变压吸附(PSA)法是近20 年来发展起来的一项新型气体分离与净化技术。PSA 系统内压力变化频繁, 循环次数很高。因此如何保证在设计寿命内, 整个系统能长期稳定运转而不产生疲劳失效, 是必须要解决的关键问题。生产过程中,设备及管道存在升压、吸附、逆放、均压过程的循环往复构成了变压吸附的工艺流程。
管道材料应该根据工艺流体的介质、温度和压力来选择, 同时必须考虑疲劳的影响。PSA 提纯H2 装置一般选择碳钢。根据碳钢的疲劳曲线(不知道什么叫做疲劳曲线的同学自己翻阅JB4732、ASMEBPVC VIII-2 或参考下图)可以看出:当循环数(N)<5 ×103 时, 材料的强度极限(σb)上升, 材料的许用应力幅度(S a)下降;当N >5 ×103 时σb 上升, Sa 下降。因而选材要根据设计的循环次数, 高强度钢材并不一定适应所有情况下的疲劳工况。因此所选材料除满足工艺要求的一定的机械强度外, 还应具有良好的抗疲劳性。
常规的管道设计, 在管道的设计寿命内, 循环次数一般都低于7000 , 管子壁厚是按常规设计来确定的。但在PSA 管道中, 压力变化很频繁, 循环次数很高。在设计寿命周期内, 疲劳循环达到79 .5 ×10^4 次以上, 属高疲劳范畴。根据ANSI/ASME B31 .3 中301 .10 条规定, 在管道设计中必须考虑疲劳影响, 仅以常规设计来确定壁厚显然就不合适了。现以某项目PSA 装置为例, 将按常规设计和疲劳分析计算的两种壁厚作一比较。在设计温度下的材料应力强度σt 和弹性模量Et :Ⅰ 工作循环载荷0 .03 ~ 2 .45 MPa 工况对应的工作循环次数:N1 =5 .3 ×104 ×15 =7 .95 ×10^5S a1t =S a1E/E t =88 .4 ×210 000/191 000=97 .2MPa式中:S a1 —第一种工况对应的许用应力幅,MPa ;σt ———设计温度t 下设计应力强度,MPa 。
根据分析设计标准JB4732 , 采用应力指数法估算壁厚。以DN200 为例。根据工况条件, 其中主工况工作循环载荷波动范围为0 .03 ~ 2 .45MPa , 大于设计压力的20 %,且循环次数为N1 =7 .95 ×105 >1 000 , 而水压和气密性试验工况次数很低, 对管系的累计损伤影响不大, 故管道承受疲劳载荷主要发生在主工况下。由于管系内疲劳失效主要发生在结构不连续处,如三通、弯头、法兰等部位, 尤其在三通处, 因此通常以三通处的计算厚度来确定管系的厚度。对于PSA 0 .03 ~ 2 .45 MPa 工作工况, σmin可以忽略, 即σmin = 0 ;考虑主工况对应许用应力幅Sa1t =1/2σmax =1/2 σσ=2 σa1t =2 ×97 .2 =194 .4 MPaS =IC × PD/(2σt φ+P ) =3 .3 × 2 .695 ×219/(2 ×194 .4 ×1 +2 .695)=4 .98 mm由表1 对比可见, 疲劳破坏对壁厚影响是很大的, 由此可以看出PSA 管道壁厚确定主要应由疲劳条件来决定。在确定管道材料、壁厚及完成管道规划后, 需对所设计的管系进行疲劳寿命的校核。疲劳分析为基础的设计是以应力分析为基础,在满足一次应力和二次应力的限制条件的前提下, 利用设计疲劳曲线, 评价结构承受疲劳载荷的能力。②根据应力分析求得应力最大点的应力值,按公式S a = 12 (σmax -σmin)求得最大交变应力强度幅Sa 。③对于求得的Sa 值按公式S at =S aE/Et进行温度效应修正。
④在所用设计疲劳曲线图上纵坐标取该值,求对应的允许循环次数N允。
⑤将允许循环次数N允与预计循环次数N 进行比较。若N允<N , 则必须作如下调整: