疲劳设备分析

从80年代起,变压吸附工艺技术得到了广泛的应用和推广。在这类项目中有吸附器这样的以疲劳为典型特征的特殊压力容器设备。疲劳设备的局部结构尺寸和主体壳体厚度取决于2个因素:

1. 静强度载荷

2. 压力波动疲劳效应

为解决这个技术难题,设备技术人员进行了大量的研究和试验,并根据研究成果进行了工程设计应用。到目前为止成套设计应用的吸附器装置保守的估计也有千余套,全部都运行的安全稳定,设备服役期间没有发生过任何故障。近几年来有限元应力分析技术的运用使得吸附器的静强度计算、疲劳分析技术如虎添翼,给工程总承包项目带来了巨大的经济效益,这个优点自从有限元技术使用以来就得到了反复验证。我们在总承包项目中涉及到很多的制造厂设备监造,对整个设备的制造、检验工艺有充分的了解。对类似吸附器这样的疲劳设备从分析、优化、设计、制造各个环节的技术掌握的非常透彻。目前压力容器的静强度计算和疲劳分析应用经过很多项目的实践检验,这方面的技术已算是千锤百炼,具体的应用驾轻就熟。

 

对于90年代的变压吸附设备绝大多数是采用对比经验法设计的,以现在的技术水平来看,这种方法应用于一些压力比较高的工况会导致设计过于保守的必然结果。疲劳的工况决定了设备有其特定的使用寿命。然而,早期的对比经验法的保守设计使得设备的实际使用寿命能比图纸注明的寿命长的多,但具体能延长多长的使用寿命要根据具体的工况来计算确定,这一部分也正是有限元应力分析所独有的优势。

吸附器对应力分析技术的需要性:

吸附器的设备特征:

1. 压力波幅大,波动范围常常在-0.1~3.4MPa以内,2009年以来,有个别制氢项目压力达到5MPa。在一个很大的压力波动范围内升压降压。

2. 使用年限长,设计使用寿命一般要求在10~20年,压力波动周期短,常常是几百秒一个循环。总循环次数一般为几十万次。目前工程实践中做过的,循环次数最大的达到百万次。

3. 尤其对于制氢、制CO2,提纯工艺,压力峰值一般都比较大,常常在2~3MPa以上。

4. 为达到气体提纯分离纯度,一般都需要多塔吸附,一套PSA装置的吸附器台数一般为6塔、8塔甚至12塔。作为核心设备的吸附器在整个PSA系统中的非标设备制造费用占了很大的比例。

5. 随着PSA工艺技术的发展,目前PSA制氢、制氮、制CO2,工程项目有逐渐大型化的趋势,设备直径也随之增大,吸附器直径常常在2米以上,有的甚至达到3米以上。制造吨重相应有很大提高。目前最大的直径为3.6m。

6. 由于微裂纹、应力集中对疲劳破坏的敏感性,吸附器的结构设计是很讲究的,在制造上有很多独特的技术细节,制造检验要求基本上都是按三类设备的要求,设备的制造吨价费用是相当高的。

由此可以看出吸附器表现为压力波幅大、循环次数多、台数多、吨位大、制造费用高等特征。因此设备的结构壁厚的确定直接影响设备的重量,最终体现在设备造价总投资上。以工程实例对比,采用常规设计的吸附器壁厚应力分析的。

常规设计疲劳设备,尤其是吸附器,经常因为其疲劳载荷使得设备壳体很厚,这带来以下不利因素:

1. 材料吨重过大导致设备造价太高。以工程实例为对比,有的工况采用应力分析后,把常规经验设计下壁厚56mm的壳体减到38mm。常规经验设计的经济代价过于昂贵。

2. 过厚的板材造成实际加工的巨大困难,对于厚度38mm和56mm的板材机加工卷板难度是天壤之别。

3. 以焊接工艺常识而言,薄板比厚板容易焊接。薄板更容易实现焊缝的成型焊透,相对于厚板的焊接量小,焊接变形小,更容易保证焊接接头区焊接成型合格率。

4. 设备的工程施工周期一般都比较紧张,非常规厚度尺寸的压力容器厚板材不容易在市场上购买,要专门定做。在施工中很容易出现因备材困难所导致的时间消耗、工期拖延。

 

采用应力分析的法律法规的必要性:

在我们以前的工程设计中,根据工艺工况参数,在设计方法上有2种选择:

a. 对比经验法设计

b. 应力分析

按最新的压力容器监察规程精神,应用对比经验法的各项条件变得的非常苛刻,按照国家压力容器标准委员会的精神,实际是在将来的技术发展中,逐渐推广应力分析的应用,而严格限制进而逐步淘汰对比经验法。因此,应力分析技术在化工行业的应用,从国家政策导向大趋势来看,已经成为一种必然。

 
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