基于有限元分析的输气场站 过滤分离设备承载能力分析

张健，李强林，王文燕，伊岩，姜兆元 (.山东省天然气管道有限责任公司，山东 济南 5000； .国家管网集团青宁天然气分公司，江苏 扬州 5000；.山东省国实管道天然气有限公司，山东 济南 5000)

0 引言

随着“一带一路”倡议的提出和生态环境建设的需要，我国对天然气的需求量越来越大，而长输管道作为天然气最主要的运输方式之一，已获得越来越高的认可和重视，管道运行安全也是愈加重要[1-3]。从集气站、天然气净化站或者LNG接收站来的天然气，由于长距离输送或其他原因，有时会带有少量的游离水或砂粒等杂质，这些固体、液体杂质不仅会增加管道的阻力，降低输气管道的气质，而且影响设备、阀门和仪表的正常运转和计量的准确性，腐蚀管道内壁，使其磨损加速、使用寿命缩短。因此，通常在分输场站设置分离除尘设备，分离气体中携带的粉尘、杂质和上游净化装置异常情况下可能出现的液体，以保证下游气质的干净。因此，过滤分离系统对分离粉尘杂质、提高天然气的洁净度、延长设备使用寿命等起到了很关键的作用。

目前，常用过滤分离设备主要包括旋风分离器和重力式分离器。旋风分离器是依据旋风除尘原理对管路中的尘埃进行分离的除尘装置，其主要功能是尽可能除去输送介质气体中携带的固体杂质和液滴，达到气固液分离，以保证管道及设备的正常运行，对于10 μm及以上的固体或液体颗粒有较好的分离效果，一般能达到99%以上；重力分离器主要功能是尽可能除去输送气体中携带的固体杂质和液滴，达到气固液分离，以保证管道及设备的正常运行，重力分离器一般可以分离直径为10～30 μm及以上的固体或液体颗粒，加装补集器的重力分离器对直径为于5～10 μm及以上的固体或液体颗粒有较好的分离效果，可以达到99%。在实际生产中，气流的冲击往往会使设备本体和锚固点承受应力，而且长时间的工作会导致分离器出现壁面磨损等现象，如不通过日常管理及时发现或进行有效处置，将会导致设备故障甚至事故发生。为找出应力分布规律以及设备壁厚等临界运行参数，本文借助三维造型软件SolidWorks结合设计测绘参数对常见旋风分离器和重力式分离器模型进行制作[4-6]，同时借助有限元分析软件ABAQUS对某种工况下设备承受应力情况以及临界运行壁厚参数进行分析，以指导设备运行管理和维护保养，保障安全生产。

1 过滤分离设备三维模型设计

重力式分离器主要由圆柱形筒体、气体进出口、伞形板、捕雾器、排污口、人孔、清灰口以及支腿等部分组成，天然气由进气口进入筒体，流动截面积突然扩大很多，流速减小，天然气与其中的液、固体杂质密度有差异，质量不同，液固颗粒下降速度大于气流上升速度，液固颗粒下沉器底，气流上升从出口管输出，从而实现液固杂质与气体的分离。旋风分离器主要由圆柱形筒体、气体进出口、旋风子、伞形板、捕雾器、排污口、人孔、清灰口以及支腿等部分组成，其核心部件是旋风分离组件，当气流从切线方向进入旋风分离器时，由于气体与尘粒的质量不同，所产生的离心力也就不同，结果是质量较大的尘粒被抛到外圈，依靠入口速度的动量和重力沿壁面下落，进入灰斗，而旋转下降的气流在进入锥体时，因锥体的收缩而向旋风子中心靠拢，其切向速度不断提高，当到达锥体某一位置时，即以同样的旋转方式反转而上，形成内旋气流，经出口管流出。通过对分离器结构、原理进行分析以及对相关参数进行测量，借助三维造型软件，制作得到常见结构重力式分离器和旋风分离器的三维模型，具体如图1所示。

图1 重力式分离器、旋风分离器三维模型图

2 重力式分离器承载能力分析及临界运行参数模拟

结合某场站实际运行工况，重力式分离器原始壁厚16 mm，工作运行压力为2 MPa，对分离器承载能力进行分析，如图2所示。

图2 某工况下重力式分离器应力云图

通过图2可以看出，最大应力集中处分布在重力分离器4个支撑脚座处，主要原因是由于重力分离器内压分布不均导致支撑脚座处存在横向剪切力，对重力分离器的底座产生横向剪切作用，因此要保证支撑脚的强度并做好固定。此外，入口焊接处相对承受应力较大，要重点做好该部位壁厚测试和状态监测。

为找出临界运行参数，通过做壁厚减薄2 mm仿真，从壁厚16 mm减薄至12 mm，如图3所示。

图3 壁厚12 mm应力分布云图

通过应力云图可以看出，当壁厚减薄至12 mm时，整个重力分离器已基本达到材料的屈服极限，若继续使用下去有可能出现壁面爆破，出现生产事故，因此在日常管理工作中，要及时做好壁厚检测等工作。

3 旋风分离器承载能力分析及临界运行参数模拟

结合实际工况，旋风分离器原始壁厚30 mm，工作运行压力为2 MPa，对分离器承载能力进行分析，如图4所示。

图4 某工况下旋风分离器应力云图

通过图4可以看出，最大应力集中处分布在旋风分离器4个支撑脚座处，主要原因是由于旋风分离器内压分布不均导致支撑脚座处存在横向剪切力，对旋风分离器的底座产生横向剪切作用，因此要保证支撑脚的强度并做好固定。此外，入口及液位计连接法兰焊接处相对承受应力较大，要重点做好该部位壁厚测试和状态监测。

为找出临界运行参数，通过做壁厚减薄2 mm仿真，从壁厚30 mm减薄至26 mm，如图5所示。

图5 壁厚26 mm应力分布云图

通过应力云图可以看出，当壁厚减薄至26 mm时，整个旋风分离器已基本达到材料的屈服极限，若继续使用下去有可能出现壁面爆破，出现生产事故，因此在日常管理工作中，要及时做好壁厚检测等工作。

4 结语

通过有限元分析模拟，重力式分离器和旋风分离器最大应力集中处分布在4个支撑脚座处，因此要保证支撑脚的强度并做好固定。

针对重力式分离器，入口焊接处相对承受应力较大；针对旋风分离器，入口及液位计连接法兰焊接处相对承受应力较大，因此，要重点做好这些部位壁厚测试和状态监测。

壁厚减薄对分离器承载能力影响较大，因此要做好日常维护保养和测试监测工作。