基于ANSYS的煤氣發生爐爆炸事故分析及對策研究

王曉臣 張 杰

煙臺寶鋼鋼管有限責任公司

基于ANSYS的煤氣發生爐爆炸事故分析及對策研究

王曉臣 張 杰

煙臺寶鋼鋼管有限責任公司

煤氣發生爐是很多行業在生產中常用的機械設備之一，因煤氣發生爐具備自動供熱、環保潔凈少污染、運行相對安全可靠以及能夠減少能耗等優點，能夠為企業帶來可觀的經濟效益，因此成為各個行業關注的焦點。但是近幾年，煤氣發生爐故障時有發生，在一定程度上影響了企業的經濟利益和社會效益，甚至給人民的生命財產安全帶來負面影響。

ANSYS；煤氣發生爐；爆炸事故；對策

1 煤氣發生爐爆炸事故概況

1.1 事故概況

某企業發生煤氣發生爐爆炸事故，造成4人死亡，4人受傷，浙江省特種設備檢驗研究院作為政府設立的技術機構，受事故發生地安監局委托，順利完成該事故技術鑒定工作，并在隨后的煤氣發生爐運行情況專項安全檢查中，發現目前在用的煤氣發生爐存在較多的安全和能效問題，急待改進。

1.2 工作原理

煤氣發生爐裝置的工作原理：通過電氣控制程序控制液壓加煤裝置將煤加入到兩段爐的干餾段，燃料煤在煤氣發生爐的運行過程中會向下移動，在高溫條件下依次通過干燥﹑干餾﹑還原﹑氣化后變成爐渣排出爐外，生產的粗煤氣經過除塵﹑冷卻﹑電捕焦﹑清洗﹑脫硫后產生的潔凈煤氣可以直接供給設備使用。

按照煤氣發生爐爐內煤氣的氣化進程來看，從下往上可以將煤氣發生爐的爐內分為灰渣層﹑氧化層﹑還原層﹑干餾層以及干燥層五個層。其中由于在氧化層和還原層內會發生化學反應；而干餾層和干燥層可以統稱為煤料準備層。這五個煤層中發生不同的物理﹑化學，五個層的溫度和厚度直接影響著爐子使用效果。

1.3 煤氣的基本性質

煤氣作為二次清潔能源，具有操作簡單﹑易于燃燒﹑并且輸送方便等優點，因此是鋼鐵等工業行業生產的主要能源之一，在工業行業的生產中也占據著十分重要的地位。

同時煤氣也具有很高的危險性。煤氣發生爐產生的煤氣是一種混合氣體，主要成分是CO﹑H2﹑CH4等可燃氣體，其中，CO是一種易燃易爆且有毒性。煤氣在空氣中的爆炸極限為 20%～74%，在氧氣中的爆炸極限為10.0%～73.6%。一定條件下，煤制氣可與空氣或者氧氣形成爆炸性混合物，遇到如靜電打火﹑摩擦起火﹑電器短路打火﹑明火﹑維修動火等有效點火源時，易引起火災及爆炸事故。

1.4 煤氣發生爐爆炸事故的原因分析

1.4.1 直接原因分析

根據現場勘察和實驗分析，水夾套內筒底部焊縫附近為第一爆炸點。結合設備各處閥門的開啟程度﹑當事人的描述以及材料分析的結果，事發時水夾套沒有發生超壓和干燒，因此不能確認是由于操作人員誤操作引發的爆炸。本次事故應為煤氣等爆炸性混合物的化學爆炸。從爆炸的三要素分析，在水夾套附近爆炸，必須有煤氣產生并與空氣混合，并經激發能源作用才可發生。

由此分析直接原因是內筒中部焊縫開裂，開裂處在內應力作用下產生變形，水夾套中水滲入內筒，與炙熱的煤層發生反應，產生大量煤氣，并與空氣混合，形成爆炸性混合氣體，在高溫作用下發生化學爆炸引發事故。

1.4.2 間接原因分析

本次煤氣發生爐爆炸事故的發生，不僅是由于內筒中部焊縫開裂，導致引發了化學爆炸，從而直接導致了事故的發生；而且還因為煤氣發生爐在投入生產后，該廠的煤氣發生爐設備的操作人員對其進行了不良的操作，從而加速了焊縫的損傷速度，并且該廠也從未對該煤氣發生爐設備進行日常的檢測維修工作，這些因素也都是致使此次煤氣發生爐爆炸事故發生的原因之一。

2 ANSYS軟件簡介

ANSYS軟件可以用于對結構的動態力學特性以及靜態力學特性進行分析。其中動態力學特性分析是指計算結構的動力學模型的模態參數以及動力響應等；而靜態力學特性分析則是指考慮結構的線性以及非線性行為，然后對其靜態載荷進行分析。運用ANSYS軟件對機械結構進行分析時，其分析的過程主要可以分為前處理﹑求解計算和后處理3個部分。

3 運用 ANSYS 軟件進行變形分析

本文擬根據煤氣發生爐結構的實際工作情況，結合 ANSYS 軟件運用有限元方法模擬該煤氣發生爐內筒的應力分布情況。

所謂有限元分析，就是首先將某些復雜的結構劃分為有限數目的單元，然后通過對這些單元分別進行變形和受力情況的分析，再將這些單元整合起來，就可以形成對結構整體的變形和受力情況的分析計算。

本文要針對煤氣發生爐內筒結構進行變形和受力情況的有限元分析，首先就要建立煤氣發生爐內筒結構的有限元模型。由于煤氣發生爐設備的內筒結構具有一定的復雜性，造成要建立精確的力學模型具有一定的難度，因此在建立煤氣發生爐內筒結構的力學模型時，可以首先適當的簡化和處理其內筒結構，然后確定模型的單元類型﹑材料屬性等條件，再按照軟件的步驟對幾何模型進行相關的操作，然后求解得出煤氣發生爐內筒變形和受力的詳細的數據結果，最后對結果進行分析。

3.1 單元選擇

煤氣發生爐夾套的內﹑外筒材料均為 Q235 鋼材，內筒壁厚為12mm，內筒直徑為 1600mm，長度為 1000mm，總高 3012mm，其中水夾套的高度為 2500mm。內筒的上端與封頭焊接固定，下端與外筒焊接固定。內筒厚度與直徑的比值小于1：20，屬于薄壁圓筒。對于薄壁圓殼結構常選用殼單元進行模擬計算，因此本次模擬選用ANSYS 軟件中的 shell 63 殼單元。這是因為 shell 63 殼單元具有強大的彎曲能力以及膜力，可以承受平面內的荷載和法向的荷載。本次模擬劃分的單元共有 4 個節點(I，J，K，L)，每個節點具有 6 個自由度：分別是沿節點坐標系 X﹑Y﹑Z 方向的平動(UX，UY，UZ)和沿節點坐標系 X﹑Y﹑Z 軸的轉動(ROTX， ROTY，ROTZ)，所以一個元素共有 24 個自由度。在選定本次模擬的單元時，已經將應力剛化和大變形能力考慮在了其中。

3.2 定義模型材料參數

在運用 ANSYS 軟件進行分析時，用戶完成了實體建模以及網格劃分之后，要對所有的零件定義其材料，根據其結構所用材料的力學性能和使用情況的不同來定義其材料的參數。

該煤氣發生爐設備的夾套內﹑外內筒材料均為 Q235 鋼材，彈性模量為210E/Gpa，泊松比0.3v。

3.3 分析模型及網格劃分

實體建模需對所建模型進行網格劃分，使其能夠生成有限個數目的有限元單元網格，為下階段施加單元的邊界條件﹑載荷和求解工作做準備。

在進行劃分單元時應注意以下3點：

(1)進行單元劃分時要避免出現單元畸形的情況，否則將會影響計算精度。

(2)劃分單元應由小到大逐漸過渡，以保證單元的邊不會相差很大，所以單元劃分要適度。對于模型結構中受力小的部位，劃分出來的單元要盡可能大；對于受力大的部位，劃分出來的單元網格要盡量密集。

(3)在進行單元劃分的時候，要適當選擇劃分的單元和節點的數目。

由于煤氣發生爐的內筒結構具有對稱性，為減少計算時間﹑提高求解效率，同時保留模型的主要結構特征，本文擬取該煤氣發生爐設備內筒結構的 1/2 模型分析，具體模型如圖1所示，并對該模型進行網格劃分，共有單元 6300 個，節點 6477 個，如圖 2所示。

3.4 邊界條件

力的邊界條件：設定模型的 X﹑Y﹑Z 三個方向全約束。根據模型的設計條件，計算出煤氣發生爐內筒應力極限是屈服極限235MPa﹑強度極限423MPa。

位移邊界條件：在單元的對稱邊界施加對稱載荷，由于煤氣發生爐的內筒兩端得到剛性結構封頭和外筒的加強，所以近似認為其為固定約束，其中水套工作壓力＜0.1Mpa，煤氣出口壓力980～1470Pa。

3.5 應力分析

材料力學中共有四種強度理論 ，在 ANSYS 軟件進行后處理中的“Von Mises Stress”(我們習慣性稱為 Mises 等效應力)，對其進行應力分析時通常根據材料力學中的第四強度理論，也就是形狀改變比能理論。所謂形狀改變比能理論，它認為形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素，無論在什么應力狀態下，只要構件內一點處的形狀改變比能夠達到單向應力狀態下的極限值，材料就會發生屈服破壞。這一理論為結構材料的破壞提供了依據。對于模型結構，如果其Von Mises 的應力值大于材料的屈服應力值，材料將會發生破裂，因此其最大Mises 應力值必須小于材料的屈服極限值。

根據第四強度理論進行模擬分析的結果更符合實際，因此本文根據這一理論，對煤氣發生爐內筒結構的模型進行加載求解以及應力分析，所得的結果如圖3﹑圖4﹑圖5所示：

由結果圖可知，模型的最大應力分布集中在固定約束的部位，即內筒封閉環位置，也就是焊縫位置，其最大應力為227MPa，接近Q235 材料的屈服極限。

由圖3可知，在對其施加 3MPa 外壓的情況下，此時內筒的最大應力為340MPa，已經超過材料的屈服極限；圖4可知在施加4MPa外壓下，內筒最大應力444MPa，達到了材料強度極限，此時爐內筒沿焊縫位置已發生了破壞及變形。

4 煤氣發生爐爆炸事故的事故樹分析

我們針對該起煤氣發生爐爆炸事故的主要發生原因，將煤氣發生爐爆炸事故作為頂上事故，采用事故樹分析法建立數學模型﹑事故樹圖。

4.1 事故樹的定性分析

首先求解出事故樹的最小割集以及最小徑集，然后求出各基本原因事件的結構重要度。每一個最小割集均代表著能夠導致頂上事件發生的一種可能。根據系統事故的事故樹圖求解出其最小割集，可以掌握導致事故發生的各種原因事件，了解系統的危險性。最小徑集可以求出系統事故樹中所有的徑集，就可以弄清楚只要哪種要素或其組合不發生故障，系統就不會發生故障。掌握了最小徑集，就能夠知道哪幾個基本事件能使頂上事件不發生，有幾種控制系統事故的方案，從而為選擇消除頂上事故提供依據。結構重要度分析是指從事故樹的結構著手，在不考慮各基本事件的發生概率的情況下，通過分析得到各基本事件在事故樹結構上的重要程度。基本事件的結構重要度越大，它對頂上事件的影響程度就越大，反之亦然。

4.2 事故樹的分析結論

1)從事故樹的邏輯關系來看，事故樹中共有2個邏輯與門，4個邏輯或門，其中有12個最小割集以及4個最小徑集，最小割集的個數明顯大于最小徑集的個數，由此可以得知：該系統的危險性很高，因為造成煤氣發生爐爆炸事故的可能性很大﹑途徑比較多，而煤氣發生爐爆炸事故的控制措施卻很少。

2)從基本事件的結構重要系數來看，設備所承受的壓力超過機械強度的極限基本條件事件﹑煤氣中的可燃氣體與空氣或氧氣混合達到爆炸極限范圍基本條件事件的結構重要系數最大；水夾套蒸汽系統堵塞基本事件，水夾套干燒時水劇烈氣化基本事件，水夾套密封不嚴基本事件，水夾套破裂基本事件的結構重要系數次之；水夾套設備材料強度低基本事件，水夾套的焊縫質量差基本事件，材料有缺陷基本事件以及煤氣發生爐爐膽內有劇烈燃燒的煤基本事件﹑進行明火作業基本事件﹑有其它火源基本事件的結構重要系數相對小一些。

3)避免煤氣發生爐事故的最優方案：針對系統事故采取相關的預防措施時，應當首先從對頂上事件影響比較大(即結構重要度最大)的基本事件或者從包含基本事件最少的組合著手比較有效。那么，根據煤氣發生爐爆炸事故的事故樹的定性分析結果來看，若要制定一個防止煤氣發生爐爆炸事故發生的最佳預防措施方案，應當首先控制煤氣發生爐設備所承受的壓力不能超過機械強度的極限這一基本事件不發生，并且同時控制煤氣發生爐的水夾套蒸汽管路不會發生堵塞的現象，要保證不在水夾套干燒﹑蒸汽管路堵塞凍結的狀態下進行作業。還可以采取盡量避免發生煤氣泄漏情況的措施，煤氣發生爐設備的作業人員應該保證供水設備的正常檢修以及水質的正常監測，避免出現水夾套密封不嚴以及水夾套破裂的情況，這樣也能減少爆炸事故的發生。

結語

本文以一起煤氣發生爐爆炸事故為例，詳細分析了事故原因，提出了加強煤氣發生爐安全運行的對策。1)介紹了該起煤氣發生爐爆炸事故的基本概況。通過了解煤氣發生爐的工作原理以及煤氣的基本的物理以及化學性質，掌握煤氣發生爐爆炸事故相關的基本理論知識。2)采用事故樹分析方法，建立了煤氣發生爐爆炸事故的事故樹，定性分析了事故樹的割集﹑徑集和結構重要度，為避免事故發生﹑提高安全性提供了理論依據。3)通過對該起爆炸事故的原因分析以及軟件模擬，為企業和政府提出了有關的建議以及預防對策。

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