曹丽华 曹加胜 王云伟 李 勇

(1. 东北电力大学能源与动力工程学院；2. 秦山核电有限公司)

基于流固耦合方法的压缩机入口滤网的应力分析*

曹丽华**1曹加胜1王云伟2李 勇1

(1. 东北电力大学能源与动力工程学院；2. 秦山核电有限公司)

以国内某大型煤化工厂合成气压缩机入口滤网为例，分别采用结构静力学分析方法和流固耦合方法对其进行数值分析。结果表明：滤网内外表面压差远大于管道进出口压差；管道进出口压差超过安全值是造成滤网损坏的原因；对冲孔滤网进行应力分析时应采用流固耦合方法计算应力，并采用基于第四强度理论的强度准则进行校核。

循环气压缩机 冲孔滤网 流固耦合 结构静力学分析

由于我国富煤、贫油、少气的资源结构，煤制油、煤制醇醚燃料及煤制烯烃等新型煤化工在国内发展迅速，且主要集中在内蒙古，而内蒙古褐煤产量丰富。粉煤加压气化技术可以充分利用品质较差的褐煤，提高碳转化率，降低排污率。但该技术需抽取气化工段出口的合成气，经加压后送回气化炉冷却。由于合成气中存在灰分，容易造成循环气压缩机入口滤网堵塞，使设备无法正常运行，因此，对压缩机滤网的设计尤为重要。

循环气压缩机入口滤网是由冲孔板卷制而成的，结构简单，方便清理维修，能很好地满足工艺要求。然而现有的滤网多是设备厂家根据工艺条件按照企业各自的标准和经验进行设计的，力学性能参数不够详细，给企业运行带来一定影响。尤其是新厂调试阶段，由于工艺操作条件波动大，若按设计要求就会造成频繁停车，使试车工作进度缓慢，为了加快进度，企业就会根据自身经验和设备运行状况，在超出设计要求的条件下运行。目前已有学者对冲孔滤网进行了研究，李勇等对滤网的整流作用进行了研究，但没有对滤网的应力变化趋势进行研究[1]；杜跃成利用布孔削弱系数方法计算了多孔板厚度[2]；陈惠亮等利用第四强度理论对多孔平板进行了结构静力学分析，结果表明第四强度理论偏于安全[3]；徐小龙等根据JB 4732-1995对压力容器大开孔进行了应力分析，但未对均布小孔进行应力分析[4～6]。

笔者利用流固耦合方法和结构静力学分析方法对冲孔滤网进行数值模拟，分别采用第三、第四强度理论对流固耦合结果进行应力分析评定，寻找滤网损坏的原因和符合工程应用的应力分析评定方法，为冲孔滤网的设计和使用提供参考。

1 计算模型

1.1设计参数

某大型煤基烯烃项目气化工段的循环气压缩机入口滤网设计参数为：管道内径476mm，滤网入口内径368mm，滤网高479mm，圆孔直排，孔径6.4mm，正方形布孔间距11.24mm，板厚3mm，滤网入口带有90°弯头，直管段长1 200mm，滤网前后压差的设计报警值是0.05MPa，设计停车值是0.08MPa。根据实际测量，弯头前压力为3.40MPa，流量为3×105Nm3/h。材料选用316L不锈钢板。

1.2物理模型

笔者采用Solidworks和Gambit对循环气压缩机入口滤网建模。考虑到实际中钢板厚度存在负偏差，取其值为2.7mm，外部管道做薄壳处理。由于存在大量的孔，流域形状不连续，为保证网格质量，将计算域划分为两部分，直管段采用四面体网格，弯头段采用六面体网格。经过网格无关性验证，整个计算域的网格数约为261万(图1)。

图1 循环气压缩机入口滤网模型网格划分

1.3控制方程和湍流模型

数值模拟方法是把时间域和空间域上连续的物理场用有限个离散点表示，并建立离散点间的关系方程，通过迭代方法求解这些方程的近似解。笔者主要是对滤网进行应力分析，不考虑流体、固体的能量传递，故只采用连续性方程和动量守恒方程，选用标准k-ε方程模型，通过设置边界约束条件，当方程解的残差值小于10-5时，认为收敛。

绝热可压缩流体的连续性方程为：

(1)

式中t——时间，s；

U——速度矢量，m/s；

ρ——流体密度，kg/m3。

动量守恒方程为：

(2)

(3)

(4)

式中Su、Sv、Sω——动量守恒方程的广义源项；

u、v、ω——速度矢量U在x、y、z方向上的分量，m/s；

μ——动力粘度，Pa·s。

湍流强度I的计算式为：

I≈0.16(Re)-1/8

(5)

结构静力学分析中，线性结构动力方程为：

(6)

式中C——阻尼矩阵；

F——节点所受到的力；

K——刚度矩阵；

M——质量矩阵；

X——有限元节点位移；

虚功原理方程为：

δE=δW

(7)

式中E——虚变形能；

W——力F做的虚功。

2 流场计算结果与分析

利用Fluent软件对不同工况下滤网管段内的流场进行模拟，图2为滤网剖面的速度矢量和压力分布云图。从图2可以看出：介质流经滤网，由于孔的存在，使孔附近的速度和压力分布变得极不均匀，在滤网内外表面处的流速有较大差异；在局部放大图中，孔处流速最大可达110m/s；流场的最大压力在弯头和滤网内表面，最小压力在滤网外表面。

图2 滤网剖面的速度矢量和压力分布云图

对进出口压差为0.04～0.10MPa的工况进行模拟计算，结果见表1。从表1可以看出：滤网内表面压力最大值与外表面压力最小值之差要远大于管道进出口压差，且两者近乎为线性关系。

表1 滤网内外表面压力计算结果 MPa

3 应力分析

随着计算机技术的发展，软件模拟方法从原来的结构静力学分析发展到了流固耦合分析。在压力容器和管道中，结构静力学分析是将物料压力看作载荷；而流固耦合分析不但考虑到了物料压力，还考虑了物料流动的影响，能更真实地反映受力情况。

3.1结构静力学分析

对管道进出口压差为0.10MPa的工况进行结构静力学分析，将内表面压力的最大值3.42MPa看作内表面载荷，外表面压力最小值3.20MPa看作外表面载荷，有限元分析结果如图3所示。图中最大应力位置与最大变形位置不在同一处，最大应力位置靠近滤网底部，而最大变形位置约在1/3高度处；最大应力值约为32.35MPa，远小于许用应力，满足强度要求，不需要做进一步的应力分析。

图3 采用结构静力学分析方法时滤网的等效应力和应变分布云图

3.2流固耦合分析

流固耦合涉及到流体求解和固体求解，考虑了流场的特性，更接近物理现象本身规律。图4是管道进出口压差为0.10MPa时的等效应力和应变分布云图，利用Mechanical自带工具指出了最大等效应力和最大变形位置，从图4可以看出：最大等效应力位置和最大变形位置几乎在同一处。

图4 采用流固耦合方法时滤网的等效应力和应变分布云图

通过流固耦合方法分析得到的最大等效应力值为76.56MPa，已接近许用应力77MPa，需做进一步的应力分析。在实际使用过程中，管道进出口压差为0.11MPa时，压缩机振值突然上升，停车检修发现滤网破裂，表明结构静力学分析方法不适用于冲孔滤网的应力分析。图5为实际中滤网的破损情况，与图4对比可以看出，流固耦合分析的危险区域与实际破损情况一致。

图5 实际中滤网的损坏情况

4 应力评定

笔者用Fluent和Static Structural模块对管道进出口压差为0.05～0.11MPa的工况分别进行流固耦合分析计算，得到不同工况下最大等效应力和最大应力强度(表2)。从表2可以看出：当管道进出口压差为0.10MPa时，最大应力强度为81.11MPa，大于许用应力，需做更为详细的应力分析。

表2 不同工况下最大等效应力和最大应力强度的计算结果 MPa

4.1第三强度理论

我国应力评定一般是根据JB 4732-1995进行应力分析的，其理论基础是第三强度理论(即最大剪应力理论)。标准中对不同类型应力组合的当量应力加以不同的条件进行限制，笔者正是根据这些限制条件进行评定分析的。表2中的应力强度计算结果并不是真正应力，其值是第一主应力与第三主应力之差，不能直接参与应力评定，需将其分解为标准中规定的应力强度类型，在Mechanical中是通过线性处理来实现应力分类的。冲孔滤网结构不连续区域，应根据JB 4732-1995的规定对计算结果进行分析和评定。Mechanical分析时，通过设置路径来得到线上各点的应力各成分值。在最大应力强度处设置路径1、2(图6)，对路径做线性化处理可以得到薄膜应力、弯曲应力、薄膜应力加弯曲应力、峰值应力加薄膜应力加弯曲应力之和。限制峰值应力强度是为了防止因周期性载荷引起疲劳破坏，在本例中不考虑疲劳破坏，因此可以忽略峰值应力的影响。

图6 在最大应力强度处设置路径

图7为管道进出口压差为0.10MPa时，最大应力强度处的线性化处理结果，一次局部薄膜应力SⅡ为82.00MPa。从图7可以看出：弯曲应力以滤网中心面为界呈线性变化，属于一次弯曲应力。根据一次总体薄膜应力定义和图3a，可得SⅠ≤32.35MPa。JB 4732-1995中对许用应力极限的规定是：一次总体薄膜应力强度SⅠ的许用极限为KSm；一次局部薄膜应力强度SⅡ的许用极限为1.5KSm；一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ的许用极限为1.5KSm，其中，K为载荷组合系数。笔者只涉及到物料引起的载荷，无二次应力，故取K=1。316L材料的设计许用应力强度Sm在230℃时为77.00MPa，1.5Sm=115.50MPa，SⅠ<77.00MPa；SⅡ<115.50MPa；SⅢ<115.50MPa。因此，滤网在管道进出口压差为0.10MPa的工况下，强度满足要求。

图7 最大应力强度处的线性化处理结果

对管道出口压差为0.09、0.10、0.11MPa 3个工况下最大应力强度进行线性化处理，结果见表3。3个工况下的一次薄膜应力加一次弯曲应力最大值SⅢ均小于1.5Sm，满足强度要求。

表3 不同工况下最大应力强度线性化处理结果 MPa

4.2第四强度理论

另一种评定方法是根据ASME VIII-2规则，其理论基础是第四强度理论。第四强度理论又称为畸变能理论、莫尔强度理论或形状改变比能理论，其表述是材料发生屈服是畸变能密度引起的。Mechanical中计算得出的等效应力是根据第四强度理论计算出的当量应力。其评定准则可以概括为[7,8]：

(8)

式中σ1、σ2、σ3——x、y、z方向上的主应力；

[σ]——材料的许用应力。

不等号左侧为形状改变能，右侧为形状改变能的简化值。根据计算结果(表2)，当进出口压差为0.10MPa时，最大等效应力值为76.56MPa≈[σ]，达到强度极限；而当压差大于0.10MPa时，等效应力值均大于许用应力，不满足强度要求。

由上述分析可知：管道进出口压差为0.10MPa时，根据第三强度理论分析的结果，此滤网满足强度要求；而根据第四强度理论分析的结果，此滤网可能损坏。在实际使用过程中，在管道进出口压差为0.11MPa时，压缩机振值突然上升，停车检修发现滤网破裂，说明在对冲孔滤网进行应力分析时，第四强度理论更可靠。

5 结论

5.1在对冲孔滤网进行应力分析时应采用流固耦合方法，并根据第四强度理论进行应力评定。

5.2此规格滤网的安全使用范围是管道进出口压差为0.00～0.09MPa，超出后会造成滤网损坏。管道进出口压差超过安全值是造成滤网损坏的原因，此滤网结构设计方案虽然满足强度要求，但安全裕量较小。

5.3现场中滤网前后测点压差并不是滤网内外表面的真正压差，要比真正压差小得多，且随管道进出压差成线性变化。在工程实际过程中，不能根据经验轻易更改工艺设备参数，要理论与经验相结合，否则就会造成事故。

[1] 李勇，李立言，曹丽华，等．凝汽器循环水二次滤网整流特性的数值模拟[J].中国电机工程学报，2011，31(z)：137～143.

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[3] 陈惠亮，黄庆，徐定耿，等.多孔板薄膜加弯曲应力计算方法研究[J].机械设计与制造，2013，(3)：191～193.

[4] 徐小龙.有限元方法在设备大开孔应力分析中的应用[J].石油化工设备技术，2003，24(6)：6～8.

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[7] 陈向阳，袁丹清，杨敏官，等.基于流固耦合方法的300MWe级反应堆主泵叶片应力分析[J].机械工程学报，2010，46(4)：111～115.

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StressAnalysesofInletStrainerforCompressorBasedonFluid-SolidCouplingMethod

CAO Li-hua1, CAO Jia-sheng1, WANG Yun-wei2, LI Yong1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.QinshanNuclearPowerCo.,Ltd.,Haiyan314300,China)

Taking inlet strainer of the syngas compressor in a coal chemical plant as an example, both fluid-solid coupling method and structural static analysis method were adopted to analyze the inlet strainer, respectively. The results show the differential pressure which exceeding safety value between the pipeline’s inlet and outlet can cause strainer damage; and the fluid-solid coupling method has to be employed to analyze the stress of perforated strainer, including to check it with the strength criterion based on the fourth strength theory.

recycle gas compressor, perforated strainer, fluid-solid coupling, structural static analysis

*吉林省科技发展计划资助项目(20140204040SF)。

**曹丽华，女，1973年10月生，教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0234-06

2014-05-20，

2015-03-10)

浙江丰利新一代超细纤维粉碎机出口日本

日前，国家高新技术企业、中国纤维素行业协会会员单位浙江丰利粉碎设备有限公司研发生产的国家专利产品，新一代高速旋转剪切式超细粉碎设备——CXJ超细纤维粉碎机出口日本，用于加工再生纸。据悉，这是中国首台纤维粉碎设备落户日本。

早在十多年前，享有“中国粉碎机专家”美称的浙江丰利公司在引进德国HOBER超微粉体先进技术的基础上，吸收消化再创新，研发出新一代超细纤维粉碎机，列入了浙江省科研项目，通过了专家验收，填补了国内超细纤维粉碎设备的空白，其技术性能达到国际先进水平，为我国纤维素粉体行业提供了理想的超细粉碎设备；有效解决了纤维性物料批量化超细粉碎的难题，破解了市售设备结构复杂、维修困难，且产量低、能耗大、温升高、粉碎细度差、刀具不易更换、加料装置不易拆装等种种难题。

该机现已成功地替代进口设备，应用于山东、安徽、浙江、河北等国内多家精制棉生产厂家，价格仅为进口设备的1/3～1/5；能耗是国内同类机型的50%～70%。(吴红富)

(浙江丰利热线：0575-83105888、83100888、83185888、83183618； 网址：www.zjfengli.com)