油气分离器罐低温环境下应力分析

李小波，李福送，张红光

（深圳寿力亚洲实业有限公司，广东深圳518068）

油气分离器罐低温环境下应力分析

李小波，李福送，张红光

（深圳寿力亚洲实业有限公司，广东深圳518068）

目前市场上的大部分油气分离器罐设计温度范围是-20～150℃，有少部分油气分离器罐在寒冷地区使用，其环境温度已经低于设计温度。利用ANSYS有限元分析软件进行模拟实际工况，系统的论证分析常规油气分离器罐不必按照低温压力容器去选型设计。当壳体或受压元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃后高于-20℃时，不必遵循低温压力容器规定。这样可以大大降低压力容器的使用环境温度，提高整个空压机产品的使用范围。

低温应力；油气分离器罐；焊缝应力；ANSYS

1 引言

目前，石油、矿山机械广泛使用的压缩机是移动式喷油螺杆空压机，它的优点是供气平稳、耐候性强、使用方便。移动式喷油螺杆空压机工作机理是：通过压缩机主机将气体压缩至油气分离器罐，然后油气分离器罐将油气分离，分离出的油则进油冷却器冷却后回到压缩机主机反复使用，分离出来的气体则对外供客户使用。那么一款好的油气分离器罐是整个移动式喷油螺杆压缩机的关键零件。矿山工地、石油基地的环境温度变化较大，尤其是冬天的时候，温度较低，环境温度低于-20℃，更需要耐候性较好的油气分离器罐。

本文通过Ansys有限元分析油气分离器罐在低温环境应力，结合空压机的实际使用时的情况，让油气分离器罐在低于-20℃的环境温度下，还能很好的使用。

2 油气分离器罐的应力分析

“低温低应力工况”是指壳体或受压元件的设计温度虽然低于或等于-20℃，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的1/6，且不大于50 MPa时的工况。一般空压机在低温开机时有较长时间的低压暖机，怠速暖机的压力为30PS（0.207 MPa），当环境温度为-26℃时，暖机时间设定为35 min。环境温度为-30℃，进行油气分离器罐的应力分析，按照怠速暖机压力0.207 MPa，环境温度为-30℃，进行油气分离器罐的应力分析，结果如图1：

图1 怠速暖机油气分离器应力

从分析结果可知，罐子环向应力最大为5.5 MPa远低与50 MPa，更低于屈服应力的1/6（油气分离器罐材料为Q345R，屈服应力为345，345/6= 57.5 MPa），因此该容器不属于低温压力容器范畴，设计合理。

3 焊缝应力分析

根据油气分离器罐的实际结构，进行简化建模，运用Ansys有限元的Steady-state Thermal和Static Structure模块对环境温度、焊缝高度与焊缝应力的关系进行联合仿真。

具体数值见表1、2：

表1 罐内压力为500psi时焊缝应力

表2 罐内压力为350psi时焊缝应力

从上面仿真及传热学计算结果可以看出：

（1）当内外壁面温差大（外壁-30℃、内壁：130℃）时焊缝应力最大，而且已经超出了材料的许用应力；

（2）焊缝高度对焊缝应力有直接影响，当焊缝高度减少时，应力增大；

（3）从稳态对流传热学计算的结果来看，外壁-30℃、内壁130℃的情况几乎不可能出现，该组仿真数据只具有趋势分析的参考性，不具备实际工程的应用性；

（4）外壁面-30℃、内壁面-20℃时焊缝应力虽然最小，但是此时材料的脆性大，许用应力应该会减小。

当环境温度为-30℃时，根据该压缩机稳态的排气温度为110～120℃，此时稳态对流传热学计算得出此时内壁面温度为115℃、外壁面为110℃（焊缝高度为6 mm，气体压力为500 psi）。

图2

4 压力容器外部温度仿真

运用该组内外壁面温度进行仿真得出焊缝应力如下：A=111.8MPa、B=107.25 MPa

仿真过程如图2（a）；网格划分如图2（b）；温度场分析如图3；将温度场作为输入条件进行静力分析结果如图4。

图3

图4

5 罐内隔板厚度对焊缝的影响

Ansys仿真过程中发现，油气分离罐内部隔板强度偏弱，变形量偏大如图5：

图5是2焊缝处的形变量，A焊缝处为0.6 mm、 B焊缝处为0.7 mm。（工况为：压力350 psi，隔板厚度6 mm，焊缝厚度6 mm，油气分离器内气体温度为115℃）

图5

6 结语

以上利用ANSYS有限元分析技术，对移动式喷油螺杆压缩机的油气分离器罐，在低温环境时各个点的应力进行模拟分析，得到比较真实可靠的实验理论数据。这些分析数据可以作为油气分离器罐在设计时的重要参考，特别是空压机在低温环境下使用时，为整个油路系统的设计提供参考。

大部分低温环境下使用的移动式喷油螺杆压缩机，在选型油气分离器罐时，若使用环境温度低于-20℃，可以根据压缩机的实际使用情况来看，大部分是不必选型低温压力容器，从而有效降低了整机的设计成本，提高了整机产品的有效应用范围。

［1］GB150-1998，钢制压力容器［S］.

［2］TSGR0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程［S］.

［3］JB/T4746-2002，钢制压力容器用封头［S］.

［4］JB/T4736-2002，补强圈［S］.

［5］JB/T4730.1～4730.6-2005，承压设备无损检测［S］.

［6］HG/T 20668-2000，化工设备设计文件编制［S］.

［7］JB 4708-2000，钢制压力容器焊接工艺评定［S］.

［8］JB/T4709-2000，钢制压力容器焊接规程［S］.

Stress Analysis of Oil and Gas Separator Tank under Low Temperature Environment

LI Xiao-bo，LI Fu-song，ZHANG Hong-guang
（Shenzhen Sullair Asia Ind.Co.，Ltd.，Shenzhen 518068，China）

Currently the design temperature range is-20℃ to 150℃ for most of oil and gas separator tank on market.The environment temperature is lower than the design temperature for a small part of this separator tank used in the cold area.In this paper，ANSYS finite element analysis software is used to simulate the actual condition，which systematically analyzes and verifies the common pressure vessel systems do not need to design according to the low temperature pressure vessel.When the shell or pressurized components used in the〝low temperature and low stress condition〝，if the design temperature higher than-20℃ after adding 50℃，it does not have to follow the low temperature pressure vessel regulations.So that it can greatly reduce the pressure vessel environment temperature，and then improve the use range of the whole of air compressor products.

low temperature stress；oil and gas separator tank；weld stress；ANSYS

O242.21 TE931+.1

:B

1006-2971（2014）06-0049-03

2014-06-18