基于ANSYS仿真的天然氣過濾分離器管板的研究

孫捷飛 劉洪濤 康小丹

摘 要：天然氣過濾分離器，其濾芯過濾效率為：粉塵達到99%以上，液滴達到98%以上。濾芯材質為聚酯纖維，由于濾芯的過濾作用，導致濾芯兩側產生壓降，而建議更換濾芯的壓降不大于0.12MPa，由此濾芯內外兩側的設計壓差為0.12MPa，由于本設備為多腔容器，作為支撐濾芯的管板則承受著相應的壓差，作為主要受壓元件的管板，由于無法采用常規方法計算，因此我們采用ANSYS仿真模擬幾種管板厚度，通過主要部位的應力值分布對管板的強度進行研究。用于仿真模型的參數，參考烏蘭察布市察右前旗天然氣綜合利用一期項目中烏蘭察布首站用天然氣過濾分離器。

關鍵詞：天然氣過濾分離器;管板;仿真分析

天然氣過濾分離器，作為天然氣管道中重要的分離設備，用于分離天然氣中的粉塵及水滴?；窘Y構如圖1。天然氣由左側腔體中天然氣進口進入，沿著濾芯的外表面進入內表面，最后到達右側腔體，由天然氣出口輸出。

1.天然氣過濾分離器管板的設計誤區

由于濾芯直徑為φ114mm，因此，與濾芯連接的支撐管通常為φ108mm，濾芯中心距為125mm，由于沒有直接的計算方法，因此大家通常采用以下辦法來考慮管板的厚度

A.按照無開孔的平封頭厚度。

B.參照GB/T151-2014計算厚度

C.與筒體等厚

2.管板厚度的理論分析

采用無開孔的平封頭計算，得到計算厚度，根據實際情況元整至13mm。

按照無開孔的平封頭的設計厚度作為管板的厚度，確實有不妥，由于管板實際開了很多孔，這些管孔對管板的強度有一個削弱作用，而管子又對管板進行了補強。這樣確定的厚度，可能會偏與冒進，導致容器發生損壞。

而參考GB/151-2014《熱交換器》來設計時，熱交換器管板的計算通常取其強度削弱系數μ=0.4即管板的有效厚度=管板的名義厚度X（1 - 0.4）作為其初始的管板厚度，用該厚度進行強度校核，如果校核不合格，則適當微調管板厚度，直至管板中心、管板布管周邊、管板的邊緣三個位置的徑向應力評定合格為止。但是《熱交換器》適用于孔間帶效率Λ=0.2～0.35，即孔間小橋寬度與管間距之比，本案例Λ=0.056，遠低于標準值，因此，強度削弱系數μ也需要進行大量試驗和理論的研究

采用與筒體等厚的情況通常適用于容器設計壓力較低的工況，采用與筒體相同的壁厚可以減少采用難度，提高材料的綜合利用率。但本設備的設計壓力為12.6MPa，屬于高壓設備，筒體的設計壁厚相對較厚，如果采用等厚的管板，務必增大了焊接量，管板的取值特別保守。

3基于ANSYS的應力分析

3.1三維模型如圖2

3.2管板厚度分別采用以上三種情況分別計算：

工況1：管板厚度13mm

工況2：管板厚度22mm

工況3：管板厚度34mm

根據云圖可知

根據以上云圖對比結果顯示，在管板厚度從22mm增加到34mm后，管板頂端附近筒體應力值幾乎不改變，管子內壁應力值降低6%，這個影響非常小，因此，可以判定工況3的管板的厚度相比工況2的厚度增加并沒有帶來實際的經濟效益，而重量上卻增加180%

4結語

通過以上分析得知，高壓天然氣過濾分離器的管板厚度應采用仿真軟件進行模擬計算后確定，由于管板為該設備的主要受壓元件，雖然其承受的壓差很小，但是與管板連接的筒體，承受的彎曲應力也會影響管板的厚度，因此通過以上的研究得出結論。應重視并采用仿真軟件進行天然氣過濾分離器的管板強度校核。避免由于其強度破壞而出現重大危險事故。

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