多段床气化炉高温设备及管道应力分析

叶水祥，赵石军，唐升连

某公司多段分级转化流化床煤气化中试装置核心设备为气化炉、三级旋风分离器、废热锅炉及附属管道（见图1）。入炉煤从气化炉下部和上部分别进入，在高温（1000～1100℃）下，与气化剂进行反应，生成灰渣团聚物和粗煤气。灰渣团聚物经渣锁排出气化炉，粗煤气进入三级旋风分离器，所夹带的细粉被捕集后经料腿和返料阀门返回气化炉进一步气化。高温煤气经过除尘后，再进入废热锅炉进行废热回收。

1 CAESAR整体应力分析的目的

由于该多段分级转化流化床煤气化中试装置是在原加压灰熔聚流化床粉煤气化中试平台的基础上进行改造，受原平台空间限制，设备和管道布置紧凑，利用CAESARⅡ管道应力分析软件[1]对中试装置核心部分进行整体建模，可分析计算其在内压和各种载荷作用下的应力分布情况；分析比较管系在各种布置方案下的应力水平，为选择最佳方案提供依据；计算管道对各设备管口的管道载荷，为设备设计提供外载；计算弹簧支吊架[2]的载荷和位移，确定弹簧支吊架型号。

2 三种方案的比较分析

由于各设备布置紧凑，如何配管使管道既能满足工艺要求，又能使管道在各种工况下满足应力强度条件是最困难的问题，为此配管工程师提出了三种配管方案。

图1 气化炉、旋风分离器、废锅锅炉及附属管道整体结构示意图

2.1 方案一：固定支座加膨胀节

气化炉和三个旋风分离器都由固定支座支撑在钢结构框架上，在三级旋风分离器到废热锅炉的长管道上加膨胀节，以吸收由热胀引起的变形量，从而降低管道应力。

该方案的优点是结构简单，安装方便。但因膨胀节每隔一段时间就必须更换，所以不利于维护，且由于管道内壁需敷设耐火及保温层材料，膨胀节在管系的变形协调中会受拉压作用而发生弯曲，导致内壁的耐火材料被破坏，高温介质将直接与金属管道接触，致使管道许用应力降低，最终破坏管道。

2.2 方案二：固定支座加“Π”形弯管

气化炉和三个旋风分离器固支在钢结构框架上，在第三旋风分离器到废热锅炉的长管道中加入“Π”形弯管，用弯管来吸收热胀引起的变形量，降低管道应力。

该方案同样结构简单，安装方便，但由于受原框架空间限制，“Π”形弯管将超出框架并和框架横梁干涉，因此该方案虽然能满足工艺和应力强度条件，但却无法在中试装置中实现。

2.3 方案三：旋风分离器用弹簧支座

在该方案中气化炉和废热锅炉用固定支座支撑在钢结构框架上，三个旋风分离器改用弹簧支座支撑，用弹簧支座的变形来吸收热胀量，降低管道应力（见图2）。

图2 方案三：旋风分离器改用弹簧支座结构示意图

该方案虽然结构上较前两个方案复杂，但占用空间小，可以安装在原框架结构上，经过计算后管道应力又能满足应力强度条件，因此该方案切实可行，某公司开发的多段分级转化流化床煤气化中试装置正是采用了该种方案。

3 CAESARⅡ应力分析计算

3.1 管道载荷的确立

（1）计算压力及计算温度

气化炉的操作压力为3.0 MPa，气化炉内部的操作温度约为1200℃，但因设备和管道内壁都敷设有耐火材料，所以管线的计算压力为3.0 MPa，计算温度为150℃。

（2）风载荷

在CAESARⅡ中用考虑了保温层和风向角的管道的暴露面积乘以等效风压和管道的形状系数来得到风载荷[3]，用户一般可以用三种方法来计算等效风压。第一种用ASCE7-2005规范进行计算，第二种用风压和高度关系表进行计算，第三种用风速和高度关系表进行计算。单元上总的风力计算公式：

式中，F—单元上总的风力（N）；Peq—等效风压（动压力），（Pa）；S—管单元风形状系数；

A—管单元暴露面积（m2）。

在本项目中由于试验基地的风压随高度的变化关系已经测得（见图3），故使用第二种方法计算风压和单元所受的风力，风形系数取0.6。

图3 某基地风压随高度变化关系表

（3）地震载荷

CAESARⅡ软件对地震载荷[4]可采用静态计算和动态计算两种分析方法，施加静态地震载荷的方法与风载荷类似，地震载荷的大小与单元重量成正比。本项目采用静态计算方法，地震加速度取0.2g。

3.2 载荷组合工况及计算

在CAESARⅡ中利用工况代数组合可以将基本载荷工况进行组合，形成各种组合工况。

（1）正常载荷工况

正常载荷工况应考虑自重（W）、位移（D）、温度（T）、压力（P）和弹簧附加力（H）等载荷分量，并由这些载荷分量组合出弹簧工况（HGR），操作工况（OPE）、持续工况（SUS），并根据操作工况和持续工况组合出膨胀工况（EXP）。

（2）偶然载荷工况

偶然载荷包括风载荷和地震载荷，按照ASME B31.3[5]的规定，风载荷和地震载荷不考虑叠加，分别与正常运行载荷单独组合。

①风载荷工况

风载荷工况除了自重（W）、位移（D）、温度（T）、压力（P）、弹簧附加力（H）等载荷分量外，还包括风载分量，本项目中风载方向由风玫瑰图中比例最高的方向确定。

②地震载荷工况

地震载荷工况除了自重（W）、位移（D）、温度（T）、压力（P）、弹簧附加力（H）等载荷分量外，还包括X、Y、Z三向地震分量。

③载荷组合工况

CAESARⅡ提供的基本工况为持续工况（SUS）、操作工况 （OPE）、热胀工况 （EXP）和偶然工况（OCC），用户可利用这些基本工况组合出所需的各种工况，以校核一次应力和二次应力，计算管道上各约束在不同工况下的受力和位移等，具有极高的灵活性，为用户提供了很大的方便。

④结果分析

通过上述工况组合计算后，从CAESARⅡ输出文件中可以得到该中试装置在各个工况下的应力分布、端点位移和约束载荷，通过计算弹簧支座的载荷和位移，确定了弹簧支座型号（见表1），从结果文件可以判断，方案三的管道布置是合理的，既满足工艺要求，又满足应力强度条件。

表1 旋风分离器弹簧支座选型表

4 结语

由于CAESARⅡ程序将管线作为梁单元处理[6]，与实际情况仍有一定偏差，因此该程序只能用于整体的受力分析和应力评判，而各个管件的强度是否满足要求还需进行局部应力分析计算，而且CAESARⅡ软件分析只是整个中试装置应力分析的基础，对于个别危险管件，还需通过有限元计算来判断其应力强度条件。

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

[2]中华人民共和国机械行业标准，JB/T 8130.2-1999，可变弹簧支吊架.

[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]唐永进.压力管道应力分析 [M].北京：中国石化出版社，2003.