)、中國(guó)纖維素行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員單位浙江豐利粉碎設(shè)備有限公司研發(fā)生產(chǎn)的國(guó)家專利產(chǎn)品，新一代高速旋轉(zhuǎn)剪切式超細(xì)粉碎設(shè)備——CXJ超細(xì)纖維粉碎機(jī)出口日本，用于加工再生紙。據(jù)悉，這是中國(guó)首臺(tái)纖維粉碎設(shè)備落戶日本。

早在十多年前，享有“中國(guó)粉碎機(jī)專家”美稱的浙江豐利公司在引進(jìn)德國(guó)HOBER超微粉體先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，吸收消化再創(chuàng)新，研發(fā)出新一代超細(xì)纖維粉碎機(jī)，列入了浙江省科研項(xiàng)目，通過(guò)了專家驗(yàn)收，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超細(xì)纖維粉碎設(shè)備的空白，其技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)纖維素粉體行業(yè)提供了理想的超細(xì)粉碎設(shè)備；有效解決了纖維性物料批量化超細(xì)粉碎的難題，破解了市售設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難，且產(chǎn)量低、能耗大、溫升高、粉碎細(xì)度差、刀具不易更換、加料裝置不易拆裝等種種難題。

該機(jī)現(xiàn)已成功地替代進(jìn)口設(shè)備，應(yīng)用于山東、安徽、浙江、河北等國(guó)內(nèi)多家精制棉生產(chǎn)廠家，價(jià)格僅為進(jìn)口設(shè)備的1/3～1/5；能耗是國(guó)內(nèi)同類機(jī)型的50%～70%。(吳紅富)

(浙江豐利熱線：0575-83105888、83100888、83185888、83183618； 網(wǎng)址：www.zjfengli.com)