大型急冷油旋液分离器进口段的极限载荷分析.pdf

第 60 卷第 4 期2023 年 8 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.60No.4Aug.2023杨玉奇，等大型急冷油旋液分离器进口段的极限载荷分析杨玉奇，党沙沙（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176）摘 要：采用 ANSYS Workbench 对大型急冷油旋液分离器的进口段进行了应力分析与强度评定，对弹性应力分析的结果进行应力分类并与相关的极限值进行比较，一次局部薄膜应力无法通过强度评定，一次加二次应力通过强度评定，然后用极限载荷分析法替代一次应力强度评定。应力分析结果表明结构的静强度和安定性均能满足要求。关键词：急冷油旋液分离器；有限元法；应力分析；极限载荷分析中图分类号：TH 49 文献标志码：A 文章编号：1009-3281（2023）04-0014-004收稿日期：2022-03-22作者简介：杨玉奇（1985），男，高级工程师，工学硕士。主要从事压力容器结构设计和应力分析工作。旋液分离器是利用液体旋转所产生的离心力，将其中含有的固体颗粒或另一种不相容液体分离出来的设备，广泛应用于化工、冶金、石油加工、动力发电、废水处理、造纸等部门，是一种多用途的高效分离设备 1。大型急冷油旋液分离器是有效脱除急冷油中焦粒的设备（见图 1），由于蜗壳式切向进口段几何结构复杂，无法采用 GB/T 150 中相关章节进行计算 2。为了确保结构能够满足强度要求，本文应用 ANSYS Workbench 软件，对旋液分离器进口段进行有限元应力分析。急冷油旋液分离器外形分离器如图 1 所示。力强度值超出许用极限；依据 JB/T 47321995 3的相关规定，结构塑性极限载荷分析可以替代弹性分析中 S，S，S的评定，因此对该结构模型进一步进行塑性极限载荷分析，以确保结构的静强度满足要求 4。1 有限元模型及网格划分针对急冷油旋液分离器进口及其与筒体连接的几何形状特点，使用 ANSYS Workbench 建立如图 2所示的有限元模型。采用四面体网格对其进行网格划分，得到 116 444 个单元，230 557 个节点。图 1 急冷油旋液分离器外形图Fig.1 The outline diagram of quench oil cyclone图 2 有限元模型Fig.2 Finite element analysis model本文以某型号急冷油旋液分离器的进口结构为研究对象，首先对该结构模型进行弹性应力分析，使用应力分类法对计算结果进行应力评定，发现一次应2 弹性应力分析采用线弹性材料，设置弹性模量 E=1.91105 MPa。2023 年 8 月 15 杨玉奇，等.大型急冷油旋液分离器进口段的极限载荷分析模型的载荷和边界条件示意图如图 3 所示，在筒体底部端面上施加环向和轴向位移约束，在进口接管端面施加等效压力-17.9 MPa，在顶部的出口接管端面施加等效压力-29.2 MPa，在筒体和接管内部施加2.3 MPa 设计压力。部薄膜应力 PL均超过了许用极限。图 3 模型的加载和边界条件示意图Fig.3 The diagram of load and boundary conditions图 5 两条线性化路径示意图Fig.5 The diagram of two stress linearization paths图 4 弹性应力分析法的应力强度分布云图Fig.4 The stress intensity distribution of elastic stress analysis图 4 为设计压力 Pc=2.3 MPa 时由弹性应力分析计算得到的应力分布云图，从图中可以看出，最大应力点发生在进口段导流板与顶板连接处。从急冷油旋液分离器的进口结构可知，顶板所承受的内压，主要靠顶板与外侧板、内侧板及导流板连接处的拉力来平衡，而在导流板与顶板连接处的结构不连续，受力大，容易引起应力集中。该处为危险部位，应在此处进行强度评定。如图 5 所示，分别作两条通过最大应力点的路径 1-1 和 2-2，并对其进行线性处理，结果如表 1 所示。材料的许用应力为 160 MPa，许用极限1.5Sm=240 MPa，许用极限 3Sm=480 MPa。依据 JB/T 4732 规定的应力分类及评定方法，要求一次局部薄膜应力强度 S 1.5 Sm，但是两条路径上的一次局在内压作用下，急冷油旋液分离器进口段不连续处的弯曲应力归为二次应力，两条路径上的薄膜应力加弯曲应力按 S评定（即 3Sm）。因为两条路径的薄膜应力加弯曲应力均 3Sm，所以满足应力分类法中对一次加二次应力强度 S 3Sm=480 MPa 的要求 5。表 1 两条路径应力分类结果Table 1 The results of stress linearization路径PL/MPaPL+Pb+Q/MPa1-1392.96456.72-2332.17456.663 塑性极限载荷分析上一节中，进口结构不连续处的两条路径上的一次局部薄膜应力不满足强度要求。但 JB/T 47321995中指出当结构给定载荷P不超过极限载荷PS的2/3时，可免除一次应力的评定。所以，需要进一步对该模型进行极限载荷分析以替代一次应力极限的校核。极限载荷分析属于塑性力学问题，并假定：材料为理想弹塑性；结构处于小变形状态；Mise 屈服条件及相关流动准则 6-7。在软件中选择双线性等向强化模型并设置切向模量为 0，即可得到理想弹塑性材料模型。材料的屈服强度取 1.5 倍材料的许用应力，即 s=1.5Sm=240 MPa，材料的应力应变曲线如图 6所示。为了确保计算模型能够达到总体结构失稳状态，对筒体和接管内表面施加一个足够大的压力10 MPa，相应的进出口接管的等效压力也换算成为内压 10 MPa 下对应的等效压力，位移约束边界条件第 60 卷第 4 期 16 化工设备与管道不变，所有载荷采用等比例的加载方式，计算时间设置为 1 000 s。ASME -2 8规定了极限载荷点的判据：极限载荷是引起总的结构失稳的载荷，这可以由小的载荷增量再也不能获得平衡解的这一点来表示（即，该解不再收敛）。软件在 471.02 s 停止计算，据此求得结构塑性极限压力 Ps=4.710 2 MPa，极限状态下模型的应力强度分布云图见图 7。量变形而失效，需要保证弹性应力分析下的一次加二次应力小于 3 倍许用应力。由上一节中已知一次加二次应力强度满足相应的评定准则（小于 3 倍许用应力），所以旋液分离器的进口段在设计压力 2.3 MPa下是安定的。另外，结构如果在达到产生塑性应变后承受循环或反复加载时，失效模式不同 9，可能会产生疲劳破坏或棘轮破坏，此时应进行疲劳评定及校核结构的稳定性。另外，塑性分析法中对安定性问题是通过直接求解安定压力来评定的。安定压力可近似取 2 倍弹性极限载荷 Pe，安定压力可替代弹性分析中的S评定 10。通过对结构模型进行塑性分析，得到结构的弹性极限载荷 Pe=1.404 7 MPa，安定压力2Pe=2.809 4 MPa，大于结构的设计压力 2.3 MPa，结构能够满足安定性要求。4 结论（1）采用 ANSYS Workbench 对大型急冷油旋液分离器进口段进行了弹性应力分析，在 2.3 MPa 设计压力下，最大应力点出现在导流板与顶板连接处，对此部位按应力分类法进行应力线性化评定，一次应力超过应力强度的许用极限，而一次加二次应力满足强度要求。（2）进一步对结构模型进行塑性极限载荷分析，得到最大许用内压大于设计压力，能够保证结构的静强度，结合按弹性分析法对一次加二次应力进行的应力评定，结构的安定性也能满足要求。另外，通过求解塑性分析的安定载荷也能确保结构的安定性。（3）以塑性分析的极限载荷法（解决静强度）与弹性分析的安定性控制或塑性分析的安定载荷（解决安定问题）相结合的应力分析方法，可保证分析设计结果的完整性和可靠性。参考文献冯流液相非均一系分离 M北京：化学工业出版社，1 1997.左安达圆柱壳大开孔接管连接处弯曲应力性质和评定准2 则的讨论及论证 J.化工设备与管道，2022，59（1）：1-7全国锅炉压力容器标准化技术委员会.钢制压力容器-分析3 设计标准（2005 年确认）：JB/T 47321995S.北京：中国标准化出版社，2015.陆明万，寿比南，杨国义.压力容器分析设计的塑形分析方4 法 J.压力容器，2011，28（1）：33-39.图 6 材料应力-应变曲线Fig.6 The stress-strain curve of the material图 7 极限状态下模型的应力强度分布云图Fig.7 The stress intensity distribution of limit load analysis应变应力/MPa25020015010050000.0010.0030.0020.0040.005由结构的极限压力 Ps=4.710 2 MPa 得出结构的许用压力 P=2/3Ps=3.14 MPa，设计压力 2.3 MPa小于许用压力 3.14 MPa，说明在设计压力作用下，结构中的塑性变形是局部的、可控的，满足载荷作用下的静力平衡条件。值得注意的是，极限载荷分析只能替代应力分类法中的一次应力的校核，不能替代一次加二次应力的校核，因为一次加二次应力过大将导致结构产生过2023 年 8 月 17 杨玉奇，等.大型急冷油旋液分离器进口段的极限载荷分析Analysis of Limit Load in Inlet Section of Large Quenched Oil Cyclone SeparatorYang Yuqi,Dang Shasha（Beijing Aerospace Petrochemical Technology&Equipment Engineering Corporation Limited,Beijing 100176,China）Abstract:The ANSYS Workbench was used to conduct stress analysis and strength evaluation on the inlet section of a large quenched oil cyclone separator.The results of the elastic stress analysis were classified and compared with the relevant limit values.The first local membrane stress cannot pass the strength evaluation,and the first and second stresses pass the strength evaluation.Then,the ultimate load analysis method was used to replace the first stress strength evaluation.The stress analysis results indicate that the static strength and stability of the structure can meet the requirements.Keywords:quench oil cyclone separator;finite element method;stress analysis;ultimate load analysis石乾宇，陈建龙，臧传奇.圆柱壳体径向开孔接管结构的塑5 性分析 J.化工设备与管道，2016，53（4）：23-26.沈筠.极限载荷分析法在压力容器分析设计中的应用 J.石6 油化工设备，2011，40（4）：35-38.徐君臣，张文杰.基于 ASME -2 大开孔接管的极限载荷7 分析 J.化工设备与管道，2017，54（4）：1-6，16.ASME 锅炉及压力容器压力容器委员会.压力容器建造规8 划，第二册.ASME Division 22019S.北京：中国石化出版社，2020.陈孙艺.屈服极限和流变应力以及塑性极限载荷的确定方法9 综上 C/第三届全国管道技术学术会议压力管道技术研究进展精选集.新疆：中国压力容器学会管道委员会，2006：60-66.王小敏，闫东升，夏少青，等.极限载荷法在应力分析中的10 应用-压力容器应力分析设计中的六个重要问题（四）J.石油化工设备技术，2016，37（5）：1-5.欢迎订阅化工设备与管道（邮发代号：4669）化工设备与管道，创刊于 1964 年，是经国家科学技术部、国家新闻出版广电总局正式批准出版的专业技术期刊，曾用名化工设备简讯、化工设备设计，是国内同类期刊中历史最为悠久的知名期刊之一，曾多次获得上海市、原化工部、中国石油和化学工业协会等多项部省级荣誉与奖励。本刊为中文核心期刊、中国科技核心期刊，国家认定的学术期刊（A 类）。化工设备与管道由中国石油化工集团有限公司主管，中石化上海工程有限公司主办，全国化工设备设计技术中心站、中国石化集团有限公司机械技术中心站、全国锅炉压力容器标准化技术委员会压力管道分技术委员会、全国化工工业炉设计技术中心站承办。国内统一刊号：CN 31-1833/TQ；国际标准刊号：ISSN 1009-3281；邮发代号：4-669。化工设备与管道主要栏目有：综述、单元设备、压力容器、管道与管件、机械与密封等。读者对象为石油、化工、石化及相关行业从事设备与管道工程设计、建设、制造、采购、检测、维修工作的广大科研、技术与生产人员。本刊为双月刊，A4 开本，全彩印刷，自 1964 年创刊以来已出版 300 余期，发行量大，影响面广。全国各地邮局均可办理订阅，10.00 元/期，全年定价 60 元。地 址：上海市浦东新区张杨路 769 号邮政编码：200120电 话：[phone]、52136992、62488580邮 箱：