主要內(nèi)容：對超設(shè)計使用壽命的旋風分離器進行定期檢驗，未發(fā)現(xiàn)明顯問題。分析認為旋風分離器的潛在失效模式為凈強度削弱導致的塑性失效，依據(jù)國家相關(guān)標準，確定了材料的相關(guān)性能參數(shù)，最后通過合于使用評價，確定旋風分離器在當前的工況下仍滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，可繼續(xù)運行至2022年7月。
關(guān)鍵詞：設(shè)計壽命；旋風分離器；失效模式；合于使用評價
旋風分離器是石油化工企業(yè)常用的一種壓力容器，其工作原理是:氣液混合介質(zhì)通過入口管線進入分離器，在分離器內(nèi)部做旋流向下傾斜式運動，由于介質(zhì)中夾帶的液體速率降低，在離心力的作用下被分離出來聚集在分離器內(nèi)壁上，最后匯集到集水槽中，經(jīng)自動疏水閥排出，分離后的干燥清潔氣體從分離器進入出口管線。
壓力容器的設(shè)計壽命不一定等于實際使用壽命，是因為其設(shè)計壽命受很多因素的制約，比如材料力學性能、金屬腐蝕速率、疲勞及蠕變等。但是當容器的運行時間超過設(shè)計壽命時，其安全裕度會降低，風險等級會提高[1]。因此，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定:達到設(shè)計使用年限或者未規(guī)定設(shè)計使用年限但使用超20年的壓力容器，如果要繼續(xù)使用，需進行定期檢驗，必要時進行合于使用評價[2]。
目前，國內(nèi)對帶缺陷壓力容器的合于使用評價方法有很多[3-5]，而對超設(shè)計使用壽命的壓力容器合于使用評價較少。受某企業(yè)委托，2019年7月對一臺超設(shè)計壽命的旋風分離器進行合于使用評價。
1 旋風分離器技術(shù)參數(shù)
該旋風分離器于1998年5月投入使用，已累計使用超過20年，其技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 旋風分離器技術(shù)參數(shù)
2 定期檢驗
依據(jù)TSG 21—2016的相關(guān)規(guī)定，對該旋風分離器進行了外部檢驗，包括宏觀檢查、壁厚測定、安全附件檢查、超聲檢測及磁粉檢測，經(jīng)檢驗未發(fā)現(xiàn)明顯問題。基于該旋風分離器服役時間已超設(shè)計使用年限，壁厚測定時除了筒體、封頭部位以外，對一些接管、人孔也進行了測厚，測厚部位及數(shù)據(jù)見表2。從表2可知，設(shè)備本體未發(fā)生明顯腐蝕減薄，腐蝕速率為0.1 mm/a。
表2 測厚部位及數(shù)據(jù)
3 潛在失效模式分析
該旋風分離器的材質(zhì)為16MnR，在66 ℃的操作溫度下不會發(fā)生蠕變，可排除蠕變失效模式；操作工況穩(wěn)定，可排除疲勞失效模式；工作介質(zhì)為水、天然氣及烴類，經(jīng)無損檢測未發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象，可排除應力腐蝕開裂模式。因此，可以判斷旋風分離器的潛在失效模式為凈強度削弱導致的塑性失效。
4 材料性能參數(shù)確定
由于該旋風分離器在正常使用中，不能對其材質(zhì)進行取樣，無法進行材料的力學性能試驗，故該材料的屈服極限、抗拉強度等常規(guī)性能參數(shù)取相關(guān)國標中的數(shù)值:彈性模量210 GPa，屈服極限325 MPa，抗拉強度490 MPa，泊松比0.3，許用應力163 MPa。
5 合于使用評價
在多向應力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)的應力強度需滿足5個強度準則。JB 4732—1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計標準》規(guī)定：一次總體薄膜應力強度SⅠ小于KSm,這里K值為1.0,Sm為許用應力；一次局部薄膜應力強度SⅡ小于1.5KSm；一次局部薄膜加一次彎曲應力強度SⅢ小于1.5KSm；一次加二次應力強度SⅣ小于3Sm；峰值應力強度SⅤ小于交變載荷下的疲勞許用值。16MnR材料在常溫下的許用應力為163 MPa。
考慮到該旋風分離器的載荷分布和幾何結(jié)構(gòu)特性，并充分利用計算機資源，對可能由工作載荷引起的高應力部位進行應力分析，具體分兩個模型進行。其中模型Ⅰ的分析部位為筒體+上封頭+進、出口接管，模型形式為1/4結(jié)構(gòu)應力分析模型；模型Ⅱ的分析部位為下封頭+接管，模型形式為1/4結(jié)構(gòu)應力分析模型。
5.1 模型Ⅰ應力分析
根據(jù)該旋風分離器幾何結(jié)構(gòu)和工作載荷的對稱性進行建模和網(wǎng)格劃分，分析時可采用軸對稱模型進行應力分析，其中筒體的長度L為1 500 mm，筒體、封頭壁厚分別取計算壁厚23.3 mm、24.0 mm，上人孔、進口接管、出口接管壁厚選取實測最小值。分析時選用SOLID185模擬筒體和封頭等結(jié)構(gòu)，采用映射面進行網(wǎng)格劃分，另外為了保證計算精度，沿筒體的壁厚方向劃分5層。該旋風分離器的應力分析模型及網(wǎng)格如圖1所示。
圖1 1/4模型及網(wǎng)格劃分
施加位移邊界條件和力邊界條件，見圖2。其中位移邊界條件主要是約束筒體下端面Y方向位移為零(Y方向為設(shè)備筒體軸向方向)以及在模型Ⅰ各對稱面上施加對稱位移約束；力邊界條件是在筒體、上封頭及接管內(nèi)表面施加工作載荷pc為3 MPa以及在各接管端面分別施加等效應力載荷p上人孔為21.75 MPa、p進、出口接管為21.9 MPa和p上封頭接管為16.5 MPa(等效應力載荷
其中ro為接管或人孔外半徑；ri為接管或人孔內(nèi)半徑)。通過計算，采用第三強度理論得到工作壓力作用下的應力強度SINT云圖(見圖3)，圖中紅色區(qū)域表示高應力區(qū)，藍色區(qū)域表示低應力區(qū)。
圖2 位移及力邊界條件
圖3 工作壓力下的應力強度SINT云圖
利用ANSYS的路徑分析功能，在高應力區(qū)部位建立如圖4所示的路徑。接著利用ANSYS路徑線性化功能對路徑下的應力強度進行分類。
圖4 應力線性化路徑
根據(jù)JB 4732—1995對各類應力強度進行評價，工作壓力下各路徑應力強度及評定結(jié)果見表4。
表4 各路徑應力強度及評定結(jié)果
5.2 模型Ⅱ應力分析
同模型Ⅰ一樣，采用軸對稱模型進行應力分析，下封頭和下封頭接管的計算壁厚分別為24.0 mm和9.3 mm，采用映射面劃分網(wǎng)格，如圖5所示。
圖5 下封頭1/4模型及網(wǎng)格劃分
模型Ⅱ位移和力邊界條件的施加，如圖6所示。位移邊界條件包括約束封頭上端面Y方向位移為零(Y方向為設(shè)備筒體軸向方向)和各對稱面上施加對稱位移約束；力邊界條件包括下封頭、下封頭接管，下封頭內(nèi)表面施加工作載荷pc為3 MPa,下封頭接管端面施加等效應力載荷p下封頭接管為15.9 MPa。然后采用第三強度理論，得到工作壓力作用下的應力強度 SINT云圖(見圖7)。
圖6 位移及力邊界條件
圖7 工作壓力下的應力強度SINT云圖
利用ANSYS的路徑分析功能，在高應力區(qū)部位建立如圖8所示的路徑。然后對路徑下的應力強度進行分類，依據(jù)JB 4732—1995對各類應力強度進行評價，評定結(jié)果見表5。
圖8 下封頭及下封頭接管應力線性化路徑
表5 各路徑應力強度及評定結(jié)果
從模型Ⅰ和模型Ⅱ的應力強度評價結(jié)果可看出該旋風分離器在操作壓力不超過3 MPa，操作溫度不超過66 ℃的工作條件下滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，可繼續(xù)安全運行至2022年7月。
6 結(jié) 語
(1)對旋風分離器進行了宏觀檢查、壁厚測定、安全附件檢查、超聲檢測及磁粉檢測，經(jīng)檢驗未發(fā)現(xiàn)明顯問題。
(2)通過分析旋風分離器的材質(zhì)、操作工況、工作介質(zhì)以及無損檢測的結(jié)果，得出旋風分離器的潛在失效模式為凈強度削弱導致的塑性失效。
(3)由于不能對旋風分離器進行取樣，無法進行材料的力學性能試驗，依據(jù)相關(guān)國標，確定了材料的彈性模量、屈服極限、抗拉強度、泊松比及許用應力。
(4)采用ANSYS建模進行模型的應力強度評價，結(jié)果可知，旋風分離器在當前的工況下滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，可繼續(xù)運行至2022年7月。
(5)在旋風分離器繼續(xù)運行期間建議使用單位嚴格控制運行參數(shù)，嚴禁超溫、超壓運行，避免內(nèi)壓力劇烈波動。
作者：宋耀民1，張 婧1,王曉博1，高 振2
1.中國特種設(shè)備檢測研究院；
2.中國石油氣電集團有限責任公司
