基于有限元法的甲醇回收精馏塔强度计算及安全评价

张益铭

中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安 710077

在天然气的开采过程中，气藏压力使地层水渗入，而一般采用的排水采气工艺也会产生气田水。为防止形成水合物堵塞气井，通常需要注入大量的甲醇来抑制天然气水合物的形成。甲醇注入分为井口注醇和站内注醇两种工艺，甲醇在注入管道后在集气站伴随天然气脱水，从而产生气田含甲醇污水[1]。为了保护环境、降低开采成本、提高经济效益，必须回收并循环利用含醇污水中的甲醇。目前，各大油气田一般采用基于化学预处理——常压精馏工艺的甲醇回收系统[2]。在鄂尔多斯盆地，2010年以前就已建成11处天然气污水处理场，共有15套含醇污水处理装置，总处理污水能力约50万m3/a，其中实际处理污水约30万m3/a，回收甲醇约8.0万t/a[3]。

含醇污水的水质特点是矿物质、悬浮物、油分和机械杂质含量较高，pH值较低[2]。主要是由于在天然气开采过程中定期注入成分复杂的缓蚀剂和甲醇，污水吸收了天然气中的H2S和CO2等使之成为易结垢、腐蚀性强的复杂污水体系[4-6]。因此，在回收甲醇的同时，含醇污水也会对精馏塔等设备产生很强的腐蚀[7]。随着壁厚腐蚀，设备不可避免地会发生相应的结构强度、应力改变。Adib-Ramezani[8]研究了腐蚀缺陷形式对管道承受的极限压力及应力集中的影响，认为应力一般集中在钝化缺口，而轴向缺陷和径向缺陷将导致高度的应力集中，且随着缺陷深度的增加，管道的剩余强度将加速减小。考虑到管道实际工作环境中的载荷、弯矩及腐蚀缺陷情况的影响，可依据API 579或有限元等方法进行分析[9]。为了评价精馏塔在使用过程中的应力状况，本文采用有限元法[10]对结构进行模拟计算，得出各部分的应力数值；同时综合考虑塔身材料及腐蚀速率等情况，探讨精馏塔的服役现状及剩余寿命。

1 精馏塔的有限元模型

1.1 模型结构

由于某典型精馏塔（见图1）本身构造较为复杂，将塔身依不同壁厚分为三段，采用Pro/E软件分别建立三维计算模型，模型中省略了对整体强度影响较小的保温层和人孔等部件，同时将整体重力通过换算附加到模型材料的密度值上。通常情况下，建模的形式有全尺寸对称模型、1/2模型以及1/4模型等[11]，精馏塔为对称结构，因而建立1/2模型即可，如图2所示。

图1 精馏塔

图2 计算模型示意

1.2 网格划分

计算采用结构分析软件ANSYS Workbench Environment（AWE） 12.0，采用20节点的186单元对有限元实体模型进行网格划分，并采用sweep命令，得到较为理想的六面体网格，如图3所示。划分的网格单元总数为37 596，节点总数为201 332。

图3 精馏塔网格划分示意

2 载荷加载及约束条件

塔身材料为Q245R钢，材料参数为：弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，材料密度为ρ=7.85×10-9t/mm3。

考虑精馏塔内部介质及附属部件的影响，塔的总质量为10.95 t，将总质量通过换算全部附加到塔身上，则整体的密度为ρ1=9.35×10-9t/mm3。

为探讨塔的应力分布，模型采用精馏塔初始阶段的实测壁厚，即19、13、11 mm。

2.1 地震载荷的计算

结构的固有震动参数是承受动态载荷结构设计中的重要参数，因此要计算风载荷和地震载荷，首先要计算精馏塔结构的固有频率。

精馏塔为变径的塔式容器，根据直径的变化分为三级，为了简化计算，采用等直径、等壁厚塔式容器来估算其振动特性。塔身的厚度取各段塔身厚度在高度方向的加权平均值，根据SH/T3001-2005《石油化工设备抗震鉴定标准》[12]，等直径、等壁厚的塔式容器，基本自振周期T1（单位：s）：

式中：H为塔式容器的总高，取29 250 mm；m0为塔式容器的操作质量，取10 950 kg；Et为容器壳体的弹性模量，取2×105MPa；t为塔式容器壳体的加权壁厚，取15.44 mm；D1为塔式容器内径，取800 mm。以上数据代入公式（1），求得T1为1.17 s。

精馏塔是直立设备，可以看成是固定在地面上的悬臂梁结构，当地震发生时，地面的震动可以近似分为水平加速度和竖直加速度，地震的水平加速度给塔身施加水平载荷，使设备产生很大的附加弯矩，竖直加速度则叠加在原有的重力加速度之上，使设备产生超重效应。根据SH/T 3001-2005，按照抗震设防烈度8，取水平地震影响系数最大值αmax=0.16。

由精馏塔自振周期T1=1.17 s，按照SH/T 3001-2005可以求得水平地震影响系数为：

式中：T9为特征周期，s，根据场地类别按照SH/T 3001-2005，取0.4。

竖向地震影响系数最大值为：

2.2 风载荷的计算

精馏塔在使用过程中经受一定速度的风吹绕过设备，会在设备上形成相应的水平作用力，使设备受到弯矩作用，所以有必要对精馏塔身的风载荷进行数值模拟。

根据JB/T4710-2005《钢制塔式容器》[13]顺风向水平风力P1（单位：N）：式中：K1为体型系数，取0.7；K21为塔式容器各计算段的风振系数，当容器高H≥20 m时，取2.57；q0为基本风压值，根据GB 50009-2001《建筑结构载荷规范》[14]，内蒙古鄂尔多斯乌审旗地区50年一遇的风压值为550 N/m2；f1为风压高度变化系数，当器式容器高度为29.25 m、地面粗糙类别为B类时，取1.4；l1为计算段长度，取塔高29 250 mm；De1为容器各计算段的有效直径，其外部保温层厚100 mm，不考虑塔身外部其他附加物，取有效直径938 mm。

以上数据代入公式（4），解得P1为38 000 N，施加在最不利的方向。

2.3 载荷与约束的施加

根据精馏塔结构的对称性，在结构的对称面上施加对称约束。塔的内表面施加P0=0.15 MPa的设计内压；塔身底座施加全约束。

考虑重力、风载荷的影响。由于精馏塔结构是对称模型只取1/2模型分析即可，施加在模型上的水平力为P1的一半，为19 000 N。施加在最不利的方向，风向为X负方向。

考虑重力地震载荷的影响，水平向地震加速度为：

竖直向的地震加速度为：

式中：g为标准重力加速度，9 806.6 mm/s2。

数值代入式（5）～（6），求得：

a1=588 mm/s2， a2=10 101 mm/s2。

在X正方向，施加加速度a1；在Y负方向，施加加速度a2。

3 计算结果及寿命评估

3.1 计算结果

精馏塔有限元计算结果如图4所示，从图4（a）可以看到整体结构应力值较大的区间分布于塔身下部，塔身上部应力值较小，一般都低于30 MPa。图4（b）为应力峰值的局部示意，最大应力为83.64 MPa。同时在A区域应力值都较大，可以看到该处应力值一般都超过了60 MPa，局部甚至超过了70 MPa。这说明该区域存在很大程度的大拉应力分布。虽然此处不是塔身的最大应力处，但较广范围的大应力仍然会影响塔身服役中材料的抗腐蚀和抗疲劳等性能。

图4 精馏塔应力云图

图5给出了最大应力处沿厚度方向的分布。由图4、5可以看到外表面附近的应力最大，这主要是因为风速和水平加速度的共同作用，同时由于该处塔身直径变化剧烈，因此该处也容易产生应力集中。塔身相对较高的，可以将其作类似于悬臂梁结构处理，因此最大应力处的外表面承受了较大的张开应力。服役过程中也是裂纹最容易产生的区域。

图5 应力沿厚度方向分布

3.2 寿命评估

Q245R钢在130℃时许用应力为130 MPa，以此值为标准，来评价精馏塔的使用寿命。通过实地测量精馏塔各段的厚度，得到年平均腐蚀速率约为0.43 mm。使用Design Explorer优化模块建立what-if关系来计算第n年精馏塔的最大应力值σmax，设定130 MPa为目标量来求得n值。

精馏塔寿命评价曲线如图6所示，其中第15年σmax为129 MPa，第16年为138 MPa，第17年为154 MPa。可以看到第16年σmax已经超过了Q245R钢的许用应力，同时从第16年开始，最大应力值的增长幅度明显变大，因此可以认为精馏塔使用寿命为15年。

图6 精馏塔寿命评价

4 结论

本文基于有限元法，分析了精馏塔的塔身应力分布，评估了精馏塔的剩余寿命，得出以下结论：

（1）精馏塔整体结构应力值较大的区间分布于塔身下部，最大应力处的外表面承受了较大的张开应力，服役过程中容易产生裂纹。

（2）通过计算得出塔身的使用总寿命为15年，考虑到实际中已经服役了6年，因此预期塔身的安全使用期限还剩9年。

（3）影响精馏塔使用寿命的主要因素是塔身的腐蚀速度，尤其是在使用后期，这种负面效应更加剧烈。为了延长精馏塔的使用期限，建议采取一定的措施减缓腐蚀。

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