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        基于有限元法的甲醇回收精餾塔強(qiáng)度計(jì)算及安全評(píng)價(jià)

        2018-02-26 08:24:02張益銘
        石油工程建設(shè) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:塔式塔身精餾塔

        張益銘

        中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,陜西西安 710077

        在天然氣的開(kāi)采過(guò)程中,氣藏壓力使地層水滲入,而一般采用的排水采氣工藝也會(huì)產(chǎn)生氣田水。為防止形成水合物堵塞氣井,通常需要注入大量的甲醇來(lái)抑制天然氣水合物的形成。甲醇注入分為井口注醇和站內(nèi)注醇兩種工藝,甲醇在注入管道后在集氣站伴隨天然氣脫水,從而產(chǎn)生氣田含甲醇污水[1]。為了保護(hù)環(huán)境、降低開(kāi)采成本、提高經(jīng)濟(jì)效益,必須回收并循環(huán)利用含醇污水中的甲醇。目前,各大油氣田一般采用基于化學(xué)預(yù)處理——常壓精餾工藝的甲醇回收系統(tǒng)[2]。在鄂爾多斯盆地,2010年以前就已建成11處天然氣污水處理場(chǎng),共有15套含醇污水處理裝置,總處理污水能力約50萬(wàn)m3/a,其中實(shí)際處理污水約30萬(wàn)m3/a,回收甲醇約8.0萬(wàn)t/a[3]。

        含醇污水的水質(zhì)特點(diǎn)是礦物質(zhì)、懸浮物、油分和機(jī)械雜質(zhì)含量較高,pH值較低[2]。主要是由于在天然氣開(kāi)采過(guò)程中定期注入成分復(fù)雜的緩蝕劑和甲醇,污水吸收了天然氣中的H2S和CO2等使之成為易結(jié)垢、腐蝕性強(qiáng)的復(fù)雜污水體系[4-6]。因此,在回收甲醇的同時(shí),含醇污水也會(huì)對(duì)精餾塔等設(shè)備產(chǎn)生很強(qiáng)的腐蝕[7]。隨著壁厚腐蝕,設(shè)備不可避免地會(huì)發(fā)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、應(yīng)力改變。Adib-Ramezani[8]研究了腐蝕缺陷形式對(duì)管道承受的極限壓力及應(yīng)力集中的影響,認(rèn)為應(yīng)力一般集中在鈍化缺口,而軸向缺陷和徑向缺陷將導(dǎo)致高度的應(yīng)力集中,且隨著缺陷深度的增加,管道的剩余強(qiáng)度將加速減小??紤]到管道實(shí)際工作環(huán)境中的載荷、彎矩及腐蝕缺陷情況的影響,可依據(jù)API 579或有限元等方法進(jìn)行分析[9]。為了評(píng)價(jià)精餾塔在使用過(guò)程中的應(yīng)力狀況,本文采用有限元法[10]對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算,得出各部分的應(yīng)力數(shù)值;同時(shí)綜合考慮塔身材料及腐蝕速率等情況,探討精餾塔的服役現(xiàn)狀及剩余壽命。

        1 精餾塔的有限元模型

        1.1 模型結(jié)構(gòu)

        由于某典型精餾塔(見(jiàn)圖1)本身構(gòu)造較為復(fù)雜,將塔身依不同壁厚分為三段,采用Pro/E軟件分別建立三維計(jì)算模型,模型中省略了對(duì)整體強(qiáng)度影響較小的保溫層和人孔等部件,同時(shí)將整體重力通過(guò)換算附加到模型材料的密度值上。通常情況下,建模的形式有全尺寸對(duì)稱模型、1/2模型以及1/4模型等[11],精餾塔為對(duì)稱結(jié)構(gòu),因而建立1/2模型即可,如圖2所示。

        圖1 精餾塔

        圖2 計(jì)算模型示意

        1.2 網(wǎng)格劃分

        計(jì)算采用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS Workbench Environment(AWE) 12.0,采用20節(jié)點(diǎn)的186單元對(duì)有限元實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并采用sweep命令,得到較為理想的六面體網(wǎng)格,如圖3所示。劃分的網(wǎng)格單元總數(shù)為37 596,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為201 332。

        圖3 精餾塔網(wǎng)格劃分示意

        2 載荷加載及約束條件

        塔身材料為Q245R鋼,材料參數(shù)為:彈性模量E=2×105MPa,泊松比μ=0.3,材料密度為ρ=7.85×10-9t/mm3。

        考慮精餾塔內(nèi)部介質(zhì)及附屬部件的影響,塔的總質(zhì)量為10.95 t,將總質(zhì)量通過(guò)換算全部附加到塔身上,則整體的密度為ρ1=9.35×10-9t/mm3。

        為探討塔的應(yīng)力分布,模型采用精餾塔初始階段的實(shí)測(cè)壁厚,即19、13、11 mm。

        2.1 地震載荷的計(jì)算

        結(jié)構(gòu)的固有震動(dòng)參數(shù)是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),因此要計(jì)算風(fēng)載荷和地震載荷,首先要計(jì)算精餾塔結(jié)構(gòu)的固有頻率。

        精餾塔為變徑的塔式容器,根據(jù)直徑的變化分為三級(jí),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,采用等直徑、等壁厚塔式容器來(lái)估算其振動(dòng)特性。塔身的厚度取各段塔身厚度在高度方向的加權(quán)平均值,根據(jù)SH/T3001-2005《石油化工設(shè)備抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[12],等直徑、等壁厚的塔式容器,基本自振周期T1(單位:s):

        式中:H為塔式容器的總高,取29 250 mm;m0為塔式容器的操作質(zhì)量,取10 950 kg;Et為容器殼體的彈性模量,取2×105MPa;t為塔式容器殼體的加權(quán)壁厚,取15.44 mm;D1為塔式容器內(nèi)徑,取800 mm。以上數(shù)據(jù)代入公式(1),求得T1為1.17 s。

        精餾塔是直立設(shè)備,可以看成是固定在地面上的懸臂梁結(jié)構(gòu),當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),地面的震動(dòng)可以近似分為水平加速度和豎直加速度,地震的水平加速度給塔身施加水平載荷,使設(shè)備產(chǎn)生很大的附加彎矩,豎直加速度則疊加在原有的重力加速度之上,使設(shè)備產(chǎn)生超重效應(yīng)。根據(jù)SH/T 3001-2005,按照抗震設(shè)防烈度8,取水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.16。

        由精餾塔自振周期T1=1.17 s,按照SH/T 3001-2005可以求得水平地震影響系數(shù)為:

        式中:T9為特征周期,s,根據(jù)場(chǎng)地類別按照SH/T 3001-2005,取0.4。

        豎向地震影響系數(shù)最大值為:

        2.2 風(fēng)載荷的計(jì)算

        精餾塔在使用過(guò)程中經(jīng)受一定速度的風(fēng)吹繞過(guò)設(shè)備,會(huì)在設(shè)備上形成相應(yīng)的水平作用力,使設(shè)備受到彎矩作用,所以有必要對(duì)精餾塔身的風(fēng)載荷進(jìn)行數(shù)值模擬。

        根據(jù)JB/T4710-2005《鋼制塔式容器》[13]順風(fēng)向水平風(fēng)力P1(單位:N):式中:K1為體型系數(shù),取0.7;K21為塔式容器各計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù),當(dāng)容器高H≥20 m時(shí),取2.57;q0為基本風(fēng)壓值,根據(jù)GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》[14],內(nèi)蒙古鄂爾多斯烏審旗地區(qū)50年一遇的風(fēng)壓值為550 N/m2;f1為風(fēng)壓高度變化系數(shù),當(dāng)器式容器高度為29.25 m、地面粗糙類別為B類時(shí),取1.4;l1為計(jì)算段長(zhǎng)度,取塔高29 250 mm;De1為容器各計(jì)算段的有效直徑,其外部保溫層厚100 mm,不考慮塔身外部其他附加物,取有效直徑938 mm。

        以上數(shù)據(jù)代入公式(4),解得P1為38 000 N,施加在最不利的方向。

        2.3 載荷與約束的施加

        根據(jù)精餾塔結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,在結(jié)構(gòu)的對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。塔的內(nèi)表面施加P0=0.15 MPa的設(shè)計(jì)內(nèi)壓;塔身底座施加全約束。

        考慮重力、風(fēng)載荷的影響。由于精餾塔結(jié)構(gòu)是對(duì)稱模型只取1/2模型分析即可,施加在模型上的水平力為P1的一半,為19 000 N。施加在最不利的方向,風(fēng)向?yàn)閄負(fù)方向。

        考慮重力地震載荷的影響,水平向地震加速度為:

        豎直向的地震加速度為:

        式中:g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度,9 806.6 mm/s2。

        數(shù)值代入式(5)~(6),求得:

        a1=588 mm/s2, a2=10 101 mm/s2。

        在X正方向,施加加速度a1;在Y負(fù)方向,施加加速度a2。

        3 計(jì)算結(jié)果及壽命評(píng)估

        3.1 計(jì)算結(jié)果

        精餾塔有限元計(jì)算結(jié)果如圖4所示,從圖4(a)可以看到整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大的區(qū)間分布于塔身下部,塔身上部應(yīng)力值較小,一般都低于30 MPa。圖4(b)為應(yīng)力峰值的局部示意,最大應(yīng)力為83.64 MPa。同時(shí)在A區(qū)域應(yīng)力值都較大,可以看到該處應(yīng)力值一般都超過(guò)了60 MPa,局部甚至超過(guò)了70 MPa。這說(shuō)明該區(qū)域存在很大程度的大拉應(yīng)力分布。雖然此處不是塔身的最大應(yīng)力處,但較廣范圍的大應(yīng)力仍然會(huì)影響塔身服役中材料的抗腐蝕和抗疲勞等性能。

        圖4 精餾塔應(yīng)力云圖

        圖5給出了最大應(yīng)力處沿厚度方向的分布。由圖4、5可以看到外表面附近的應(yīng)力最大,這主要是因?yàn)轱L(fēng)速和水平加速度的共同作用,同時(shí)由于該處塔身直徑變化劇烈,因此該處也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。塔身相對(duì)較高的,可以將其作類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)處理,因此最大應(yīng)力處的外表面承受了較大的張開(kāi)應(yīng)力。服役過(guò)程中也是裂紋最容易產(chǎn)生的區(qū)域。

        圖5 應(yīng)力沿厚度方向分布

        3.2 壽命評(píng)估

        Q245R鋼在130℃時(shí)許用應(yīng)力為130 MPa,以此值為標(biāo)準(zhǔn),來(lái)評(píng)價(jià)精餾塔的使用壽命。通過(guò)實(shí)地測(cè)量精餾塔各段的厚度,得到年平均腐蝕速率約為0.43 mm。使用Design Explorer優(yōu)化模塊建立what-if關(guān)系來(lái)計(jì)算第n年精餾塔的最大應(yīng)力值σmax,設(shè)定130 MPa為目標(biāo)量來(lái)求得n值。

        精餾塔壽命評(píng)價(jià)曲線如圖6所示,其中第15年σmax為129 MPa,第16年為138 MPa,第17年為154 MPa??梢钥吹降?6年σmax已經(jīng)超過(guò)了Q245R鋼的許用應(yīng)力,同時(shí)從第16年開(kāi)始,最大應(yīng)力值的增長(zhǎng)幅度明顯變大,因此可以認(rèn)為精餾塔使用壽命為15年。

        圖6 精餾塔壽命評(píng)價(jià)

        4 結(jié)論

        本文基于有限元法,分析了精餾塔的塔身應(yīng)力分布,評(píng)估了精餾塔的剩余壽命,得出以下結(jié)論:

        (1)精餾塔整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大的區(qū)間分布于塔身下部,最大應(yīng)力處的外表面承受了較大的張開(kāi)應(yīng)力,服役過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋。

        (2)通過(guò)計(jì)算得出塔身的使用總壽命為15年,考慮到實(shí)際中已經(jīng)服役了6年,因此預(yù)期塔身的安全使用期限還剩9年。

        (3)影響精餾塔使用壽命的主要因素是塔身的腐蝕速度,尤其是在使用后期,這種負(fù)面效應(yīng)更加劇烈。為了延長(zhǎng)精餾塔的使用期限,建議采取一定的措施減緩腐蝕。

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