煤化工項(xiàng)目排渣系統(tǒng)管道的應(yīng)力分析

付雷(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

排渣系統(tǒng)為氣化裝置的一個(gè)重要組成部分，其運(yùn)行情況關(guān)系整個(gè)氣化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]，是確保氣化爐正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)[2]，主要有氣化爐、破渣機(jī)、上鎖閘閥、中鎖渣閥、鎖斗、下鎖渣閥、渣池等組成。其鎖斗是一個(gè)定期收集和排放固體渣的水封體系，主要作用是將沉降在氣化爐激冷室底部的渣水及少量未燃燒的炭冷卻，通過破渣機(jī)粉碎處理后經(jīng)鎖斗的排渣管線排入渣池。

排渣系統(tǒng)由一套邏輯聯(lián)鎖系統(tǒng)自動(dòng)控制，每個(gè)循環(huán)周期約為30min。其中集渣的時(shí)間為28min[1]，大致分為泄壓、清洗、排渣、沖壓、收渣五個(gè)階段，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定[3]，排渣時(shí)間約為2min。在生產(chǎn)中，由于排渣系統(tǒng)周期性的工作，使鎖斗及破渣機(jī)管口承受交變荷載，極易造成管口疲勞破壞。因此，對(duì)排渣系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析極為重要。

1 排渣系統(tǒng)流程

在集渣階段，沉降在氣化爐激冷室底部的渣水及少量未燃燒的炭，經(jīng)破渣機(jī)粉碎處理后，通過上鎖渣閥、中鎖渣閥進(jìn)入鎖斗后沉淀在鎖斗底部。正常運(yùn)行時(shí)上鎖渣閥一直處于常開狀態(tài)，僅當(dāng)由激冷室液位低低引起的氣化爐停車時(shí)，上鎖渣閥才關(guān)閉。鎖斗循環(huán)泵從鎖斗頂部抽取相對(duì)潔凈的黑水加壓后循環(huán)回激冷室底部以幫助排渣。

渣水通過這種方式設(shè)定的時(shí)間內(nèi)收集在鎖斗內(nèi)，約28min后開始排渣。首先是鎖斗循環(huán)泵循環(huán)管線上的循環(huán)閥打開，鎖斗循環(huán)泵入口閥、出口閥關(guān)閉，鎖斗泵自身打小循環(huán)。鎖斗在排渣時(shí)，關(guān)閉中鎖渣閥，鎖斗與激冷室隔開。打開泄壓閥使鎖斗泄壓，排出的渣水進(jìn)入渣池，泄壓后的鎖斗壓力不得大于0.28MPa，然后打開清洗閥，對(duì)泄壓管線進(jìn)行清洗，之后關(guān)閉清洗閥和泄壓閥，待沖洗水閥打開后，下鎖渣閥打開，渣水排入渣池。排渣結(jié)束后，下鎖渣閥關(guān)閉，待鎖斗內(nèi)充滿水后關(guān)閉沖洗水閥，再打開沖壓閥用高壓灰水給鎖斗沖壓，當(dāng)壓力上升到與激冷室的壓差小于0.15MPa時(shí)，打開中鎖渣閥，關(guān)閉沖壓閥，打開鎖斗循環(huán)泵進(jìn)出口管線上的入口閥和出口閥，關(guān)閉循環(huán)閥，建立排渣系統(tǒng)的大循環(huán)，鎖斗進(jìn)入下一個(gè)集渣循環(huán)。

2 基于CAESAR II軟件對(duì)排渣系統(tǒng)主管道進(jìn)行應(yīng)力分析

本文以國內(nèi)某煤化工項(xiàng)目氣化裝置內(nèi)的排渣系統(tǒng)管道布置為例，采用CAESAR II軟件建立排渣系統(tǒng)模型并進(jìn)行應(yīng)力分析，通過多次修改彈簧荷載變化率，優(yōu)化調(diào)整支撐在鎖斗耳軸上的彈簧的工作荷載，優(yōu)選最佳彈簧剛度及安裝高度，使排渣系統(tǒng)管道模型滿足一、二次應(yīng)力要求，鎖斗管口及破渣機(jī)管口承受的力及力矩等荷載滿足制造廠要求，便于鎖斗的安裝和檢修，保證排渣系統(tǒng)正常開車，平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1 基本參數(shù)

沉降在氣化爐激冷室底部的渣水操作溫度為147.6℃，設(shè)計(jì)壓力7.2MPa，水壓試驗(yàn)壓力11.56MPa，連接破渣機(jī)與鎖斗的管道直徑16″，管道材料為20G。鎖斗操作溫度為45～147.6℃，設(shè)計(jì)壓力7.4MPa，水壓試驗(yàn)壓力11.1MPa，設(shè)備材料為Q345R，鎖斗凈重55t，最大操作重量80t。鎖斗至渣池連接管道直徑14″，操作溫度為75℃，設(shè)計(jì)壓力為0.2MPa，水壓試驗(yàn)壓力為0.3MPa，管道材料為20#。上、中、下鎖渣閥的重量分別為4356kg、4356kg、2773kg。

氣化爐、破渣機(jī)、鎖渣閥、鎖斗、渣池分布在同一條鉛垂線上，方便氣化爐激冷室內(nèi)的渣水及未燃燒的炭向渣池方向排放。三套排渣系統(tǒng)為兩開一備工況，為了提高渣池的利用效率和檢修方便，鎖斗下方排出口通過一條水平連通管道將三套排渣系統(tǒng)連接起來。

2.2 基于CAESAR II軟件排渣系統(tǒng)管道的應(yīng)力分析

氣化爐的耳軸采用地腳螺栓固定在氣化爐框架平臺(tái)上，破渣機(jī)與氣化爐激冷室直連，破渣機(jī)與鎖斗之間采用一段直管將上、下鎖渣閥連接在一起。按照鎖斗裝配圖上具體尺寸將鎖斗模擬成充滿渣水介質(zhì)的管道，將上、中、下鎖渣閥模擬成帶重量的剛性件。由于材料的熱脹冷縮作用，鎖斗上的耳軸只能采用彈簧支撐，鎖斗下方的卸渣管直接插入渣池內(nèi)。連接三個(gè)鎖斗卸渣管的水平連通管道采用四個(gè)彈簧支撐。

由于排渣系統(tǒng)設(shè)備及閥門等配件重量較大，分配到支撐鎖斗耳軸的彈簧荷載超過NB/T 47039—2013標(biāo)準(zhǔn)單個(gè)彈簧最大荷載，因此每個(gè)耳軸上設(shè)置為兩個(gè)彈簧組合而成的彈簧箱。鎖斗耳軸底面到生根點(diǎn)的距離為1.7m，因此所選用彈簧安裝高度應(yīng)能滿足此空間要求。

2.2.1 方案一及應(yīng)力分析

按照CAESAR II軟件默認(rèn)的可變彈簧允許荷載變化率(≤25%)[4]，計(jì)算分析排渣系統(tǒng)鎖斗管口及破渣機(jī)管口受力結(jié)果見表1所示，對(duì)應(yīng)鎖斗耳軸上彈簧荷載見表2所示。

對(duì)比表1鎖斗管口與破渣機(jī)管口受力，破渣機(jī)管口軸向受力超鎖斗管口軸向受力110000N，將設(shè)備管口受力提交設(shè)備專業(yè)核驗(yàn)，不能滿足設(shè)備管口受力要求。

2.2.2 方案二及應(yīng)力分析

調(diào)整鎖斗耳軸彈簧的工作荷載，使破渣機(jī)管口與鎖斗管口軸向受力相當(dāng)。調(diào)整后的排渣系統(tǒng)鎖斗管口及破渣機(jī)管口受力結(jié)果見表3所示，對(duì)應(yīng)鎖斗耳軸上彈簧荷載見表4所示。

對(duì)比表1與表3數(shù)值，設(shè)備管口承受的力及力矩受力除軸向受力外變化不大，通過調(diào)整彈簧工作荷載，減少鎖斗管口與破渣機(jī)管口軸向受力差值到最小，調(diào)整后中間排渣系統(tǒng)的設(shè)備管口軸向受力最大(181984N)，經(jīng)設(shè)備專業(yè)核驗(yàn)，仍不能滿足設(shè)備管口受力要求。

2.2.3 方案三及應(yīng)力分析

通過優(yōu)化調(diào)整彈簧允許荷載變化率及鎖斗耳軸彈簧的工作荷載，使破渣機(jī)管口與鎖斗管口軸向受力相當(dāng)且滿足設(shè)備管口受力要求、彈簧安裝空間要求。優(yōu)化調(diào)整后彈簧允許荷載變化率為≤15%，排渣系統(tǒng)鎖斗管口及破渣機(jī)管口受力結(jié)果見表5所示，對(duì)應(yīng)鎖斗耳軸上彈簧荷載見表6所示。

表1 鎖斗管口及破渣機(jī)管口受力

表3 鎖斗管口及破渣機(jī)管口受力

表4 彈簧荷載表

表5 鎖斗管口及破渣機(jī)管口受力

表6 彈簧荷載表

3 結(jié)語

排渣系統(tǒng)的合理布置對(duì)于裝置的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，管道應(yīng)力分析是保證管道安全運(yùn)行的一種重要方法。本文以國內(nèi)某煤化工項(xiàng)目氣化裝置內(nèi)的排渣系統(tǒng)為例，根據(jù)排渣系統(tǒng)的布置特點(diǎn)及鎖斗耳軸與生根點(diǎn)的安裝空間，采用CAESAR II軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，通過調(diào)整彈簧荷載變化率及彈簧工作荷載，使之滿足應(yīng)力、設(shè)備安全運(yùn)行要求，得到了較為優(yōu)化的配管設(shè)計(jì)。