焙烧炉筒体结构强度有限元分析*

2022-02-16张伟亚宋晓良邱永宁王成强

安全、健康和环境 2022年1期

张伟亚，宋晓良，邱永宁，王成强

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104 2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730060 3.中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

0 前言

在催化剂工业生产中，焙烧过程是重要的环节之一，可选择微波焙烧炉、回转式焙烧炉、立式焙烧炉和辊道窑等焙烧设备实现[1]。焙烧炉工作环境通常在800 ℃左右，对设备尤其是筒体的长周期运行带来挑战。于文溪等[2]通过金相分析法对炉体开裂原因进行了分析，发现由于氧化腐蚀、蠕变导致材料劣化，热循环导致的热疲劳是炉体失效的主要原因。张一凡等[3]发现断裂部位多集中在支撑部位，弯曲应力和温差应力等因素是导致炉体断裂的主要因素。周文昌等[4]对运行6年发生炉筒开裂的分子筛焙烧炉进行了分析，提出加焊角钢来提高筒体刚度，降低交变应力。闫俊杰[5]针对焙烧炉故障，提出了筒体在线修复方案。为避免筒体在运行过程中发生故障，焙烧炉在设计过程中需充分考虑各因素的影响。本文针对焙烧炉筒体进行了有限元分析和强度校核，考虑热应力、运行压力和重力的影响，同时分析外部对流、保温层和进气温度对筒体局部应力的影响。

1 焙烧炉筒体有限元分析

1.1 实体建模及网格划分

焙烧炉筒体尺寸参数：加热段6 000 mm，保温段2×800 mm，加热段厚度300 mm，非保温段2×1 000 mm。筒体内径600 mm，外径628 mm，壁厚28 mm。

加热段800 ℃，腔体内辐射传热，辐射系数0.4，不考虑气体对流和物料带来的热损失。保温层为玻璃纤维棉，空气对流系数0.005 mW/(mm2·℃)，周围环境温度25 ℃。计算载荷：热应力+内压(0.6 MPa)+重力。

由于采用顺次耦合分析，传热分析单元类型为DC3D8，应力分析单元类型为C3D8R。全局布种，单元尺寸50 mm，厚度方向单元数4。单元数66 156，节点数79 681。网格图形如图1所示。同时，建立两条路径进行结果分析。

图1 筒体+保温层结构及网格划分

1.2 材料属性

材料Incoloy 800 HT[6]，密度8 g/cm3，热膨胀系数15.020 9×10-6/℃，热物性参数随温度变化曲线如图2所示。

图2 Incoloy 800HT热物性参数

玻璃纤维棉材料性质：密度32 kg/m3，热传导率0.049 mW/(mm·℃)，比热6.70 J/(kg·℃)。

2 结果与讨论

2.1 温度场和应力场

如图3所示，在筒体外部均匀稳态传热，筒体内部通过辐射向封头部位传热。封头部位温度为379 ℃，材料当前温度下许用应力106 MPa，远大于封头处的应力39.73 MPa，不作为关注重点。为使得温度平稳过渡，筒体周围铺设保温层。保温层远离恒温段方向温度梯度较大，表面从694 ℃降至44 ℃，同时在保温层边缘处筒体部位应力较大，达到26.16 MPa，大于材料800 ℃下的许用应力15 MPa(JB/T 4756—2006 《镍及镍合金制压力容器》)，不满足常规压力容器设计要求，需要进行分析设计。

图3 筒体温度场和应力场分布

为进一步分析沿筒体轴向应力分布，建立路径1，图4表示路径1下筒体的温度和Mises应力及各分量应力分布。从图4(a)温度趋势中可以看出，保温层的存在可以在一定程度上降低温度梯度，同时保温层的存在造成保温层端部出现应力波动。在保温段与加热段接触部位，应力较大，超过材料许用应力。此外，热应力占据主导地位，由于内压的存在使得最大应力略有下降，整体应力水平增加，重力的影响可以忽略不计。从图4(b)中可以看出，内压对焙烧炉筒体环向应力影响较大，在保温层两端筒体轴向应力较大，说明在此处由于温度梯度变化，筒体在径向方向膨胀量不一致，产生了轴向弯曲倾向。

图4 路径1下筒体温度及各应力分量分布

2.2 安全评定

由筒体局部应力分析可以发现，根据常规设计标准GB 150—2011《压力容器》，筒体强度不满足使用要求，需要进行分析设计。根据JB 4732—1995《钢制压力容器分析设计标准》，对局部应力线性化，应力应满足关系式：

(1)

Pm+Pb+Q<3Sm

(2)

Pm+Pb+Q+F

(3)

式中：Pm——薄膜应力，MPa；

Pb——弯曲应力，MPa；

Q——二次应力，MPa；

F——峰值应力，MPa；

Sm——材料当前温度下许用应力，材料800 ℃下许用应力为15 MPa；

Sa——当前温度下疲劳许用应力幅，MPa。

对于圆筒型容器，在远离不连续部位，由内压产生的应力可分为总体薄膜应力Pm和沿壁厚的应力Q，由轴向温度梯度产生的应力可分为薄膜应力和弯曲应力。

根据路径2进行应力线性化，得到结果如表1所示。

表1 路径2应力线性化 MPa

总体薄膜应力Pm为7.16 MPa，小于许用应力Sm(15 MPa)。一次应力与二次应力之和Pm+Q(26.87 MPa)小于3倍许用应力(45 MPa)。由于标准中峰值应力叠加导致的疲劳失效应用范围为机械疲劳，筒体主要考虑由于启停造成的热疲劳，需进一步分析。

2.3 蠕变和疲劳寿命计算

由于筒体长期承受800 ℃高温环境，同时考虑启停机带来的热疲劳机制，需要对筒体强度进行深入分析。

(4)

式中：B——材料常数，h-1·MPa-n；

n——材料常数，无量纲。

Incoloy 800 HT在835 ℃下的参数[7]分别为B=4.5×10-20(h·MPan)-1，n=9.0，用于本计算分析。不考虑应力松弛，根据变形准则，以8 000 h/a计算，Incoloy 800 HT在不同应变下的使用寿命如表2所示。许用蠕变变形量为5%的情况下，筒体的使用寿命为24.22 a，超过筒体设计寿命20 a。

表2 Incoloy 800 HT不同应变下使用寿命

由于热应力对筒体应力贡献较大，因此只需要考虑热疲劳带来的损伤。热疲劳机理[8]表明，热疲劳抗力取决于热应力和热应变的幅值大小，交变热应力幅值超过材料本身屈服强度后，材料变成引起塑性应变累积，导致热疲劳裂纹萌生和扩展情况的发生。由于筒体结构应力26.16 MPa，远小于材料800 ℃屈服应力106 MPa，因此筒体热疲劳不予考虑。

2.4 参数影响

筒体在生产应用过程中，需要充分考虑筒体换热对筒体结构应力的影响。由于外界环境温度一年中变化不大(<50 ℃)，外界温度的影响忽略不计，主要考虑与外界对流的相互作用。图5表示路径1下对流系数对温度和应力的影响。

从图5(a)中可以看出，随着对流系数的增加，保温段的温度梯度变化越大。在保温段边缘(毗邻对流段)，对流系数从0.005 mW/(mm2·℃)增加到0.1 mW/(mm2·℃)，温度从555 ℃降至151 ℃。

同时，应力幅值在保温段边缘变化较大，如图5(b)所示。在保温段边缘左侧(950 mm)和右侧(1 200 mm)处均出现应力峰。当对流系数增加到0.05 mW/(mm2·℃)时，保温段边缘左侧应力峰值115.03 MPa超过当前温度下(161 ℃)许用应力113 MPa。因此，焙烧炉周边环境应避免强制对流的发生，防止筒体局部应力过大导致结构强度失效。

图5 路径1下对流系数对筒体温度和应力的影响

焙烧炉在运行过程中，并非封闭腔体，需注入氨气等高温气体，改善催化剂性能，然而气体与筒体内壁发生热对流交换，对筒体温度和应力会造成影响。由图6(a)可以看出，当进气温度从400 ℃增加至800 ℃时，筒体外表面保温段和对流段缓慢增加。应力波动主要出现在保温段与加热段相交部位，在保温段边缘左侧(1 650 mm)和右侧(1 850 mm)均出现明显的应力峰，见图6(b)。在保温段边缘右侧，峰值应力均超过材料800 ℃许用应力(15 MPa)，当进气温度为400 ℃时，Pm+Q(46.57 MPa)超过3Sm(45 MPa)。因此，应严格控制进气温度，避免进气温度过低，导致筒体结构过早失效。

图6 路径1下进气温度对筒体温度和应力的影响

保温层的作用是延缓温度降低梯度，图7反映了路径1下保温层长度对温度和应力的影响。

由图7(a)可以看出，随着保温层长度的减小，在保温段对温度降低的延缓作用越差。当保温层长度为200 mm时，保温层对温度下降的延缓作用可忽略不计。同样，随着保温层长度的减小，在保温段与加热段相交的部位应力波动较大，如图7(b)所示。在保温段右侧(1 831 mm)，当保温层长度为400 mm时，当前Pm+Q(46.87 MPa)已超过3Sm(45 MPa)。因此，保温层长度应控制在合理的长度，避免筒体结构应力过大。