基于有限元分析的輸氣場站 過濾分離設備承載能力分析

張健，李強林，王文燕，伊巖，姜兆元 (.山東省天然氣管道有限責任公司，山東 濟南 5000； .國家管網集團青寧天然氣分公司，江蘇 揚州 5000；.山東省國實管道天然氣有限公司，山東 濟南 5000)

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的提出和生態環境建設的需要，我國對天然氣的需求量越來越大，而長輸管道作為天然氣最主要的運輸方式之一，已獲得越來越高的認可和重視，管道運行安全也是愈加重要[1-3]。從集氣站、天然氣凈化站或者LNG接收站來的天然氣，由于長距離輸送或其他原因，有時會帶有少量的游離水或砂粒等雜質，這些固體、液體雜質不僅會增加管道的阻力，降低輸氣管道的氣質，而且影響設備、閥門和儀表的正常運轉和計量的準確性，腐蝕管道內壁，使其磨損加速、使用壽命縮短。因此，通常在分輸場站設置分離除塵設備，分離氣體中攜帶的粉塵、雜質和上游凈化裝置異常情況下可能出現的液體，以保證下游氣質的干凈。因此，過濾分離系統對分離粉塵雜質、提高天然氣的潔凈度、延長設備使用壽命等起到了很關鍵的作用。

目前，常用過濾分離設備主要包括旋風分離器和重力式分離器。旋風分離器是依據旋風除塵原理對管路中的塵埃進行分離的除塵裝置，其主要功能是盡可能除去輸送介質氣體中攜帶的固體雜質和液滴，達到氣固液分離，以保證管道及設備的正常運行，對于10 μm及以上的固體或液體顆粒有較好的分離效果，一般能達到99%以上；重力分離器主要功能是盡可能除去輸送氣體中攜帶的固體雜質和液滴，達到氣固液分離，以保證管道及設備的正常運行，重力分離器一般可以分離直徑為10～30 μm及以上的固體或液體顆粒，加裝補集器的重力分離器對直徑為于5～10 μm及以上的固體或液體顆粒有較好的分離效果，可以達到99%。在實際生產中，氣流的沖擊往往會使設備本體和錨固點承受應力，而且長時間的工作會導致分離器出現壁面磨損等現象，如不通過日常管理及時發現或進行有效處置，將會導致設備故障甚至事故發生。為找出應力分布規律以及設備壁厚等臨界運行參數，本文借助三維造型軟件SolidWorks結合設計測繪參數對常見旋風分離器和重力式分離器模型進行制作[4-6]，同時借助有限元分析軟件ABAQUS對某種工況下設備承受應力情況以及臨界運行壁厚參數進行分析，以指導設備運行管理和維護保養，保障安全生產。

1 過濾分離設備三維模型設計

重力式分離器主要由圓柱形筒體、氣體進出口、傘形板、捕霧器、排污口、人孔、清灰口以及支腿等部分組成，天然氣由進氣口進入筒體，流動截面積突然擴大很多，流速減小，天然氣與其中的液、固體雜質密度有差異，質量不同，液固顆粒下降速度大于氣流上升速度，液固顆粒下沉器底，氣流上升從出口管輸出，從而實現液固雜質與氣體的分離。旋風分離器主要由圓柱形筒體、氣體進出口、旋風子、傘形板、捕霧器、排污口、人孔、清灰口以及支腿等部分組成，其核心部件是旋風分離組件，當氣流從切線方向進入旋風分離器時，由于氣體與塵粒的質量不同，所產生的離心力也就不同，結果是質量較大的塵粒被拋到外圈，依靠入口速度的動量和重力沿壁面下落，進入灰斗，而旋轉下降的氣流在進入錐體時，因錐體的收縮而向旋風子中心靠攏，其切向速度不斷提高，當到達錐體某一位置時，即以同樣的旋轉方式反轉而上，形成內旋氣流，經出口管流出。通過對分離器結構、原理進行分析以及對相關參數進行測量，借助三維造型軟件，制作得到常見結構重力式分離器和旋風分離器的三維模型，具體如圖1所示。

圖1 重力式分離器、旋風分離器三維模型圖

2 重力式分離器承載能力分析及臨界運行參數模擬

結合某場站實際運行工況，重力式分離器原始壁厚16 mm，工作運行壓力為2 MPa，對分離器承載能力進行分析，如圖2所示。

圖2 某工況下重力式分離器應力云圖

通過圖2可以看出，最大應力集中處分布在重力分離器4個支撐腳座處，主要原因是由于重力分離器內壓分布不均導致支撐腳座處存在橫向剪切力，對重力分離器的底座產生橫向剪切作用，因此要保證支撐腳的強度并做好固定。此外，入口焊接處相對承受應力較大，要重點做好該部位壁厚測試和狀態監測。

為找出臨界運行參數，通過做壁厚減薄2 mm仿真，從壁厚16 mm減薄至12 mm，如圖3所示。

圖3 壁厚12 mm應力分布云圖

通過應力云圖可以看出，當壁厚減薄至12 mm時，整個重力分離器已基本達到材料的屈服極限，若繼續使用下去有可能出現壁面爆破，出現生產事故，因此在日常管理工作中，要及時做好壁厚檢測等工作。

3 旋風分離器承載能力分析及臨界運行參數模擬

結合實際工況，旋風分離器原始壁厚30 mm，工作運行壓力為2 MPa，對分離器承載能力進行分析，如圖4所示。

圖4 某工況下旋風分離器應力云圖

通過圖4可以看出，最大應力集中處分布在旋風分離器4個支撐腳座處，主要原因是由于旋風分離器內壓分布不均導致支撐腳座處存在橫向剪切力，對旋風分離器的底座產生橫向剪切作用，因此要保證支撐腳的強度并做好固定。此外，入口及液位計連接法蘭焊接處相對承受應力較大，要重點做好該部位壁厚測試和狀態監測。

為找出臨界運行參數，通過做壁厚減薄2 mm仿真，從壁厚30 mm減薄至26 mm，如圖5所示。

圖5 壁厚26 mm應力分布云圖

通過應力云圖可以看出，當壁厚減薄至26 mm時，整個旋風分離器已基本達到材料的屈服極限，若繼續使用下去有可能出現壁面爆破，出現生產事故，因此在日常管理工作中，要及時做好壁厚檢測等工作。

4 結語

通過有限元分析模擬，重力式分離器和旋風分離器最大應力集中處分布在4個支撐腳座處，因此要保證支撐腳的強度并做好固定。

針對重力式分離器，入口焊接處相對承受應力較大；針對旋風分離器，入口及液位計連接法蘭焊接處相對承受應力較大，因此，要重點做好這些部位壁厚測試和狀態監測。

壁厚減薄對分離器承載能力影響較大，因此要做好日常維護保養和測試監測工作。