多段床氣化爐高溫設備及管道應力分析

葉水祥，趙石軍，唐升連

某公司多段分級轉化流化床煤氣化中試裝置核心設備為氣化爐、三級旋風分離器、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入，在高溫（1000～1100℃）下，與氣化劑進行反應，生成灰渣團聚物和粗煤氣。灰渣團聚物經渣鎖排出氣化爐，粗煤氣進入三級旋風分離器，所夾帶的細粉被捕集后經料腿和返料閥門返回氣化爐進一步氣化。高溫煤氣經過除塵后，再進入廢熱鍋爐進行廢熱回收。

1 CAESAR整體應力分析的目的

由于該多段分級轉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上進行改造，受原平臺空間限制，設備和管道布置緊湊，利用CAESARⅡ管道應力分析軟件[1]對中試裝置核心部分進行整體建模，可分析計算其在內壓和各種載荷作用下的應力分布情況；分析比較管系在各種布置方案下的應力水平，為選擇最佳方案提供依據；計算管道對各設備管口的管道載荷，為設備設計提供外載；計算彈簧支吊架[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力強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、旋風分離器、廢鍋鍋爐及附屬管道整體結構示意圖

2.1 方案一：固定支座加膨脹節

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

該方案的優點是結構簡單，安裝方便。但因膨脹節每隔一段時間就必須更換，所以不利于維護，且由于管道內壁需敷設耐火及保溫層材料，膨脹節在管系的變形協調中會受拉壓作用而發生彎曲，導致內壁的耐火材料被破壞，高溫介質將直接與金屬管道接觸，致使管道許用應力降低，最終破壞管道。

2.2 方案二：固定支座加“Π”形彎管

氣化爐和三個旋風分離器固支在鋼結構框架上，在第三旋風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，降低管道應力。

該方案同樣結構簡單，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力強度條件，但卻無法在中試裝置中實現。

2.3 方案三：旋風分離器用彈簧支座

在該方案中氣化爐和廢熱鍋爐用固定支座支撐在鋼結構框架上，三個旋風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，降低管道應力（見圖2）。

圖2 方案三：旋風分離器改用彈簧支座結構示意圖

該方案雖然結構上較前兩個方案復雜，但占用空間小，可以安裝在原框架結構上，經過計算后管道應力又能滿足應力強度條件，因此該方案切實可行，某公司開發的多段分級轉化流化床煤氣化中試裝置正是采用了該種方案。

3 CAESARⅡ應力分析計算

3.1 管道載荷的確立

（1）計算壓力及計算溫度

氣化爐的操作壓力為3.0 MPa，氣化爐內部的操作溫度約為1200℃，但因設備和管道內壁都敷設有耐火材料，所以管線的計算壓力為3.0 MPa，計算溫度為150℃。

（2）風載荷

在CAESARⅡ中用考慮了保溫層和風向角的管道的暴露面積乘以等效風壓和管道的形狀系數來得到風載荷[3]，用戶一般可以用三種方法來計算等效風壓。第一種用ASCE7-2005規范進行計算，第二種用風壓和高度關系表進行計算，第三種用風速和高度關系表進行計算。單元上總的風力計算公式：

式中，F—單元上總的風力（N）；Peq—等效風壓（動壓力），（Pa）；S—管單元風形狀系數；

A—管單元暴露面積（m2）。

在本項目中由于試驗基地的風壓隨高度的變化關系已經測得（見圖3），故使用第二種方法計算風壓和單元所受的風力，風形系數取0.6。

圖3 某基地風壓隨高度變化關系表

（3）地震載荷

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

3.2 載荷組合工況及計算

在CAESARⅡ中利用工況代數組合可以將基本載荷工況進行組合，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）、持續工況（SUS），并根據操作工況和持續工況組合出膨脹工況（EXP）。

（2）偶然載荷工況

偶然載荷包括風載荷和地震載荷，按照ASME B31.3[5]的規定，風載荷和地震載荷不考慮疊加，分別與正常運行載荷單獨組合。

①風載荷工況

風載荷工況除了自重（W）、位移（D）、溫度（T）、壓力（P）、彈簧附加力（H）等載荷分量外，還包括風載分量，本項目中風載方向由風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，以校核一次應力和二次應力，計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結果分析

通過上述工況組合計算后，從CAESARⅡ輸出文件中可以得到該中試裝置在各個工況下的應力分布、端點位移和約束載荷，通過計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，又滿足應力強度條件。

表1 旋風分離器彈簧支座選型表

4 結語

由于CAESARⅡ程序將管線作為梁單元處理[6]，與實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力評判，而各個管件的強度是否滿足要求還需進行局部應力分析計算，而且CAESARⅡ軟件分析只是整個中試裝置應力分析的基礎，對于個別危險管件，還需通過有限元計算來判斷其應力強度條件。

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

[2]中華人民共和國機械行業標準，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.壓力管道應力分析 [M].北京：中國石化出版社，2003.