（化学工程专业论文）高效仰角式游离水脱除器的研究.pdf

中文摘要 仰角式游离水脱除器作为一种新型高效的油水分离器，是针对高含水采出液 而提出的。在高含水情况下要得到稳定的产量，必须处理大量的采出液，这样就 加重了油水分离器的运转负荷，因此研制开发新型高效的油水分离器，增加处理 量、提高分离效率、减少运营成本势在必行。高效仰角式游离水脱除器便应运而 生。 本文采用有限元软件a n s y s 对仰角式游离水脱除器进行了数值模拟研究。 通过改变游离水脱除器的结构参数及工艺条件对游离水脱除器的应力分布及位 移变化进行了系统的研究，得出以下主要结论： ( 1 ) 现场实际生产中所使用的直径为2 m ，长度为2 0 m ，壁厚为1 2 m m ，鞍 座中心距封头切线的距离彳为0 5 m ，仰角角度为1 2 的仰角式游离水脱除器其应 力应变均在校核范围之内。 ( 2 ) 仰角角度、鞍座位置以及工质密度对仰角式游离水脱除器关键部位的 应力分布和位移变化的影响呈现出一定的规律性。通过对不同鞍座位置模型的分 析与比较，验证了对于水平放置的薄壁卧式容器，鞍座越靠近封头越好这一理论 同样适用于具有一定倾角的容器。 ( 3 ) 通过对鞍座处于不同位置时筒体上的应力分布及位移变化的分析知， 对直径为2 m ，长度为2 0 m ，壁厚为1 2 m m ，鞍座中心距封头切线的距离彳为 0 5 m m ，仰角角度为1 2 的游离水脱除器而言，么值最好取1 5 锄，即纠l = 0 1 左右。 ( 4 ) 通过全面搭配试验及回归分析，确定了挠度、支座反力、当量应力、 等效应力、最大轴向拉应力与仰角角度、简体直径、简体长度这三个要素之间的 关系。在回归模型的基础上，编制了计算应力应变的程序，为工程的实际应用提 供了快速计算的界面。 关键词：仰角式游离水脱除器卧式容器a n s y s 应力分析 a b s t r a c t a san e wt y p eo fh i g he f f i c e n c yo i l - w a t e rs e p a r a t o r , t h ei n c l i n e do i l w a t e r s e p a r a t o rw a sb r o u g h tf o r w a r df o rh i g hw a t e rc u tp r o d u c e dl i q u i d i no r d e rt o g e t s t a b l ep r o d u c t i o ni nt h ec a s eo fh i g hw a t e rs a t u r a t i o n ，w em u s th a n d l eal a r g en u m b e r o fp r o d u c e dl i q u i d ，s ot h a tt h el o a do p e r a t i o no fo i l - w a t e rs e p a r a t o r sw i l lb ei n c r e a s e d g r e a t l y c o n s e q u e n t l y ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e wh i g h l ye f f i c e n t o i l 。w a t e r s e p a r a t o rt oi n c r e a s et h eh a n d l i n gc a p a c i t y , i m p r o v es e p a r a t i o ne f f i c e n c ya n dr e d u c e o p e r a t i n gc o s t i si m p e r a t i v e t h e nt h eh i g he f f i c i e n c yi n c l i n e ds e p a r a t o rf o rf r e e 。 w a t e rc a m ei n t oe x i s t e n c ea st h es i t u a t i o nr e q u i r e s t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oi n v e s t i g a t et h eo i l w a t e rs e p a r a t o ra n dc a l t y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb ym e a n so fa n s y s b yc h a n g i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n d p r o c e s sc o n d i t i o n so ft h ef r e e - w a t e rr e m o v a ld e v i c e ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e s t h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n dt h ec h a n g e so ft h ed i s p l a c e m e n ts y s t e m a t i c a l l y s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a t ： t h es 仃e s sa n ds t r a i no ft h eo i l w a t e rs e p a r a t o rw i t hd i a m e t e ro f 2 m ，l e n g t ho f 2 0 m w a l lt h i c k n e s so f12 m ma n dao fo 5 m ，w h i c hi su s e di na c t u a ls c e n en o w , a r ew i t h i nt h es c o p eo ft h ev e r i f i c a t i o n e l e v a t i o na n g l e ，s a d d l ep o s i t i o na n dd e n s i t yo fw o r k i n gf l u i da l lh a v eap r o m i n e n t i m p a c to nt h es t r e s s d i s t r i b u t i o na n dd i s p l a c e m e n tc h a n g ei nt h ek e yp a r t so ft h e v e s s e l ，a n dt h i s e f f e c ts h o w sac e r t a i nd e g r e eo fr e g u l a r i t y b ya n a l y s i sa n d c o m p a r i s o nt h em o d e lo fd i f f e r e n ts a d d l e t h i sp a p e rv a l i d a t e st h a t i t sb e t t e ri ft h e s a ( 1 d l em u c hm o r en e a rt h ev e s s e lh e a d ，a n dt h i st h e o r ya l s oa p p l i e st ot h ec o n t a i n e r m a th a sac e r t a i ni n c l i n a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i si sc a r r i e do u tf o rd i f f e r e n ts a d d l ep o s i t o n s ，a n d t h i st e l l su st h a t ：t h eb e s tav a l u ei sf r o m1 5 mt 0 2 m ，t h a ti sa l = 0 1e q u a l s 1 o rs of o rt h ei n l l n e do i l w a t e rs e p a r a t o rt h a ti su s e dn o w b ya d o p a t i n go fac o m p r e h e n s i v e t e s ta n dr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h i sp a p e r d e t e r m i n e st h er e l a t i o n s h i pb e t 、) l ，e e nt h ed e f l e c t i o n , t h ee q u i v a l e n t s t r e s s 也e m a x i n l u ma x i a lt e n s i l es t r e s s ，t h eb e a r i n gr e a c t i o nf o r c ea n de l e v a t i o na n g l e ，c y l i n d e r d i a m e t e r , c y l i n d e rl e n g t h b a s e do nt h er e g r e s s i o nm o d e l ，a na p p f i c a t i o np r o g r a m i s c o m p i l e d ，w h i c hp r o v i d e sar a p i dc a c u l a t i o ni n t e r f a c ef o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f e n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：i n c l i n e ds e p a r a t o r f o rf r e e - w a t e r , h o r i z o n t a lv e s s e l s ，a n s y s ， s t r e s sa n a l y s i s 符号说明 符号说明 鞍座中心距封头切线的距离，m 筒体直径，m 筒体长度，m 仰角角度，。 粒径为d i 的油滴分离效率， 油滴的浮升面积，m 2 处理量，r n 3 s 静水压力，心 水的密度，培m 3 筒体内径，m m 钢板在设计温度下的许用应力，m p a 简体的理论计算厚度，m m 简体的设计压力，m p a 焊接接头系数 腐蚀裕量， m m 壁厚负偏差，m m 么 d l 口 研 4 q p p 口 叫 万 豉 g g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储繇刘五花签字日期) 呷年乡月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李i j 丑牟乙 导师虢沈故 咚 签字日期：叼年占月臼签字日期：0 年f 月 1 。 第一章文献综述 1 1 研究背景 第一章文献综述 目前，我国的大部分油田已经进入了石油开采的中后期，单井产量日趋下降， 采出液的含水率不断上升，开采成本随之逐渐提高。为了保障石油资源的可持续 发展和安全稳定的供给【l 捌，如何经济有效地提高石油的采收率和改进油水分离 的工艺及设备成为我国石油厂商急待解决的问题，也是世界能源界关注的焦点。 为了稳定原油的产量，合理的利用有限的资源来满足世界经济的发展对石油能源 的不断需求，大多数油田都开始采用三次采油技术来改变注入水的特性，以提高 石油的采收率。 三次采油技术是石油开采在经历了一次采油和二次采油【3 】两个阶段之后发 展起来的。目前，三次采油技术已被广泛应用【4 ，5 】，主要有热力采油、混相采油、 微生物采油和化学驱采油技术，其中化学驱因其较好的适应性在我国油田中被广 泛采用。化学驱三次采油的发展依次经历了碱驱、聚合物驱、微乳液驱和三元复 合驱。继水驱和聚合物驱油技术之后，以注入碱、表面活性剂和聚合物作为驱油 介质的三元复合驱油技术作为最新的采油技术迅速兴起。由不同的化学试剂组成 的驱油剂，其作用有互补性和复配增效性，有利于提高驱油效率，取得良好的效 果，因此该技术近年来被广泛采用。 大庆油田开展了三元复合驱现场实验，并取得了比水驱和聚合物驱分别提高 采收率2 0 和8 以上的好效果。但由于三元复合驱睁1 0 】中使用了碱、聚合物和 表面活性剂，使得油水乳化严重，采出液更加稳定，破乳更加困难，原油脱水难 达标。清罐发现，现场所使用的游离水脱除器聚结填料堵塞严重，电脱水设备的 内件也出现污染。 因而，研究和开发具有抗堵塞性能的高效油水分离工艺及设备是解决三元复 合驱采出液油水分离的关键。 1 2 含聚后油水分离技术的研究 1 2 1 油水分离的原理 在一定的压力和温度下，油水混相在分离器内流动过程中，由于油、水二相 第一章文献综述 的密度差异，油滴在设备内上浮，水相则由于重力作用在设备内下沉【1 1 】。油滴的 浮升速度符合斯托克斯( s t o k e s ) 公式，即 轳警 ( 1 - 1 ) 式中。为油滴的浮升速度，m s ：d i 为油滴粒径，m ；p o 为油的密度，m s ； 成为水的密度，k g , n 3 ；1 t 为水的粘度，p 口j 。 对于一定粒径的油滴，由式( 1 1 ) 可导出其分离效率为： 绣：亟! 业d 2 ( 1 2 ) 。 1 8 a q 式中仇为粒径为喀的油滴分离效率，；4 为油滴的浮升面积，柳2 ；q 为处理 量，m 3 厶。 由公式( 1 - 2 ) 可以看出，油滴的分离效率只与油水的物性、油滴粒径、处 理量和油滴浮升面积有关。由此，在处理量一定的情况下，提高油滴分离效率的 主要方法有：增大油水二相间的密度差；增大浮升油滴的直径；增大油滴的浮升 面积；降低水相粘度。 根据上述理论，1 9 0 4 年哈真提出了“浅池原理9 99 即在浮升过程中1 2 】，分散 而非结绒颗粒的浮升效果是以颗粒的浮升速度与池子的表面积为函数来衡量的， 与池子深度、浮升时间无关”】。这是重力油水分离技术的基本理论之一。利用油 水的密度差使连续相中的液滴浮升或沉降而实现油水分离的重力分离法，因其无 须外加动力，不消耗药剂，无二次污染，运行维护费用低等特点而被广泛应用。 目前，国内大部分油田均采用重力分离法来实现油水的分离。 1 2 2 含聚后油水分离的特性 从常规的矿场实际出发，影响油水沉降分离特性的因素主要有：油、水粘度， 油水乳化程度，油水界面张力，油水密度差，沉降分离温度，停留时间等。 含聚合物后在常规分离温度和沉降时间下，油水沉降分离后污水含油量比较 高，且随聚合物浓度的增加而增高。这说明采出液含聚合物后，油水分离速度减 慢，油水沉降分离更加困难。油水沉降分离受采出液综合含水率影响也很大，综 合含水率越低，油水分离速度越慢。因此聚合物驱后油水分离难度最大的阶段是 聚合物见效后，采出液中聚合物浓度较高而综合含水率较低的阶段。 聚合物会使油水沉降分离特性变差的主要原因是：聚合物使水相粘度增高， 主要表现为油水沉降过程中，油滴与水滴相对移动阻力增大，移动速度减慢，从 而导致分离速度减慢，油滴在水相中的浮升速度变慢，分离所需要的时间增长。 第一章文献综述 含聚合物后采出液的性质有了较大的改变，从而对油水分离工艺产生了很大 的影响 1 4 j 5 。为了提高油水分离的效率，就需要对现有的分离工艺及设备进行改 进。 1 2 3 含聚后对游离水脱除器的影响 聚驱脱水站采用两段脱水工艺，一段为游离水脱除器，二段为电化学脱水、 净化油外输。 其中，游离水脱除器的工作原理是：高含水原油从进油口的喷头喷出后，气 体通过隔板的上沿缺口流向出口；隔板与头盖的空间中油、气、水迅速分成三相， 静止沉降分离约1 5 2 0 m i n ：由于油水密度的差异，油中的细分散游离水从油中 逐渐沉到油水界面以下，水中的浮油向上浮升到界面以上，在油水界面处进行油 水交换；脱除游离水后的原油，溢流到集油槽中，油从出油口排出，污水从出水 管排出。 随着采出液中聚合物含量的升高，聚合物采出液的沉降特性发生明显的变 化，在相同分离温度和沉降时间下，油水沉降分离后污水含油量和油中含水率都 比水驱高。同时，聚合物使水相粘度增高，油水沉降分离困难，游离水脱除器内 部的聚结填料堵塞严重。因此，游离水脱除器的处理能力与效率都大大降低。 1 2 4 现有游离水脱除器的改进 针对游离水脱除器聚结填料堵塞严重这一现象，目前主要有两种解决方案： ( 1 ) 在用游离水脱除器试验装置改造。主要是拆除了在用拆除了在用游离水脱 除器的填料，通过延长沉降时间来实现游离水的有效脱除。( 2 ) 进行适合于三元 复合驱聚结填料的开发。优选聚结填料有两个原则：一是有利于油中含水的降低； 二是新的聚结填料便于清理。经过填料的筛选试验，优选出了管式蜂窝型填料。 管式六角蜂窝型填料如图1 1 所示。该聚结填料的材质为陶瓷，具有通量大、不 易堵塞的特点。陶瓷具有亲水性，可以有效的降低脱水后的油中含水率，避免含 水过高对后续电脱水的影响。将在用的游离水脱除器内部的填料更换为管式蜂窝 型陶瓷填料，并将脱除器抬升一定的角度，有助于分离效率的提高 1 6 - 3 1 ，这就是 本文要研究的仰角式游离水脱除器。 第章文献综述 札 图l 一1 管式九角蜂窝型陶瓷填料 f i 9 1 - 1t u b e - t y p eh e x a g o m l h o n e y c o m b op a c k i n g 13 仰角式游离水脱除器 l31 仰角式游离水脱除器的结构 2 0 0 7 年大庆油田有限责任公司针对高含水采出液提出了一种高效的游离水 脱除装置，井申请了专利口”。高效游离水脱除装置包括有：支架：分离罐，其设 置在上述支架上，分离罐与水平面形成有一角度：出水几设置在分离罐的f 部： 出油口设置在分离罐的上部进液u 设置在分离罐中上部的侧壁上。本实用新型 对游离水脱除设备外形结构及内部结构进行了重新设计，采用仰角结构既有卧 式游离水脱除器油水界面面积大的优点又且有立式结构油的浮升距离夫、分离效 果好的优点。此外，由于具有一定倾角，先进入设备的油水混合液遇到壁面沿反 射角度折回，回流中的油滴与后进入设备的油滴碰撞、合并，倾角在设备中造成 的回流极有利于油水分离。 131 仰角式游离水脱除器的优越性 根据油水分离的基本i 论和浅池原理，分析影响油水分离效率的各个因素， 对相关因素进行改进，则可提高油水分离的效率，仰角式蝣离水脱除器便是在此 基础上提出来的。大庆石油学院口”运用粒级效率模型推导出仰角式游离水脱除器 的分离效率计算公式，编制了可视化的应用软件求解出分离效率，进步建立了 油滴聚并的时间模型，计算分离时间，得到了仰角式游离水脱除器的分离特性。 通过研究与分析得到仰角式游离水脱除器的以下优点： ( 1 ) 由于仰角式游离水脱除器有一定的倾角，在重力分力的作用下，液体 第一章文献综述 会自动的向水相出口流动，这样在分离器中不易形成死区，分离空间得到充分利 用，有利于提高油水分离效率。 ( 2 ) 根据图1 2 所示，可以看出当游离水脱除器抬高一定角度时，油滴的 浮升距离由水平放置时的矗变为h c o s c t ，其中口为仰角角度。在内装填料相同 的情况下，水平放聂的游离水脱除器的浮升面积为s = ：r r h ，仰角的浮升匿积为 s = ：r h c o s a ，因此，仰角式游离水脱除器与水平放置的游离水脱除器相比较， 其中的油滴浮升面积增大，根据浅池原理知，分离效率提高。 图1 - 2 仰角式游离水脱除器的内部构件 f i g 1 - 2t h ei n t e r n a l so f i n c l i n e do n w a t e rs e p a r a t o r ( 3 ) 在仰角式游离水脱除器中，由于设备具有一定的倾角，所以在分离器 中会分为两段，如图1 - 3 所示。 图1 - 3 仰角式游离水脱除器分离示意图 f i g 1 - 3d i a g r a mo f s e p a r a t i n go f i n c l i n e ds e p a r a t i o n 第一章文献综述 由于密度差的作用油相会聚集于分离器上段，而水相在下段，在水相上方分 离器的上壁面会聚集形成连续流动的油相层膜，后续上升的油滴到壁面时会与油 膜聚并，实现油水的分离。由于分离器具有定的倾角，油膜在重力差的作用下 连续流动，由于油膜的连续流动，表面不断更新，活性物质不能在油膜表面积累， 降低了对液滴聚结的影响，使液滴容易聚结，倾角还可以使层膜的滑动速度提高， 从而降低了层膜的厚度，使液滴的聚并时间减小，则油滴完成有效聚并流量上限 更大，这样允许的流量增加，处理量就增加。 由于仰角式游离水脱除器具有上述优点，因而，对其进行研究具有重要的意 义。 1 4 a n s y s 软件 1 4 1 有限元方法 有限元方法 3 4 - 3 8 是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种最有效的 现代计算方法。经过4 0 多年的研究与应用已经使各种不同的有限元方法形态相 当丰富，理论基础相当完善，并且开发了一批通用和专用有限元软件。有限元方 法正被日益广泛的用于计算机辅助工程分析，并与计算机辅助设计和计算机辅助 制造等合成为计算机集成制造系统。随着新产品设计与产品开发的需求日益增 加，产品质量与成本控制越来越严格，有限元计算技术显示出极大的优越性。它 可以帮助工业界降低成本，改进质量，缩短产品设计与开发的周期。因此，有限 元方法正逐步的大量用于汽车、飞机、机械、生物工程、建筑及桥梁，能源与化 工设备等。 目前国际上大型的有限元分析软件 3 9 , 4 0 主要有a n s y s ，n a s t r a n ，a s k a ， a u t o f o r m ，c f o r m ，e a t d y n a f o r m 等。在工程实践中，有限元软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：1 ) 增 加设计功能，减少设计成本；2 ) 缩短设计和分析的循环周期；3 ) 增加产品和工 程的可靠性；4 ) 采用优化设计，降低材料的消耗或成本；5 ) 在产品制造或工程 施工前预先发现潜在的问题；6 ) 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费：7 ) 进行机械事故分析，查找事故原因。 1 4 2a n s y s 简介 a n s y s 公司由匹兹堡大学力学系教授、有限元界权威j o h ns w a n s o n 博 士创立于1 9 7 0 年，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，目前是世界c a e 行业 第一章文献综述 中最大的公司，a n s y s 有限元程序是该公司的主要产品。 a n s y s 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是 在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该 反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。 一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法 进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。以a n s y s 为代 表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它在1 9 7 1 年的2 0 版本与今天的1 1 0 版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析， 现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答【4 2 舶】。 3 0 多年来，a n s y s 软件不断吸取新的计算方法和计算技术，随着交互方式 的加入，简化了模型的生成和结果的评价。特别是其强大的后处理功能，大大简 化了设计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析，减小了应力分析设计 时间，缩短了设计周期【4 丌。 a n s y s 为推动c a e 分析设计在机械和化工领域的普及做出了卓有成效的 工作，为提高我国压力容器的分析设计水平做出了巨大的贡献。依靠其卓越的发 现，a n s y s 软件成为第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务 院十七个部委推广使用的分析软件。 1 4 3a n s y s 在压力容器设计中的应用 压力容器是化工、石油化工、冶金、轻工、纺织、机械、核工业、食品、制 药以及航天航空工业中广泛使用的承压设备。压力容器是特种设备之一，它通常 是在一定压力与温度条件下工作，且其中的介质常常易燃易爆。压力容器的失效 无论是爆炸还是泄露往往都会造成巨大的损失，不仅有经济的损失甚至还有人员 的伤亡。因此压力容器的设计、制造、使用与管理都必须按规范进行，实行国家 强制许可制度，以保证其强度、刚度、稳定性及密封性能够满足要求。 在传统的设计中，鉴于压力设备安全问题的重要性，世界各工业国都制定了 相应的规范，其设计往往偏于保守，使得设计的容器显得又笨又重；另一方面， 保守的设计会引起用户和制造厂家成本上升，从而造成不必要的浪费。随着化工 设备向着大型化、复杂化、高参数化方向发展，作为压力容器零部件设计的常规 设计方法受到了冲击，受压零部件的设计越来越多地利用应力分析来完成。有效 地利用a n s y s 等c a e 工具进行有限元辅助分析设计，为化工机械设计提供了 强有力的技术保证 4 8 - 6 0 。 在压力容器行业，a n s y s 占据了国内9 5 以上的市场份额，成为压力容器 分析设计的事实上的标准。尤其是在1 9 9 5 年，全国锅炉压力容器标准化技术委 第一章文献综述 员会发布了j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器分析设计标准后，有限元的应用更是 上了一个台阶。 a n s y s 在压力容器设计【删中主要用于以下四个方面： ( 1 ) 压力容器不连续区应力分析。压力容器的不连续区往往是压力容器的 高应力区，由于不连续区的几何形状较为复杂，很难用常规的设计方法进行精确 求解。在压力容器分析设计中，存在三种典型的不连续结构有限元应力分析：高 压容器简体与封头的连接区应力分析和容器开孔接管区的应力分析、支座支撑区 的应力分析。 ( 2 ) 压力容器的稳定性分析。压力容器由于机械或热载荷作用往往在整体 或局部区域产生应力，当应力过大时则会引起结构整体或局部失稳。所谓压力容 器的失稳是指当容器所承受的载荷超过某一临界值时突然失去原来的几何形状 的现象。研究压力容器的稳定性的目的在于确定容器的临界载荷及其相应的失稳 模态，以改进加强措施，提高结构的抗失稳能力。 ( 3 ) 压力容器的接触分析。a n s y s 软件提供了强大的接触处理功能，支 持多种接触方式：面面接触、点面接触和点点接触。在压力容器中，大多数 物体之间的相互作用是通过接触来实现的，例如法兰与螺栓的连接、补强圈与筒 体之间的连接等。通过a n s y s 提供的接触分析功能模块就可以对这些物体之 间的应力进行分析。 ( 4 ) 压力容器的动力学分析。对于户外放置的直立式压力容器设备，应该 对其进行动力学分析，动力学分析包括模态分析、风载荷动力响应分析和地震载 荷动力响应分析。 从8 0 年代开始，由于有限元软件的成熟以及计算机技术的蓬勃发展，越来 越多的学者开始利用有限元的方法展开对压力容器的研究【6 2 6 5 1 。其中，z i c k 等人 对水平放置的卧式容器进行了大量的研究，确定了最佳鞍座位置等。很多学者围 绕这些问题做了进一步的研究和探讨 6 6 - 8 0 】。然而对于具有一定倾角的卧式容器， 目前还没有相关的研究。 1 5 研究内容 为了稳定原油的产量，合理的利用有限的资源来满足世界经济的发展对石油 能源的不断需求，三次采油技术被广泛采用。但是由于三次采油中使用了碱、聚 合物和表面活性剂，使得油水乳化严重，采出液更加稳定，破乳更加困难，原油 脱水难达标。清罐发现，现场所使用的游离水脱除器聚结填料堵塞严重。针对以 上问题，通过查阅大量的资料，综合考虑影响分离效率的因素，最终开发出了适 第一章文献综述 用于高含水采出液的仰角式游离水脱除器。此分离器与现场现有的油水分离器进 行连接形成一套改造工程量少、处理效率高、出水水质好的游离水脱除系统改造 工艺技术。既解决了问题，又节约了投资。 本论文的研究内容主要分为三部分： ( 1 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对现场所使用的直径为2 m ，长度为2 0 m ， 壁厚为1 2 m m ，仰角角度为1 2 。的游离水脱除器进行应力校核及位移变化的分析。 ( 2 ) 考察仰角角度、鞍座位置、工质密度等因素对游离水脱除器应力分布 及位移变化的影响。着重分析支座反力，支座中心处、圆筒跨中截面处简体上的 应力分布及位移变化情况。 ( 3 ) 通过全面搭配试验，分析挠度、支座反力、等效应力、当量应力、最 大轴向拉应力与仰角角度、筒体直径、简体长度这三个因素之间的关系。根据曲 面响应法，结合试验，回归出相关的模型方程。最后在回归模型的基础上，编制 应用程序，为工程的实际应用提供快速的计算界面。 第_ 二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 本章采用了有限元分析方法对直径为2 m ，长度为2 0 m ，壁厚为1 2 m m ，仰 角角度为1 2 ：的游离水脱除器进行了应力应变分析及强度校核，分析模型包括了 容器封头、鞍座及实际的边界条件。此外，利用a n s y s 中的路径操作，分析了 支座中心截面处、圆筒跨中截面处以及圆筒底、项部处简体上的应力分布及位移 变化情况。 2 1 模型建立 2 1 1 物理模型 建立计算游离水脱除器有限元模型之前，需要建立其物理模型。仰角式游离 水脱除器的结构简图，见图2 1 所示，其它的尺寸参数和材料常数可参见表2 1 和表2 2 。 图2 1 仰角式游离水脱除器的结构简图 f i g 2 - 1t h es k e t c ho f i n c l i n e do i l - w a t e rs e p a r a t o r 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 简体内径d o n u n 筒体长度l m m 简体壁厚衄 封头壁厚f 咖岫 鞍座中心距封头切线 的距离a m m 鞍座包角口度 垫板包角口度 垫板宽度b l m m 筋板宽度b 2 m m 仰角角度口度 设计压力p m p a 0 6 内充工质密度( k m 3 ) 1 0 0 0 2 1 2 有限元模型 由于本实体模型形状相对比较简单，所以在a n s y s 软件中直接生成实体模 型。为了使求解过程方便快速，采用编写命令流的方法。在a n s y s 的命令流输 入窗口输入求解所需的命令，通过执行这些命令便可实现问题的解答。 在构建容器的整体模型时，考虑到容器的各种开口接管对于整体来说影响相 对较小，从整体分析的角度其影响作用只是局部的，加之整体分析中重点计算在 各种载荷下容器壳体与鞍座相接部位及圆筒跨中截面处筒体的应力应变状况，因 此在构建整体分析模型时可将各种接管忽略。由于容器结构及载荷的对称性，故 计算时只取模型的1 2 。 o 2 o o l 啪 墨； 湖 挑 抡 姗 姗 坦 屹 湖 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 。眵夕 圈2 - 2 物理模型 f 镕2 p h y s i c a l m o d e l 建立模型的参考系如图2 2 ，将左侧椭圆形封头的中心定为参考坐标系的原 点。简体的纵向对称面设在y z 面上，垂直于y z 平面指向纸外的方向规定为x 轴正方向。由于设备具有一定的倾角，建立模型前需要建立局部坐标系。 2 2 网格生成 在建模过程完成以后，接下来要进行网格划分“4 ”，相当于将整个实体分解 成无数个不同位置、不同形状的“微元”这些“徽元”也就成了进行分析过程 中的无数个“传感器”。 由于本文中的仰角式游离水脱除器具有一定的倾角，在网格划分过程中首先 要调整坐标系，对简体进行切割，并需要不断的调节网格大小难度非常大。为 了满足计算精度的要求，计算中选用了2 0 节点六面体的s o l i d 9 5 的二次实体单 元。为了减少计算误差，在整个简体上采用体扫掠法生成规则的六面体单元，并 对鞋座部分的阿格进行了细化，垫板处则采用自由网格划分，单元划分如图2 - 3 所示。 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 23 边界条件与载荷 图2 - 3 有限元网格 f i g2 - 3f i n i t ee l e m e n t 卯d s 有限元分析的目的是了解模型对外部施加载荷的响应。正确地识别和定义载 荷并有效地实现仿真加载，是运用有限元分析工具的关键一步。正确施加各种 力边界条件及位移边界条件将直接影响分析结果的正确性，对于容器尤其如此， 因对其旌加各种载荷存在一定的技巧性。 1 ) 位移边界条件的施加 根据容器整体结构特性及承载特性，施加位移的边界条件：在整体结构的对 称面上施加对称约束，即在垂直于对称面的方向上无位移无转角，对称面上的剪 力为零：左鞍座底面施加铰链式约束，右鞍座的底面施加全约束。 2 1 压力载荷的施加 压力载荷为面力载荷，对单纯承受气体内压的情形只要选取内表面后施加均 匀内压即可，但对含有液拄静压力就应施加具有一定梯度的压力载荷施加这种 载荷后实质是已考虑了容器内充工质的重力载荷。 由于本苹所建立的模型具有一定的倾角，内充工质为水，所以需要对简体施 加具有一定梯度的静水压力，方向为垂直于筒体的内表面。所施加的具有一定梯 度的静水压力为： p = p g ( s i n t z j 。+ c o s o c d 、 ( 2 - i ) 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 式中p 为静水压力，p a ；p 为水的密度，k g m 3 ；口为仰角角度，。；三为简 体长度，m ；d 为筒体外径，m 。 3 ) 自重载荷的施加 自重载荷是一种体力，在有限元分析中是通过给定单元的材料密度和沿垂直 地面的重力加速度来施加的。在a n s y s 中重力载荷是作为惯性力来施加的，重 力加速度的方向与通常方向相反。 考虑到容器在充满液体状态、无内压条件下为最危险的情况，所以以此工况 为计算条件。 2 4 圆筒的应力校核与调整 卧式容器设计计算的一般顺序是先按常规计算圆筒、封头的壁厚，然后验算 圆筒跨中截面处以及支座处筒体截面上的局部应力。当某一局部应力超过允许值 时，应该首先考虑对与之相关的参数进行调整，以期达到在不增大圆筒壁厚的条 件下，局部应力能满足要求，最终达到节约钢材的目的。 根据容器的结构和受载情况，卧式容器需要验算的局部应力一般包括以下几 种：在支座处圆筒截面和圆筒跨中截面上的轴向应力；在支座处圆筒截面上 的切向剪应力；在支座处圆筒截面上的周向应力。 本节将从以上几个方面，对直径为2 m ，长度为2 0 m ，壁厚为1 2 r a m ，仰角 角度为1 2 。的游离水脱除器进行细致的应力应变分析，a n s y s 强大的后处理功能 为我们快速实现这种分析提供了手段。在a n s y s 软件的后处理中，用户要查看 结点或单元的计算结果，有三种方式可以实现：用等值线的方式，包括彩色云 图或等值线；采用向量方式；采用文本文件的方式。同时，该软件也可以用 图示或列表的方式来显示用户所定义截面上节点计算结果的分布，a n s y s 称为 路径操作p a t ho p e r a t i o n 。用户可以通过单元的节点、在当前工作平面上指定的 点和通过点的实际坐标值等三种方式来定义路径。 由于本文采用体扫掠方式划分的单元，离散单元较规则，因此通过单元节点 来定义路径，对关键部位进行详细的应力应变分析比较方便。 本节旨在阐明双鞍座对称布置、a = o 5 月。、仰角角度为1 2 。的游离水脱除器， 其圆筒中关键部位应力的分布及位移的变化情况及其校核方法，并对当应力超过 允许值时相关参数应如何调整进行了讨论。 2 4 1 圆筒轴向应力的校核与调整 卧式容器圆筒中的轴向应力由两部分组成：一部分是由轴向弯曲力矩引起的 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 轴向弯曲应力；另一部分是由设计压力引起的轴向应力【8 6 1 。 计算轴向弯曲应力时首先要确定圆筒的危险截面。由设计压力引起的轴向应 力o 。属于一次薄膜应力，它在圆筒中的所有横截面上均相同。所以，圆筒的危 险截面是根据轴向弯曲应力的大小来确定的。根据卧式容器的特点可知，圆筒跨 中截面处和支座处的筒体截面为危险截面。 危险截面处有限元的结果由以下分析图给出。在所有的应力图中，负值表示 压应力，正值表示拉应力。在所有的位移图中，负值表示位移向内，正值表示位 移向外。在彩色云图中，红色表示应力或位移的最大值，蓝色表示最小值。 图2 _ 4 是圆筒跨中截面处简体外表面上的轴向应力分布情况。可以看出， ( 1 ) 容器顶部目= 1 8 0 。处承受轴向压应力，而底部秒= 0 。处承受拉应力。 ( 2 ) 圆筒跨中截面上最大轴向压应力位于截面最高点处，约为3 0 m p a ；最 大轴向拉应力位于截面最低点处，约为2 5 m p a ，均在许用应力范围之内。 ( 3 ) 在圆筒中间处截面上，由弯矩引起的最大轴向压应力位于截面最高点； 由弯矩引起的最大轴向拉应力位于截面最低点。这些应力分布的变化趋势与相关 文献中的理论推导一致，从而验证了模拟结果的正确性。 母 r 箧 匣 暴 周向距离。 图2 4 圆筒跨中截面处简体外表面上的轴向应力 f i g 2 - 4t h el o n g i t u d es t r e s so i le x t e r n a ls u r f a c eo f t h ec y l i n d e ra tt h em i d d l ep o s i t i o n 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 c 。 q r 崔 霍 暴 周向距离。 图2 5 左鞍座中心处筒体截面外表面上的轴向应力 f i g 2 - 5t h el o n g i t u d es t r e s so ne x t e r n a ls u r f a c eo ft h ec y l i n d e ra tt h el e f ts a d d l ep o s i t i o n 图2 5 是左鞍座中心处简体截面外表面上的轴向应力分布情况。可以看出， ( 1 ) 与鞍座接触的简体部分，轴向应力比较小，变化幅度也较小。 ( 2 ) 在鞍座尖角处，即6 0 附近存在着明显的应力集中区域，但是由于鞍座 的支撑作用，此处最大的轴向压应力要明显小于鞍座边缘处的最大轴向压应力。 在鞍座处筒体截面上最大轴向拉应力位于9 0 。附近的位置。最大应力值均小于许 用应力。 如果圆筒的轴向应力超过允许值时，可对轴向应力进行调整；如果容器的安 装空间允许，在容积不变的条件下，把容器的长径比增大，可使轴向应力下降， 常用的卧式容器的长径比为3 “或增加圆筒的壁厚。 2 4 2 鞍座处圆筒切向剪应力的校核与调整 对双鞍座卧式容器而言，容器重量所引起的最大竖直剪力出现在鞍座截面 处。因此，必须校核鞍座处圆筒截面上的剪应力。 当封头对圆筒有加强作用时，即4 0 5 r ，圆筒中的最大切向剪应力f 位于m 圆筒上靠近鞍座的边角处。校核条件为：圆筒切向剪应力不应超过设计温度下材 料许用应力的o 8 倍，即r o s m ，其中f 仃1 为设计温度t 下材料的许用应力。 虽然在a n s y s 新一代的a w e 界面下，可以直接观察分析对象的最大剪应 力分布，但是在经典界面下，是无法直接获得最大剪应力数据结果的，此时可根 据第三强度理论考核最大剪应力，利用当量应力强度s i n t 来变通地实现：当量 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力应变分析 应力强度s 矾t 的定义为：吒；肘“( 旧一吒 i a ：一巳| | 吧一q 1 ) 。显然，在三向应 力状态下口，= h q l * 而最大剪应力则为：( q 一吒) 2 。因此- 从数值上， 切向剪应力等于以，2 。 囝2 - 6 左鞍座处的应力强度分布矗捌 f i g2 6 t h e d l s 岍b u n o n o f s 廿e s ss 姐g m m 岫】e r d m 。p o s i t i o n 图2 - 6 是左鞍座处的应力强度分布云图。可以看出，应力强度的最大值位于 左鞍座的内侧边角处，即图示的 硝处。在设计中左鞍座和垫板连接处的高应 力集中区应设计为过渡曲面以避免应力集中的现象，使设计更加科学安全。 图2 7 分别是左、右鞍座内侧边角处简体的应力强度分布斟。可以看出， ( 1 ) 左鞍座内侧的应力强度要高于右鞍座内侧的应力强度，这是由于倾角 的作用导致左、右鞍座受力不均而引起的。 ( 2 ) 圆筒的最大切向剪应力位于圆筒上靠近鞍座边角处，昂大应力强度值 约为1 2 0 m p a 。根据前面的推导可知，最犬切向剪应力等于口。2 ，所以最大剪应 力为6 0 心阳，小于许用应力1 1 3 坳的08 倍。 第二章高效仰角式游离水脱除器的应力府变分析 周向距离。 a ) 左鞍座处简体内侧的应力强度 周向距离。 b ) 右鞍座处简体内侧的应力强度 图2 7 左、右鞍座处简体内侧的应力强度 f i g 2 - 7t h es t r e s ss t r e