孫卓瑞

（中油管道機(jī)械制造有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065000）

過(guò)濾分離器是天然氣輸氣管道站場(chǎng)、天然氣集輸站場(chǎng)、天然氣凈化處理廠中用于氣體凈化的關(guān)鍵設(shè)備，其管板組件由管板、過(guò)渡管等組成，起隔離腔室、承受壓差、支撐濾芯及阻擋氣體沖刷的作用。管板與筒體相連接，工作中受力狀況復(fù)雜，必須對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核、變形評(píng)定以保證安全可靠。目前國(guó)內(nèi)外尚未形成完整的過(guò)濾分離器管板設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多參考相關(guān)平蓋封頭和熱交換器管板。但實(shí)際上過(guò)濾分離器管板受力狀況與上述二者存在一定差距，計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)尺寸往往偏保守，造成材料浪費(fèi)、焊接工作量大以及薄筒體變形不協(xié)調(diào)局部應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題。而采用已有的工程生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行減薄優(yōu)化，又缺少必要的有限元分析，存在一定的安全隱患。文中以某工程用DN1 300 mm過(guò)濾分離器管板設(shè)計(jì)為例，采用正常工況下參照規(guī)范設(shè)計(jì)和極限工況下有限元數(shù)值模擬分析驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析［1-8］，提供了一種解決過(guò)濾分離器管板設(shè)計(jì)難題的方法，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

1 過(guò)濾分離器管板結(jié)構(gòu)常規(guī)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

DN1 300 mm過(guò)濾分離器管板操作介質(zhì)為凈化天然氣，設(shè)計(jì)溫度80℃，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，濾芯正常壓差0.1 MPa、極限壓差0.65 MPa，筒體腐蝕裕量2 mm。圓形管板材質(zhì)16MnDR、過(guò)渡管材質(zhì)16Mn，16MnDR的許用應(yīng)力為170 MPa、彈性模量203 000 MPa，16Mn許用應(yīng)力181 MPa、彈性模量203 000 MPa［9-12］。

管板組件由布滿圓孔的圓形管板和多個(gè)插入圓孔的過(guò)渡管焊接而成，圓形管板焊接至筒體內(nèi)壁，形成氣體過(guò)濾前后的2個(gè)腔室。過(guò)渡管用于安裝濾芯及其組件，管板組件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 過(guò)濾分離器管板組件結(jié)構(gòu)形式

1.2 受力分析

管板組件受力見(jiàn)圖2。管板主要承受濾芯堵塞后形成的側(cè)向壓差p、過(guò)渡管組件重力G，過(guò)渡管外表面承受壓差p、端部承受濾芯組件的重力g及其引起的彎矩W。

圖2 過(guò)濾分離器管板組件受力示圖

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參照GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》［13］或 ASME Ⅷ-Ⅰ—2019《壓力容器建造規(guī)范》［14］中的平蓋公式計(jì)算該過(guò)濾分離器管板厚度。由于管板開(kāi)孔條件不滿足GB 150.3—2011中的相關(guān)要求，無(wú)法按照GB 150.3—2011進(jìn)行計(jì)算，故按照ASME Ⅷ-Ⅰ—2019，取正常壓差來(lái)計(jì)算管板厚度：

式中，t為平蓋的計(jì)算厚度，d為平蓋直徑，mm；C為系數(shù)；p1為計(jì)算壓力，Sm為許用應(yīng)力，MPa；E 為焊接接頭系數(shù)。

管板開(kāi)孔按ASME Ⅷ-Ⅰ—2019中UG39的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，取C=0.5。將計(jì)算厚度t乘以系數(shù)h，確定管板的最終設(shè)計(jì)厚度。系數(shù)h的計(jì)算公式為：

式中，e為開(kāi)口削弱系數(shù)；d平均為相鄰開(kāi)口的平均直徑，P為兩相鄰開(kāi)孔的中心距，mm。

將 d=1 300 mm、C=0.5、p1=0.1 MPa、E=1、Sm=170 MPa、e=390、d平均=9 mm、P=130 mm 代入式（1）～式（3），得到管板厚度為 22.3 mm。

根據(jù)GB 150.3—2011中的外徑公式計(jì)算過(guò)渡管壁厚，最終確定過(guò)渡管壁厚為5 mm。參照GB 151—2014《熱交換器》［15］中的布管方式，以三角形排列過(guò)渡管。結(jié)合相關(guān)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)濾分離器管板組件結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖3。

圖3 過(guò)濾分離器管板組件結(jié)構(gòu)尺寸

2 極限壓差下過(guò)濾分離器管板結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型

采用三維實(shí)體模型建立管板有限元模型。因管板模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故取1/2模型進(jìn)行計(jì)算。為保證計(jì)算精度，在各焊縫處對(duì)管板網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化（圖4）。結(jié)合施工項(xiàng)目要求，設(shè)定濾芯壓差達(dá)到極限壓差0.65 MPa，且壓差均勻分布在管板和各過(guò)渡管外表面。過(guò)渡管端面承受等效壓力2.42 MPa，過(guò)渡管端面濾芯及部分過(guò)渡管承受等效力170 N、等效力矩180 200 N·mm。筒體的一個(gè)端面為固定約束面，另一個(gè)端面承受等效壓力68.24 MPa，管板兩側(cè)筒體內(nèi)表面承受壓力分別為10 MPa、9.35 MPa。過(guò)濾分離器管板模型受力及約束情況見(jiàn)圖5。

圖4 過(guò)濾分離器管板模型有限元網(wǎng)格劃分

圖5 過(guò)濾分離器管板模型受力及約束情況

2.2 分析結(jié)果

有限元分析得到的過(guò)濾分離器管板模型應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

圖6 過(guò)濾分離器管板模型應(yīng)力云圖

圖6結(jié)果顯示，最大應(yīng)力發(fā)生在管板中心區(qū)域過(guò)渡管與管板的焊縫處，最高值為562.23 MPa。參照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005 確認(rèn)）》［16］規(guī)定的方法對(duì)各危險(xiǎn)截面（圖7）進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，結(jié)果見(jiàn)表 1。表1中SⅡ?yàn)橐淮尉植勘∧?yīng)力，SⅣ為一次應(yīng)力加二次應(yīng)力，SⅢ為一次局部薄膜應(yīng)力加二次應(yīng)力。從表1可知，中心區(qū)域的管板與過(guò)渡管焊縫處和過(guò)渡管厚度方向的應(yīng)力較大，逼近許用應(yīng)力，其它各處應(yīng)力較低，不足許用應(yīng)力的50%。各截面應(yīng)力評(píng)定結(jié)果滿足JB 4732—1995中的要求。

表1 0.65 MPa極限壓差工況下過(guò)濾分離器管板危險(xiǎn)截面應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

圖7 過(guò)濾分離器管板模型危險(xiǎn)截面位置

有限元模擬分析得到的過(guò)濾分離器管板模型變形云圖見(jiàn)圖8。圖8顯示，管板承受極限壓差后，以管板圓心為中心整體向出氣方向凸出，呈弓字形變形，過(guò)渡管末端向筒體中心聚攏變形，管板中心變形最大（3.58 mm），滿足施工項(xiàng)目中設(shè)備管板最小成型厚度要求。

圖8 過(guò)濾分離器管板模型變形云圖

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)過(guò)濾分離器管板按常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合有限元分析計(jì)算的方法加以驗(yàn)證，證明設(shè)計(jì)出的管板結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，滿足相關(guān)規(guī)范和工程使用要求，為過(guò)濾分離器管板設(shè)計(jì)提供了一種可行的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。