白偉 任璐 郝羿

（1.新疆油田公司采氣一廠，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司監(jiān)督中心，新疆 克拉瑪依 834000；3.新疆油田公司重油開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

壓力容器的疲勞破壞已成為石油化工領(lǐng)域最常見的失效形式，易導(dǎo)致有毒有害介質(zhì)的泄漏，造成環(huán)境污染和人員傷亡事故。而在裝置破壞事故中，溫度是其中重要的影響因素。

目前，對(duì)于溫度應(yīng)力工作載荷下的壓力容器疲勞失效已有頗多研究。例如：K.Hashimoto 利用有限元軟件對(duì)三種反應(yīng)器封頭進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力分析，結(jié)果表明峰值拉應(yīng)力主要分布在噴嘴的焊接區(qū)附近[1]。V.Chaudhry 利用數(shù)值模型對(duì)反應(yīng)堆壓力容器穩(wěn)態(tài)下（反應(yīng)堆啟動(dòng)、關(guān)閉等）熱應(yīng)力進(jìn)行了完整評(píng)估，結(jié)果表明，壁面應(yīng)力最大的位置處于覆殼和容器交界面[2]。D.Ferre?o 對(duì)反應(yīng)堆壓力容器熱應(yīng)力過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了熱沖擊作用下加載速率對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)參考溫度T0,dyn，并與準(zhǔn)靜態(tài)參考溫度T0,sta進(jìn)行了比較[3]。A.Kandil 分析了穩(wěn)態(tài)壓力和溫度共同作用下圓柱形壓力容器的應(yīng)力分布，得到了不同工況下平均應(yīng)力與應(yīng)力幅值之間的關(guān)系[4]。

圖1 天然氣深冷處理工藝簡(jiǎn)圖

但目前對(duì)天然氣深冷裝置關(guān)鍵設(shè)備長(zhǎng)期處于高、低溫及溫度交變載荷下耦合效應(yīng)研究較少。對(duì)此，本文基于瞬態(tài)熱力學(xué)研究機(jī)理，以某采氣廠天然氣深冷關(guān)鍵設(shè)備為例，系統(tǒng)分析了分子篩吸附塔、脫甲烷塔、脫乙烷塔等天然氣深冷關(guān)鍵設(shè)備在溫度載荷下的熱-力耦合場(chǎng)，以揭示瞬時(shí)熱應(yīng)力分布規(guī)律，希望能夠?yàn)閴毫θ萜鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析提供理論參考和技術(shù)支持。

1 基本情況

為充分回收天然氣中的C2、C3+等烴類組分，提高氣田綜合開發(fā)效益，某采氣廠新建天然氣深冷裝置2 座，采用部分干氣循環(huán)工藝回收乙烷、液化氣、穩(wěn)定輕烴。

為滿足產(chǎn)品需求、充分節(jié)能，相關(guān)深冷工藝設(shè)計(jì)有較多換熱網(wǎng)絡(luò)，高溫、低溫及溫度交變工況多。在復(fù)雜的溫度載荷下，裝置易發(fā)生應(yīng)力破壞，導(dǎo)致管線、容器膨脹、變形，基礎(chǔ)偏移、結(jié)構(gòu)破壞、脫焊等，影響生產(chǎn)安全。

該廠天然氣深冷處理主要分為低壓氣、中壓氣增壓、分子篩脫水、深冷凝液回收、外輸增壓4 個(gè)單元，裝置在橫向、縱向布局上充分利用空間，采用模塊化多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含各種塔、換熱器、過濾器、分離器、壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐類型，關(guān)鍵設(shè)備為分子篩吸附塔、脫甲烷塔、脫乙烷塔、多股流換熱器、球罐、子母罐等，以及容易產(chǎn)生應(yīng)力破壞的橇裝管線、管道支撐等部位。

2 技術(shù)方法

針對(duì)該深冷裝置不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本研究采用有限元法分析深冷裝置應(yīng)力薄弱點(diǎn)，主要分析步驟如下：

1）模型建立：根據(jù)該深冷裝置關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用ANSYS 有限元模擬軟件建立全尺寸數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)溫度載荷下深冷裝置關(guān)鍵設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)估，同時(shí)為減少模型計(jì)算量，采用1/2 對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算。

2）劃分網(wǎng)格：為了仿真計(jì)算有較好的穩(wěn)定性與易收斂性，將仿真模型分為不同區(qū)域的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在模型過渡、轉(zhuǎn)角與焊接焊縫等位置增加網(wǎng)格數(shù)量，相鄰單元尺寸為裝置壁厚的1/5，對(duì)過渡區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了粗糙化處理。

3）設(shè)置邊界條件：模型載荷邊界條件采用與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)工況一致，溫度和壓力均采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件；深冷裝置因保溫材料的存在，外表面均設(shè)為絕熱邊界條件，熱流密度接近于零；對(duì)材料的彈性模量、熱傳導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)等參數(shù)均采取隨時(shí)間變化量；同時(shí)設(shè)置固定約束以限制設(shè)備位移，其他位置為自由約束，模型對(duì)稱面為對(duì)稱約束。

4）計(jì)算求解：為解決熱-力耦合問題，應(yīng)力分析采用瞬態(tài)計(jì)算模塊。

5）結(jié)果分析：后處理模塊展示模型計(jì)算結(jié)果，使結(jié)果更好的可視化展示。

3 分析結(jié)果

3.1 分子篩吸附塔

吸附塔材料為Q345R（屈服強(qiáng)度≥345 MPa，熱膨脹系數(shù)1.22×10-5），塔體操作溫度為40 ℃～290 ℃，設(shè)計(jì)溫度為320 ℃。操作壓力為7.1 ～7.2 MPa，設(shè)計(jì)壓力為7.8 MPa；考慮環(huán)境最高溫度43.1 ℃、最低溫度-42.8 ℃極端環(huán)境溫度的影響，塔體外表面設(shè)為絕熱壁面條件（模擬現(xiàn)場(chǎng)保溫層條件）。

1）常溫10 ℃環(huán)境計(jì)算結(jié)果：溫度交變工況下的最大應(yīng)力集中在塔體進(jìn)出口接管位置，最大等效應(yīng)力達(dá)212.7 6 MPa，最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度61.7%，塔體底部焊縫位置存在較大的殘余應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為199 MPa，環(huán)焊縫處最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體的屈服強(qiáng)度57.7%。

2）極端環(huán)境溫度（Tmin=-42.8℃、Tmax=43.1 ℃）計(jì)算結(jié)果：吸附塔底端進(jìn)出口處均存在殘余應(yīng)力集中，極端環(huán)境溫度-42.8 ℃和43.1 ℃下最大殘余應(yīng)力分別達(dá)到197.5 MPa 和218.91 MPa，塔體最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度的57.2%和63.5%。吸附塔塔體中間部位應(yīng)力水平較低，小于100 MPa，小于塔體材料的屈服強(qiáng)度。

3.2 脫甲烷塔

脫甲烷塔主要材質(zhì)為S30408（屈服強(qiáng)度≥205 MPa，熱膨脹系數(shù)1.52×10-5），塔體操作溫度為-110 ℃～40 ℃，設(shè)計(jì)溫度為-120 ℃～60 ℃。操作壓力為2.0 ～2.5 MPa，設(shè)計(jì)壓力為3 MPa；考慮環(huán)境最高溫度43.1 ℃、最低溫度-42.8 ℃的極端環(huán)境溫度影響，塔體外表面設(shè)為絕熱壁面條件（模擬現(xiàn)場(chǎng)保溫層條件）。

1）常溫10 ℃環(huán)境計(jì)算結(jié)果： 在常溫環(huán)境下，溫度交變引起的脫甲烷塔塔體最大等效應(yīng)力同樣處于塔體出、入口接管位置。底部進(jìn)出口位置，最大應(yīng)力達(dá)133.3 MPa，塔體最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體的屈服強(qiáng)度65.0%，此位置殘余應(yīng)力集中影響塔體接管位置應(yīng)力分布。塔身其他位置應(yīng)力較小，分布較為均勻。由于塔體開孔邊緣應(yīng)力集中的影響，導(dǎo)致塔體變徑位置處焊縫存在較大的殘余應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為112.7 MPa，最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度55.0%。

2）極端環(huán)境溫度（Tmin=-42.8 ℃、Tmax=43.1 ℃）計(jì)算結(jié)果：極端環(huán)境溫度下，與吸附塔應(yīng)力分布類似，在脫甲烷塔的介質(zhì)進(jìn)出口處存在較大的應(yīng)力集中，最大殘余應(yīng)力分別達(dá)到110.05 MPa 和141.21 MPa，塔體最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度的53.7%和68.7%。

3.3 多股流換熱器

本研究采用有限元模擬方法，建立了多股流換熱器計(jì)算模型，對(duì)多股流換熱器過程中溫度交變引起的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)定分析。模型邊界條件采用與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)工況一致：鋁制板翅式換熱器材料為3 003/5 083（屈服強(qiáng)度≥85），冷箱外殼及安全閥材質(zhì)為Q235，其他參數(shù)如表1 所示。

表1 多股流換熱器運(yùn)行參數(shù)

圖2 多股流換熱器示意圖

考慮板翅式熱交換器尺寸及現(xiàn)場(chǎng)工況，本研究分析了多股流換熱器的應(yīng)力分布：換熱器的最大應(yīng)力分布于冷箱底部溫度交換頻繁及溫度范圍大的位置，最大為72.1 MPa，達(dá)屈服強(qiáng)度的84.8%。

3.4 脫乙烷塔

脫乙烷塔材料為Q345R，塔體操作溫度為-13℃～98 ℃，設(shè)計(jì)溫度-20 ℃～120 ℃。操作壓力為1.8 ～2.6 MPa，設(shè)計(jì)壓力為3 MPa；考慮環(huán)境最高溫度43.1 ℃、最低溫度-42.8 ℃極端環(huán)境溫度的影響，塔體外表面設(shè)為絕熱壁面條件（模擬現(xiàn)場(chǎng)保溫層條件）。

計(jì)算分析結(jié)果顯示，在脫乙烷塔介質(zhì)進(jìn)出口處（開孔接管位置）存在較大的應(yīng)力分布，最大等效應(yīng)力達(dá)到227.76 MPa，塔體最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度的70.1%?？紤]極端工況環(huán)境下塔體的熱應(yīng)力分布得出：塔體開孔處均存在較大的應(yīng)力集中，塔體最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度的73.2%。

3.5 子母罐

本研究借助ANSYS 軟件對(duì)子母罐作溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示：罐體最大位移位置處于罐頂開孔位置，支座位置最??；罐體內(nèi)壁溫度分布均勻且溫度較大，沿壁厚方向溫度減小，外壁由于保溫材料的存在溫度基本不變；罐體頂部開孔位置應(yīng)力最大，達(dá)到113.87 MPa，最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度的33.0%。

3.6 球形儲(chǔ)罐

本研究根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立了數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果顯示：

1）在環(huán)境溫度10 ℃條件下，沿著厚度方向，球形儲(chǔ)罐的溫度逐漸減小，內(nèi)壁溫度最大，外壁溫度最小；儲(chǔ)罐壁及支撐架出現(xiàn)不均勻的應(yīng)力分布，其中，球形儲(chǔ)罐外壁與支撐架連接位置存在較大的應(yīng)力分布，最大殘余應(yīng)力達(dá)到208.42 MPa，塔體最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度的60.4%。

2）在極限環(huán)境溫度條件下，沿著厚度方向，球形儲(chǔ)罐的溫度逐漸減小，內(nèi)壁溫度最大，外壁溫度最小；極端工況環(huán)境下，儲(chǔ)罐壁及支撐架出現(xiàn)不均勻的應(yīng)力分布，其中，球形儲(chǔ)罐外壁與支撐架連接位置存在較大的應(yīng)力分布，最大殘余應(yīng)力達(dá)到247.7 MPa和224.13 MPa，最大應(yīng)力變化幅度達(dá)到塔體屈服強(qiáng)度的71.8%。

3.7 管道與管托

本研究建立了“一”型和“U”型兩種不同形式的全尺寸管托計(jì)算模型，模擬過程中模型邊界條件采用與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)工況一致：深冷管道的材料主要是20G（屈服強(qiáng)度≥245 MPa，熱膨脹系數(shù)1.12×10-5）和06Cr19Ni10 （屈服強(qiáng)度≥205 MPa，熱膨脹系數(shù)1.52×10-5）高合金鋼，而管托和支座的材料為碳鋼（屈服強(qiáng)度≥205 MPa，熱膨脹系數(shù)1.19×10-5）和Q235B（屈服強(qiáng)度≥235 MPa，熱膨脹系數(shù)1.22×10-5)，管道運(yùn)行溫度為40 ℃～290 ℃。接觸部位受擠壓或拉伸引起裝置的變形，從而導(dǎo)致管托和支座失去承載能力。

熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示：管道管托最大位移為管道與管托連接部位，最大位移為0.098 mm 和0.015 mm；最大殘余應(yīng)力位于管道管托接觸部位；同時(shí)本研究特別取管道管托銜接處為研究對(duì)象，得出：“一”型管托的最大熱應(yīng)力為43 MPa，“U” 型管托的最大熱應(yīng)力為20 MPa，應(yīng)力變化幅度達(dá)屈服強(qiáng)度21%和9.8%，因此推薦實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)多使用“U”型管托。

3.8 橇裝管線

本研究采用ANSYS 模擬軟件對(duì)天然氣橇裝管線進(jìn)行數(shù)值模擬，分析溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響。

模擬結(jié)果顯示：橇裝管線在根部固定支撐處應(yīng)力最大，在管線拐彎處也存在較大的應(yīng)力分布，應(yīng)力約為150 MPa，約占屈服強(qiáng)度的48.4%。此外，在極限環(huán)境溫度43.1 ℃和-42.8 ℃下，橇裝管線的應(yīng)力分布存在相似的變化趨勢(shì)，最大應(yīng)力集中也存在于管線根部支撐位置，彎角處應(yīng)力變化稍大，因此，現(xiàn)場(chǎng)需重點(diǎn)關(guān)注橇裝管線彎角與根部管線。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)深冷裝置關(guān)鍵設(shè)備及部位溫度載荷進(jìn)行分析，可以得出：對(duì)于不同材料，由于材料的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致設(shè)備的應(yīng)力應(yīng)變不同。深冷裝置關(guān)鍵設(shè)備的平均等效應(yīng)力隨著溫度變化成正比例關(guān)系，隨著溫度增大，應(yīng)力和應(yīng)變均成比例增大；溫度減小，應(yīng)力和應(yīng)變成比例減小。交變工況下材料應(yīng)力變化幅度比較大，易導(dǎo)致疲勞失效。

2）該廠深冷裝置在復(fù)雜溫度載荷下的風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)主要分布在：塔器進(jìn)出口接管開孔和塔底焊縫位置；換熱器接管開孔位置；儲(chǔ)罐頂部開孔位置、儲(chǔ)罐外壁與支撐架連接位置；橇裝管線彎頭法蘭處以及表面裂紋處；管道與管托接觸位置以及支座接觸位置，所得結(jié)論能夠?yàn)樯罾溲b置在復(fù)雜溫度工況下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、壽命預(yù)測(cè)及維護(hù)提供依據(jù)。

3）上述位置均易出現(xiàn)設(shè)備疲勞失效，責(zé)任單位應(yīng)加大巡檢和檢維修力度，在現(xiàn)場(chǎng)需重點(diǎn)監(jiān)視和關(guān)注吸附塔塔體進(jìn)出口接管位置及其臨近焊縫位置的狀態(tài)，必要時(shí)可安裝應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置或光纖監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證現(xiàn)場(chǎng)裝置服役安全。