疲劳设备保温支撑圈结构应力分析

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(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

在石油化工行业中，吸附塔是变压吸附工艺装置中的关键设备，属于疲劳设备，同时为了满足工艺操作的要求，设备外通常有50～80mm厚的保温层，必须设置保温支撑圈，且其与设备筒体连接属于结构不连续，影响疲劳设备的使用寿命。为此本文对某项目的吸附塔上的保温支撑圈结构进行了应力强度和疲劳分析。

1 问题的提出

SH/T 3098标准中推荐了两种保温支撑圈结构：第一种是第7.14.3条中介绍的与塔体相焊的保温支撑圈；第二种是第7.14.4条中介绍的带有预焊件的保温支撑圈，此处的预焊件为水平设置结构。某项目的PSA装置吸附塔在疲劳载荷工况下运行，使用仅2年(设计寿命20年)，多台吸附塔相继出现裂纹，裂纹均从筒体保温支撑圈的焊接接头处起裂，沿筒体纵向扩展。本设备采用的是SH/T 3098《石油化工塔器设计规范》标准中的第一种直接与塔体相焊的保温支撑圈结构。通过对SH/T 3098标准中推荐的两种保温支撑圈结构形式进行有限元分析，得到第一种保温支撑圈结构在保温支撑圈缺口区域的应力集中系数达到6，而第二种保温支撑圈结构在预焊件端部与筒体相焊区域的应力集中系数为2.5。从这两种结构的应力集中系数可以得出，SH/T 3098《石油化工塔器设计规范》标准中推荐的两种保温支撑圈结构可以应用到循环频次比较低的设备中，但是应用于循环频次比较高的PSA装置吸附塔(设计寿命内的总循环次数在30万到50万次)时会影响到整台设备的使用安全，特别是第一种结构(直接与塔体相焊的保温支撑圈结构)将严重缩短设备的疲劳寿命。为此，本文提出一种疲劳设备保温支撑圈结构(见图1)，该结构与SH/T3098标准中推荐的第二种保温支撑圈结构的区别在于预焊件改为水平放置，同时保温支撑圈的连接形式也发生了改变。

图1 疲劳设备保温支撑圈

2 有限元分析

2.1 模型参数

某项目PSA工序中吸附塔参数见表1。

表1 设备参数表

2.2 模型的建立

吸附塔上每层保温支撑圈分成8瓣，有8个预焊件(支耳板)焊接在吸附塔筒体上，为减小模型的运算量，利用结构的对称性，建立1/16对称三维模型。模型中的筒体壁厚扣除厚度附加量(3.3mm)，模型结构尺寸见图2。模型的建立和求解采用大型通用有限元分析软件ANSYS14.5 Workbench。

图2 模型结构尺寸

2.3 单元网格的划分

有限元单元采用Solid186，Solid186是一个高阶三维20节点固体结构单元，其具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则的网。为了得到预焊件与筒体焊接区域更精确的应力值，对预焊件附近的网格划分进行了局部加密，模型共划分39 300个单元，168 981个节点。模型网格划分(局部)见图3。

图3 模型网格划分

2.4 边界条件

力边界条件：内压载荷(PIN)为1.66 MPa(g)，筒体上端面施加内压作用下的等效压力P=-59.39 MPa(g)。

对称边界条件：由于模型为完整结构的1/16，其他3个截面上施加对称约束。模型边界条件施加见图4。

图4 模型边界条件

2.5 有限元计算结果分析

所分析结构在操作压力(P=1.66 MPa(g))作用下的应力强度分布见图5。计算结果表明，在预焊件上端与筒体连接处的焊缝出现了最大应力，强度值为179.96 MPa(g)，其应力集中系数仅为1.5。比标准SH/T 3098中推荐的两种保温支撑圈结构的应力集中系数均小，仅为第一种结构的25%，第二种结构的60%，应力集中系数的降低，可以提高本结构的疲劳设计寿命。

图5 预焊件附近应力分布云图

3 强度和疲劳评定

按JB4732进行应力强度的评定，采用应力线性化处理法，过应力强度最大点，沿壁厚方向取路径，进行应力线性化处理，按相应的限制条件进行强度评定，评定结果见表2。

疲劳评定按JB4732标准的附录C进行，对0～1.66 MPa(g)交变内压作用下的预焊件区域的疲劳寿命进行评定，评定结果见表2。

表2 预焊件局部应力强度和疲劳评定

表2的评定结果说明，保温支撑圈预焊件(支耳板)局部的应力强度和疲劳均为合格。

4 结语

有限元计算结果表明，疲劳设备保温支撑圈结构的最大应力出现在预焊件(支耳板)的上(下)端与筒体之间的焊缝附近，且应力集中系数仅为1.5，比SH/T 3098标准中推荐的两种保温支撑圈结构的应力集中系数均小；疲劳设备保温支撑圈结构的应力强度和疲劳评定均合格，说明建立的疲劳设备保温支撑圈结构能满足吸附塔设计要求。

[1]JB 4732—1995，钢制压力容器——分析设计标准(2005年确认版)[S].

[2] SH/T 3098—2011，石油化工塔器设计规范[S].