循環流化床鍋爐旋風分離器中心筒的高溫蠕變失穩分析

張曉蕾 劉建新 張海鵬 王江云 魏耀東

（中國石油大學（北京）克拉瑪依校區工學院）

符 號 說 明

A——周向應變，A=1；

Do——圓筒外徑，mm；

E——材料的彈性模量，GPa；

Et——圓筒材料在工作溫度下的彈性模量，GPa；

L——圓筒計算長度，mm；

m——安全系數；

p——壓差，kPa；

pcr——臨界壓力，MPa；

pi——入口壓力，MPa；

po——出口壓力，MPa；

［p］——許用壓力，MPa；

Tm——材料熔點溫度，℃；

t——工作溫度，℃；

δe——圓筒有效厚度，mm。

旋風分離器在循環流化床反應器的運行中起著固體粉料分離和回收的作用，是維持顆粒循環過程的重要設備，因此旋風分離器的性能和工況直接影響到循環流化床的運行［1，2］。中心筒是旋風分離器的關鍵部件之一，也是旋風分離器設計的重要單元，尤其是中心筒的直徑和長度對氣固分離效率有著重要影響［2，3］。在循環流化床鍋爐的應用中， 中心筒一方面承受著氣固兩相流的沖蝕，另一方面承受著多種載荷，是一個極易損壞的部件［4～8］。以往這種破壞通常是從機械強度和材料腐蝕方面進行分析，但筆者則著眼于旋風分離器內部的壓力分布，認為中心筒的變形是剛度不足造成的高溫蠕變失穩破壞，從而列出一系列防止中心筒失穩變形的措施。

1 中心筒的受力分析

旋風分離器的結構及其壓力分布如圖1所示。 旋風分離器的中心筒處于旋風分離器的中心位置，并插入旋風分離器內一定深度，與外殼體形成一個環形空間。 中心筒的上端固定在旋風分離器的頂板上，下端是自由端，也是凈化氣體的流出口。 氣固兩相流進入旋風分離器后，在由外殼體和中心筒所組成的環形空間的器壁約束下形成旋轉流。 這個旋轉流圍繞著中心筒旋轉向下進入分離空間，形成強烈的旋轉流。 氣固兩相流中的顆粒在旋轉流的離心力和重力的作用下被分離出來， 凈化的氣體則折返向上從中心筒排出。

中心筒除了承受自身的重力載荷外，圓筒內外表面還承受著不均勻的壓力載荷。 在旋風分離器運行過程中，中心筒的外表面壓力接近于入口壓力，中心筒的內表面壓力是出口壓力，即中心筒內外表面的壓差近似等于旋風分離器的壓降，因此中心筒的受力模型是一個承受外壓載荷的圓筒。

圖1 旋風分離器的結構及其壓力分布

2 中心筒的蠕變變形分析

2.1 破壞形式

旋風分離器中心筒有時會發生比較大的塑性變形破壞［6～8］，具體如圖2a所示。 中心筒發生變形后， 環形空間和分離空間的旋轉流會受到影響，導致旋風分離器的分離效率下降，壓降增高；此外，由于氣流圍繞著中心筒旋轉流動。 因此，此時沿圓周方向的壓力分布是不均勻的。 這種不均勻壓力一方面誘導中心筒發生機械振動，另一方面形成對中心筒的彎矩，在熱應力和自重的共同作用下，會造成中心筒的脫落、開裂（圖2b［9］）以及中心筒進口迎風側氣固兩相流的沖蝕磨損（圖2c［10］）。

圖2 旋風分離器中心筒的破壞形式

通常，受外壓的圓筒在筒壁內會產生環向壓縮應力。 基于機械強度的觀點，如果壓縮應力大于材料的屈服極限， 將引起圓筒的屈服變形，然而這種情況在薄壁圓筒中是較少發生的，因為當外壓圓筒筒壁內的壓縮應力遠低于材料的屈服極限時，筒壁會突然被壓癟，圓筒的圓形橫截面在一瞬間變成了曲波形。 這說明在外壓作用下的圓筒剛度不足，當外壓增大到某一數值時，圓筒將不再在圓形狀態下維持穩定的平衡，而是發生失穩變形破壞。 但是，循環流化床鍋爐旋風分離器中心筒的變形不是瞬間發生的，而是長時間逐漸積累發展的，即在高溫條件下發生了緩慢的蠕變變形，也就是說，金屬材料在應力作用下的高溫蠕變導致了中心筒的變形。 由于這種蠕變變形是由外壓力形成的內部彎曲應力造成的，因此變形具有外壓圓筒失穩破壞的特點，是一個多波形的變形。 故中心筒的塑性變形破壞是一個外壓圓筒蠕變失穩問題。

2.2 外壓穩定性計算分析

根據外壓圓筒失穩波數是否大于2， 可以將圓筒分為長圓筒和短圓筒。 長圓筒失穩不受圓筒兩端支撐的影響，在彈性失效時形成的變形波數為2。 短圓筒的長度相對較短，兩端的支撐件對圓筒有約束作用，臨界壓力與圓筒有效厚度、外徑和計算長度有關，失穩時形成的波數大于2。 中心筒的蠕變失穩既有長圓筒的特點，也有短圓筒的特點。 外壓薄壁圓筒厚度的工程計算方法有解析法和圖算法。

解析法是先假定圓筒厚度，再根據理論或經驗公式進行反復試算，直至圓筒厚度對應的許用壓力［p］大于設計壓力為止。 解析法外壓圓筒彈性失穩的臨界壓力pcr計算式為：

表1所列的是依據解析法計算的4臺循環流化床鍋爐旋風分離器中心筒改造前的臨界壓力pcr，其中溫度815℃，彈性模量125GPa。

表1 解析法計算旋風分離器中心筒臨界壓力pcr

圖算法是根據圓筒的形狀系數與失穩時周向應變A的關系做出幾何參數計算圖， 再根據材料不同溫度下應力與應變的關系引入安全系數m，得到B-A曲線，最后計算許用壓力［p］。 該方法先假定厚度，然后將計算的許用壓力與設計壓力進行對比。 GB 150—2011《壓力容器》和ASME Ⅷ-1《鍋爐及壓力容器規范》均推薦圖算法作為外壓容器設計的主要方法［11］。

2.3 蠕變失穩討論

中心筒的受力模型不同于一般外壓圓筒的模型，依據兩端支撐方法上端可以簡化為固支或簡支，下端則是自由端。 在壓力分布方面，中心筒在環向的壓力分布是不均勻的，背風側的壓力大于迎風側的， 在軸向的壓力分布上端大于下端。一般循環流化床鍋爐旋風分離器壓降約為1.5～2.0kPa，可以取中心筒內外壓差p=2.0kPa。 表1計算結果表明，無論是按照長圓筒還是短圓筒計算的中心筒臨界壓力pcr均大于中心筒的內外壓差。若取外壓圓筒的安全系數m=3，則許用壓力［p］也大于中心筒的內外壓差，也不會發生中心筒瞬間被壓癟失穩的現象。 可見，外壓圓筒失穩計算方法是不適用的。

實際上， 中心筒工作在800℃以上的高溫狀態，在蠕變應力的作用下，材料在長時間的高溫環境下極易發生蠕變變形，尤其當材料的工作溫度高于0.3Tm時，蠕變現象逐漸明顯［12，13］。 中心筒在外壓作用下內部會形成彎曲應力，且該彎曲應力不足以導致中心筒外壓失穩，但形成的蠕變應力在長時間的作用下會導致材料發生蠕變變形，逐漸失去原有的圓筒形。 所以，中心筒的變形是在這種蠕變應力作用下產生的蠕變失穩，這種蠕變失穩具有外壓圓筒失穩變形的特點，或是長圓筒下口變成橢圓形， 或是短圓筒下口變成多波形，均是長時間緩慢形成的。 因此，設計中心筒時應考慮控制其內部的彎曲應力值，降低蠕變變形量，防止發生蠕變失穩的現象。

針對中心筒蠕變變形問題， 表1中列出了相應的改造措施，包括增加中心筒的有效厚度δe、降低長徑比L/Do， 或者是設置加強圈以降低計算長度L，這些措施均可有效提高中心筒的剛度，降低蠕變應力和蠕變變形，避免發生蠕變失穩變形破壞。 通常外壓圓筒的失穩與材料的強度無關，而與材料的彈性模量有關，而不同金屬材料的彈性模量E變化不大， 因此中心筒的技術升級改造可以無需進行材料升級。

3 結束語

受力分析表明，旋風分離器的中心筒是承受外壓載荷的圓筒。 循環流化床鍋爐旋風分離器中心筒的變形是在高溫條件下發生的蠕變變形，這種變形具有外壓圓筒失穩變形的特點。 因此，基于一般外壓圓筒的失穩機理，中心筒的變形是由于圓筒剛度不足，在外壓作用下內部的彎曲應力較大，從而造成了蠕變失穩變形破壞。 通過增加中心筒的有效厚度、降低長徑比，或者是設置加強圈均可有效提高中心筒的剛度，避免發生蠕變失穩變形破壞。