多段床氣化爐高溫設(shè)備及管道應(yīng)力分析

葉水祥，趙石軍，唐升連

某公司多段分級轉(zhuǎn)化流化床煤氣化中試裝置核心設(shè)備為氣化爐、三級旋風(fēng)分離器、廢熱鍋爐及附屬管道（見圖1）。入爐煤從氣化爐下部和上部分別進(jìn)入，在高溫（1000～1100℃）下，與氣化劑進(jìn)行反應(yīng)，生成灰渣團(tuán)聚物和粗煤氣。灰渣團(tuán)聚物經(jīng)渣鎖排出氣化爐，粗煤氣進(jìn)入三級旋風(fēng)分離器，所夾帶的細(xì)粉被捕集后經(jīng)料腿和返料閥門返回氣化爐進(jìn)一步氣化。高溫煤氣經(jīng)過除塵后，再進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)行廢熱回收。

1 CAESAR整體應(yīng)力分析的目的

由于該多段分級轉(zhuǎn)化流化床煤氣化中試裝置是在原加壓灰熔聚流化床粉煤氣化中試平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，受原平臺空間限制，設(shè)備和管道布置緊湊，利用CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件[1]對中試裝置核心部分進(jìn)行整體建模，可分析計(jì)算其在內(nèi)壓和各種載荷作用下的應(yīng)力分布情況；分析比較管系在各種布置方案下的應(yīng)力水平，為選擇最佳方案提供依據(jù)；計(jì)算管道對各設(shè)備管口的管道載荷，為設(shè)備設(shè)計(jì)提供外載；計(jì)算彈簧支吊架[2]的載荷和位移，確定彈簧支吊架型號。

2 三種方案的比較分析

由于各設(shè)備布置緊湊，如何配管使管道既能滿足工藝要求，又能使管道在各種工況下滿足應(yīng)力強(qiáng)度條件是最困難的問題，為此配管工程師提出了三種配管方案。

圖1 氣化爐、旋風(fēng)分離器、廢鍋鍋爐及附屬管道整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 方案一：固定支座加膨脹節(jié)

氣化爐和三個旋風(fēng)分離器都由固定支座支撐在鋼結(jié)構(gòu)框架上，在三級旋風(fēng)分離器到廢熱鍋爐的長管道上加膨脹節(jié)，以吸收由熱脹引起的變形量，從而降低管道應(yīng)力。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。但因膨脹節(jié)每隔一段時間就必須更換，所以不利于維護(hù)，且由于管道內(nèi)壁需敷設(shè)耐火及保溫層材料，膨脹節(jié)在管系的變形協(xié)調(diào)中會受拉壓作用而發(fā)生彎曲，導(dǎo)致內(nèi)壁的耐火材料被破壞，高溫介質(zhì)將直接與金屬管道接觸，致使管道許用應(yīng)力降低，最終破壞管道。

2.2 方案二：固定支座加“Π”形彎管

氣化爐和三個旋風(fēng)分離器固支在鋼結(jié)構(gòu)框架上，在第三旋風(fēng)分離器到廢熱鍋爐的長管道中加入“Π”形彎管，用彎管來吸收熱脹引起的變形量，降低管道應(yīng)力。

該方案同樣結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但由于受原框架空間限制，“Π”形彎管將超出框架并和框架橫梁干涉，因此該方案雖然能滿足工藝和應(yīng)力強(qiáng)度條件，但卻無法在中試裝置中實(shí)現(xiàn)。

2.3 方案三：旋風(fēng)分離器用彈簧支座

在該方案中氣化爐和廢熱鍋爐用固定支座支撐在鋼結(jié)構(gòu)框架上，三個旋風(fēng)分離器改用彈簧支座支撐，用彈簧支座的變形來吸收熱脹量，降低管道應(yīng)力（見圖2）。

圖2 方案三：旋風(fēng)分離器改用彈簧支座結(jié)構(gòu)示意圖

該方案雖然結(jié)構(gòu)上較前兩個方案復(fù)雜，但占用空間小，可以安裝在原框架結(jié)構(gòu)上，經(jīng)過計(jì)算后管道應(yīng)力又能滿足應(yīng)力強(qiáng)度條件，因此該方案切實(shí)可行，某公司開發(fā)的多段分級轉(zhuǎn)化流化床煤氣化中試裝置正是采用了該種方案。

3 CAESARⅡ應(yīng)力分析計(jì)算

3.1 管道載荷的確立

（1）計(jì)算壓力及計(jì)算溫度

氣化爐的操作壓力為3.0 MPa，氣化爐內(nèi)部的操作溫度約為1200℃，但因設(shè)備和管道內(nèi)壁都敷設(shè)有耐火材料，所以管線的計(jì)算壓力為3.0 MPa，計(jì)算溫度為150℃。

（2）風(fēng)載荷

在CAESARⅡ中用考慮了保溫層和風(fēng)向角的管道的暴露面積乘以等效風(fēng)壓和管道的形狀系數(shù)來得到風(fēng)載荷[3]，用戶一般可以用三種方法來計(jì)算等效風(fēng)壓。第一種用ASCE7-2005規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，第二種用風(fēng)壓和高度關(guān)系表進(jìn)行計(jì)算，第三種用風(fēng)速和高度關(guān)系表進(jìn)行計(jì)算。單元上總的風(fēng)力計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)—單元上總的風(fēng)力（N）；Peq—等效風(fēng)壓（動壓力），（Pa）；S—管單元風(fēng)形狀系數(shù)；

A—管單元暴露面積（m2）。

在本項(xiàng)目中由于試驗(yàn)基地的風(fēng)壓隨高度的變化關(guān)系已經(jīng)測得（見圖3），故使用第二種方法計(jì)算風(fēng)壓和單元所受的風(fēng)力，風(fēng)形系數(shù)取0.6。

圖3 某基地風(fēng)壓隨高度變化關(guān)系表

（3）地震載荷

CAESARⅡ軟件對地震載荷[4]可采用靜態(tài)計(jì)算和動態(tài)計(jì)算兩種分析方法，施加靜態(tài)地震載荷的方法與風(fēng)載荷類似，地震載荷的大小與單元重量成正比。本項(xiàng)目采用靜態(tài)計(jì)算方法，地震加速度取0.2g。

3.2 載荷組合工況及計(jì)算

在CAESARⅡ中利用工況代數(shù)組合可以將基本載荷工況進(jìn)行組合，形成各種組合工況。

（1）正常載荷工況

正常載荷工況應(yīng)考慮自重（W）、位移（D）、溫度（T）、壓力（P）和彈簧附加力（H）等載荷分量，并由這些載荷分量組合出彈簧工況（HGR），操作工況（OPE）、持續(xù)工況（SUS），并根據(jù)操作工況和持續(xù)工況組合出膨脹工況（EXP）。

（2）偶然載荷工況

偶然載荷包括風(fēng)載荷和地震載荷，按照ASME B31.3[5]的規(guī)定，風(fēng)載荷和地震載荷不考慮疊加，分別與正常運(yùn)行載荷單獨(dú)組合。

①風(fēng)載荷工況

風(fēng)載荷工況除了自重（W）、位移（D）、溫度（T）、壓力（P）、彈簧附加力（H）等載荷分量外，還包括風(fēng)載分量，本項(xiàng)目中風(fēng)載方向由風(fēng)玫瑰圖中比例最高的方向確定。

②地震載荷工況

地震載荷工況除了自重（W）、位移（D）、溫度（T）、壓力（P）、彈簧附加力（H）等載荷分量外，還包括X、Y、Z三向地震分量。

③載荷組合工況

CAESARⅡ提供的基本工況為持續(xù)工況（SUS）、操作工況 （OPE）、熱脹工況 （EXP）和偶然工況（OCC），用戶可利用這些基本工況組合出所需的各種工況，以校核一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，計(jì)算管道上各約束在不同工況下的受力和位移等，具有極高的靈活性，為用戶提供了很大的方便。

④結(jié)果分析

通過上述工況組合計(jì)算后，從CAESARⅡ輸出文件中可以得到該中試裝置在各個工況下的應(yīng)力分布、端點(diǎn)位移和約束載荷，通過計(jì)算彈簧支座的載荷和位移，確定了彈簧支座型號（見表1），從結(jié)果文件可以判斷，方案三的管道布置是合理的，既滿足工藝要求，又滿足應(yīng)力強(qiáng)度條件。

表1 旋風(fēng)分離器彈簧支座選型表

4 結(jié)語

由于CAESARⅡ程序?qū)⒐芫€作為梁單元處理[6]，與實(shí)際情況仍有一定偏差，因此該程序只能用于整體的受力分析和應(yīng)力評判，而各個管件的強(qiáng)度是否滿足要求還需進(jìn)行局部應(yīng)力分析計(jì)算，而且CAESARⅡ軟件分析只是整個中試裝置應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，對于個別危險管件，還需通過有限元計(jì)算來判斷其應(yīng)力強(qiáng)度條件。

[1]CAESARⅡ2011 User's Guide,COADE Engineering Software,Inc.

[2]中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JB/T 8130.2-1999，可變彈簧支吊架.

[3]CAESARⅡ2011 Applications Guide,COADE Engineering Software,Inc.

[4]CAESARⅡ2011 Technical Reference Manual,COADE Engineering Software,Inc.

[5]ASME Code for Pressure Piping，B31.3，Process Piping.

[6]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析 [M].北京：中國石化出版社，2003.