主要内容：对超设计使用寿命的旋风分离器进行定期检验，未发现明显问题。分析认为旋风分离器的潜在失效模式为净强度削弱导致的塑性失效，依据国家相关标准，确定了材料的相关性能参数，最后通过合于使用评价，确定旋风分离器在当前的工况下仍满足结构强度的要求，可继续运行至2022年7月。
关键词：设计寿命；旋风分离器；失效模式；合于使用评价
旋风分离器是石油化工企业常用的一种压力容器，其工作原理是:气液混合介质通过入口管线进入分离器，在分离器内部做旋流向下倾斜式运动，由于介质中夹带的液体速率降低，在离心力的作用下被分离出来聚集在分离器内壁上，最后汇集到集水槽中，经自动疏水阀排出，分离后的干燥清洁气体从分离器进入出口管线。
压力容器的设计寿命不一定等于实际使用寿命，是因为其设计寿命受很多因素的制约，比如材料力学性能、金属腐蚀速率、疲劳及蠕变等。但是当容器的运行时间超过设计寿命时，其安全裕度会降低，风险等级会提高[1]。因此，TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定:达到设计使用年限或者未规定设计使用年限但使用超20年的压力容器，如果要继续使用，需进行定期检验，必要时进行合于使用评价[2]。
目前，国内对带缺陷压力容器的合于使用评价方法有很多[3-5]，而对超设计使用寿命的压力容器合于使用评价较少。受某企业委托，2019年7月对一台超设计寿命的旋风分离器进行合于使用评价。
1 旋风分离器技术参数
该旋风分离器于1998年5月投入使用，已累计使用超过20年，其技术参数见表1。
表1 旋风分离器技术参数
2 定期检验
依据TSG 21—2016的相关规定，对该旋风分离器进行了外部检验，包括宏观检查、壁厚测定、安全附件检查、超声检测及磁粉检测，经检验未发现明显问题。基于该旋风分离器服役时间已超设计使用年限，壁厚测定时除了筒体、封头部位以外，对一些接管、人孔也进行了测厚，测厚部位及数据见表2。从表2可知，设备本体未发生明显腐蚀减薄，腐蚀速率为0.1 mm/a。
表2 测厚部位及数据
3 潜在失效模式分析
该旋风分离器的材质为16MnR，在66 ℃的操作温度下不会发生蠕变，可排除蠕变失效模式；操作工况稳定，可排除疲劳失效模式；工作介质为水、天然气及烃类，经无损检测未发现有开裂现象，可排除应力腐蚀开裂模式。因此，可以判断旋风分离器的潜在失效模式为净强度削弱导致的塑性失效。
4 材料性能参数确定
由于该旋风分离器在正常使用中，不能对其材质进行取样，无法进行材料的力学性能试验，故该材料的屈服极限、抗拉强度等常规性能参数取相关国标中的数值:弹性模量210 GPa，屈服极限325 MPa，抗拉强度490 MPa，泊松比0.3，许用应力163 MPa。
5 合于使用评价
在多向应力状态下结构内的应力强度需满足5个强度准则。JB 4732—1995《钢制压力容器分析设计标准》规定：一次总体薄膜应力强度SⅠ小于KSm,这里K值为1.0,Sm为许用应力；一次局部薄膜应力强度SⅡ小于1.5KSm；一次局部薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ小于1.5KSm；一次加二次应力强度SⅣ小于3Sm；峰值应力强度SⅤ小于交变载荷下的疲劳许用值。16MnR材料在常温下的许用应力为163 MPa。
考虑到该旋风分离器的载荷分布和几何结构特性，并充分利用计算机资源，对可能由工作载荷引起的高应力部位进行应力分析，具体分两个模型进行。其中模型Ⅰ的分析部位为筒体+上封头+进、出口接管，模型形式为1/4结构应力分析模型；模型Ⅱ的分析部位为下封头+接管，模型形式为1/4结构应力分析模型。
5.1 模型Ⅰ应力分析
根据该旋风分离器几何结构和工作载荷的对称性进行建模和网格划分，分析时可采用轴对称模型进行应力分析，其中筒体的长度L为1 500 mm，筒体、封头壁厚分别取计算壁厚23.3 mm、24.0 mm，上人孔、进口接管、出口接管壁厚选取实测最小值。分析时选用SOLID185模拟筒体和封头等结构，采用映射面进行网格划分，另外为了保证计算精度，沿筒体的壁厚方向划分5层。该旋风分离器的应力分析模型及网格如图1所示。
图1 1/4模型及网格划分
施加位移边界条件和力边界条件，见图2。其中位移边界条件主要是约束筒体下端面Y方向位移为零(Y方向为设备筒体轴向方向)以及在模型Ⅰ各对称面上施加对称位移约束；力边界条件是在筒体、上封头及接管内表面施加工作载荷pc为3 MPa以及在各接管端面分别施加等效应力载荷p上人孔为21.75 MPa、p进、出口接管为21.9 MPa和p上封头接管为16.5 MPa(等效应力载荷
其中ro为接管或人孔外半径；ri为接管或人孔内半径)。通过计算，采用第三强度理论得到工作压力作用下的应力强度SINT云图(见图3)，图中红色区域表示高应力区，蓝色区域表示低应力区。
图2 位移及力边界条件
图3 工作压力下的应力强度SINT云图
利用ANSYS的路径分析功能，在高应力区部位建立如图4所示的路径。接着利用ANSYS路径线性化功能对路径下的应力强度进行分类。
图4 应力线性化路径
根据JB 4732—1995对各类应力强度进行评价，工作压力下各路径应力强度及评定结果见表4。
表4 各路径应力强度及评定结果
5.2 模型Ⅱ应力分析
同模型Ⅰ一样，采用轴对称模型进行应力分析，下封头和下封头接管的计算壁厚分别为24.0 mm和9.3 mm，采用映射面划分网格，如图5所示。
图5 下封头1/4模型及网格划分
模型Ⅱ位移和力边界条件的施加，如图6所示。位移边界条件包括约束封头上端面Y方向位移为零(Y方向为设备筒体轴向方向)和各对称面上施加对称位移约束；力边界条件包括下封头、下封头接管，下封头内表面施加工作载荷pc为3 MPa,下封头接管端面施加等效应力载荷p下封头接管为15.9 MPa。然后采用第三强度理论，得到工作压力作用下的应力强度 SINT云图(见图7)。
图6 位移及力边界条件
图7 工作压力下的应力强度SINT云图
利用ANSYS的路径分析功能，在高应力区部位建立如图8所示的路径。然后对路径下的应力强度进行分类，依据JB 4732—1995对各类应力强度进行评价，评定结果见表5。
图8 下封头及下封头接管应力线性化路径
表5 各路径应力强度及评定结果
从模型Ⅰ和模型Ⅱ的应力强度评价结果可看出该旋风分离器在操作压力不超过3 MPa，操作温度不超过66 ℃的工作条件下满足结构强度的要求，可继续安全运行至2022年7月。
6 结 语
(1)对旋风分离器进行了宏观检查、壁厚测定、安全附件检查、超声检测及磁粉检测，经检验未发现明显问题。
(2)通过分析旋风分离器的材质、操作工况、工作介质以及无损检测的结果，得出旋风分离器的潜在失效模式为净强度削弱导致的塑性失效。
(3)由于不能对旋风分离器进行取样，无法进行材料的力学性能试验，依据相关国标，确定了材料的弹性模量、屈服极限、抗拉强度、泊松比及许用应力。
(4)采用ANSYS建模进行模型的应力强度评价，结果可知，旋风分离器在当前的工况下满足结构强度的要求，可继续运行至2022年7月。
(5)在旋风分离器继续运行期间建议使用单位严格控制运行参数，严禁超温、超压运行，避免内压力剧烈波动。
作者：宋耀民1，张 婧1,王晓博1，高 振2
1.中国特种设备检测研究院；
2.中国石油气电集团有限责任公司
