吸附器外垫板处的应力分析及建议

赵合楠（四川大学化学工程学院，四川 成都610065）

变压吸附(Pressure Swing Adsorption，以下简称PSA)是对气体混合物进行提纯的工艺过程，该工艺是以多孔性固体物质（吸附剂）内部表面对气体分子的物理吸附为基础，在两种压力状态之间工作的可逆的物理吸附过程。在分离过程中，气体组分在升压时吸附，降压时解吸。不同组分由于其吸附和解吸特性不同，在压力周期性的变化过程中实现分离。

作为变压吸附最关键的设备，吸附器长期承受疲劳载荷的作用，易在应力集中较高的焊缝部位产生疲劳裂纹，随着交变载荷的继续作用，疲劳裂纹会在壁厚方向不断扩展，最终导致吸附器发生开裂泄漏事故的发生。因此在吸附器分析设计时，往往要求尽量降低在焊缝部位集中应力，以免降低吸附器的使用寿命。基于目前国内吸附器装置的统计，绝大多数处于安全运行中，极个别吸附器出现了裂纹，且裂纹基本均位于吸附器外接非受压原件部位。本文通过软件分析下封头垫板角焊缝附近的应力集中情况，提出针对E类焊缝的避免应力集中的办法和制造要求，以增加吸附器安全使用寿命。

1有限元模型的建立及分析

1.1 吸附器模型的计算及建模

为了说明问题，本文给出以下工程实例进行分析。某公司油田伴生气脱碳装置中吸附器为Ⅱ类容器，主要受压元件材料为Q345R，工作介质主要为CH4、CO2等，设计寿命为15 年。其公称直径为1200mm，工作压力为-0.08～0.7Mpa，工作温度为40℃，设计压力为0.88Mpa，水压试验为1.1Mpa，设计温度为80℃，腐蚀裕量取3.0mm，钢板负偏差为0.3mm，焊接接头系数为1.0，压力波动循环次数为720000次，支撑方式为支承式支座（型号：B2 标准：NB/T47065.4-2018）。

因，故根据JB4732-1995（2005 年确认）公式(7-1)可得计算厚度：mm，则筒体的设计厚度为mm。考虑腐蚀裕量，负压工况以及疲劳工况，取筒体的名义厚度δn10mm，则筒体的有效厚度；对于标准椭圆封头的计算厚度，根据图7-1查表确定mm，考虑腐蚀裕量，减薄成型，负压工况以及疲劳工况，取封头的名义厚度δn14mm，成型后的最小厚度为12mm，则封头的有效厚度；支座垫板厚度。结构尺寸如图1。考虑打磨圆滑，在垫板周围角焊缝与封头焊接处倒R8的圆角。网格划分如图2。

图1：吸附器结构尺寸

图2：网格划分

1.2 应力计算结果

吸附器不同工况下的第三强度当量应力云图见图3～5。

图3：设计载荷工况

图4：水压试验载荷工况

图5：疲劳载荷工况

如图可见，在设计载荷工况下，垫板周围角焊缝最大应力为108.79Mpa，在水压

试验载荷工况下垫板周围角焊缝最大应力为136.1Mpa，在疲劳载荷工况下，垫板周围角焊缝最大应力为96.54Mpa。

2 垫板处角焊缝对疲劳设备的影响及建议

根据分析结果可知，在疲劳载荷工况下远离垫板处封头的薄膜应力约为48Mpa 左右，而垫板周围封头应力值则将近100Mpa，可见垫板周围结构不连续导致应力集中的情况发生。因此此处往往是疲劳设备裂纹出现的源头。在实际工程中，为了避免出现应力集中，可采用以下办法：

①吸附器支撑方式采用裙座或者刚性环支撑，该结构与筒体或封头采用连续周边焊接，避免了局部焊接不连续导致的峰值应力过大；

②受压元件与非受压原件焊接，尽量选择对接接头形式，这种焊接方式可避免结构不连续，同时方面做无损检测；

③对于个别小型吸附器而言，无法避开的情况下，可采用增加设备壁厚，从而降低设备本体薄膜应力的办法来降低峰值应力；

④制造过程中，将所有焊缝打磨圆滑过渡，避免焊缝处结构不连续，降低峰值应力。