2009年12月...Dec.2009第32卷第6期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol.32 No.6大型粉煤氣化爐關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究郭文元段新群? 蔣自平2(1.中國(guó)石化集團(tuán)寧波技術(shù)研究院,浙江寧波,315103;2.中國(guó)石化集團(tuán)寧波工程有限公司.浙江寧波,315103)摘要通過對(duì)大型干煤粉 氣化爐及廢熱鍋爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受力分析,進(jìn)行了爐體大直徑斜開孔、導(dǎo)管、氣化爐錐殼和裙座等關(guān)鍵部件(部位)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究,并將研究結(jié)果用于指導(dǎo)爐體的設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)驗(yàn)收.組裝等,經(jīng)過煤氣化裝置氣化爐和廢熱鍋爐的操作運(yùn)行實(shí)踐表明完全滿足裝置操作要求。關(guān)鍵詞氣化爐應(yīng)力分析 結(jié)構(gòu)粉煤1概述保證整個(gè)系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。這樣特殊的“固定日投煤量2000t SCGP煤氣化工藝干煤粉氣+彈性”支撐方式,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行系化爐作為以固態(tài)原料采用非催化部分氧化制合成統(tǒng)承壓外殼的強(qiáng)度計(jì)算,從而保證其安全性。氣,在國(guó)內(nèi)已建成或正在建設(shè)的裝置有20套以氣體源劇室上,中國(guó)石化集團(tuán)寧波工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱寧波工程公司)承建了其中4套裝置用于合成氨“煤代油”技術(shù)改造的氣化裝置,已分別于2006年底、2007年初相繼開車投人工業(yè)化運(yùn)行。粉煤氣化裝置的核心設(shè)備是氣化爐及其廢熱鍋爐系統(tǒng)。干煤粉氣化爐中發(fā)生部分氧化氣化反魅7段應(yīng),工藝選擇必須使氣流以接近45°角度進(jìn)人廢熱鍋爐中進(jìn)行余熱回收。氣化反應(yīng)生成主要成分為2CO+ H2、溫度為1400~ 1600C的粗合成氣,經(jīng)激冷至900C后通過導(dǎo)管、氣體返向室進(jìn)人廢熱鍋爐,粗合成氣的余熱回收在廢熱鍋爐(合成氣冷卻氣化護(hù)器)中完成。就氣化爐及廢熱鍋爐系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面而言,與常規(guī)大型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝方式不同,該氣化爐、導(dǎo)管、氣體返向室、廢熱鍋爐組成了一個(gè)整一部分第二部分體結(jié)構(gòu)安裝在氣化島內(nèi)的開放式剛性框架中,如圖1所示。裝置第一部分氣化爐側(cè)高度約40m,圖1氣化爐及廢鍋系統(tǒng)布置其支撐方式為底部固定在35 m混凝土框架上;裝1--氣化爐裙座與下球封連接處;2-氣化爐錐殼;置第二部分廢熱鍋爐側(cè)高度約50m,采用恒力彈3一激冷段與導(dǎo)管連接處;4- GRC大直徑斜開孔處簧吊架吊掛支承;該兩部分軸線間距為10m,通過導(dǎo)管+氣體返向室連為一體。這樣的“固定+彈中國(guó)煤化工E程師，1988年畢業(yè)于華性"支撐方式的優(yōu)點(diǎn)是使整個(gè)系統(tǒng)無論在冷態(tài)(安東化fYHC N M H G集團(tuán)寧波技術(shù)研究院副裝、停車期間),還是在熱態(tài)(操作運(yùn)行期間)都能院長(zhǎng),獲12項(xiàng)中國(guó)專利。聯(lián)系電話:0574.87975205; E-mail: guowy夠保證不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s產(chǎn)生過大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，@ snee . com。第6期郭文元等.大型粉煤氣化爐關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究407寧波工程公司通過對(duì)粉煤氣化爐與廢熱鍋爐熱鍋爐側(cè)采取恒力彈性吊掛(采用恒力彈簧)的方系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全面的技術(shù)分析和研究,并結(jié)合已有的式,從而滿足氣化爐和廢熱鍋爐系統(tǒng)整體的“柔工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),采用應(yīng)力分析的方法開展了該系性"要求。這樣特殊的“固定+彈性”支撐方式必統(tǒng)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),并堅(jiān)持設(shè)計(jì)的先進(jìn)性與須首先考慮這些關(guān)鍵部件(部位)的結(jié)構(gòu)受力狀技術(shù)的穩(wěn)妥可靠相結(jié)合、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)要求相結(jié)合、現(xiàn)場(chǎng)組裝安裝技術(shù)要求與設(shè)備1)氣化爐裙座連接處。由于在廢熱鍋爐側(cè)開車操作運(yùn)行的工況相結(jié)合等原則，經(jīng)多個(gè)技術(shù)采取恒力彈性吊掛,將傳遞給作為固定處的氣化方案反復(fù)比選分析研究最終確定了氣化爐殼體的爐裙座連接處有多大的附加力和彎矩,才能確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),而且大大降低了氣化爐及廢熱鍋爐這裙座連接處的全部受力狀況。些大型引進(jìn)設(shè)備的造價(jià)投資,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效2)導(dǎo)管。由于在氣化爐裙座處固定支撐,相益和深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。應(yīng)地通過導(dǎo)管將分擔(dān)(支撐)了多少?gòu)U熱鍋爐側(cè)的重量,才能確定導(dǎo)管的全部受力狀況。2爐體 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)受力分析3) GRC大直徑斜開孔處、氣化爐錐殼處。由煤粉氣化裝置中,氣化爐與廢熱鍋爐系統(tǒng)由于在廢熱鍋爐側(cè)采取恒力彈性吊掛，在氣化爐錐爐體(承壓外殼)和相應(yīng)的內(nèi)件(膜式水冷壁、盤管殼處.氣化爐激冷段與導(dǎo)管交界處、氣體返向室等)組成,粉煤氣化爐的氣化反應(yīng)器和廢熱鍋爐通GRC大直徑斜開孔交界處產(chǎn)生多大的附加力和過導(dǎo)管+氣體返向室(GRC)連接在一起成為整彎矩,才能進(jìn)行強(qiáng)度與開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。顯然,如采用“常規(guī)設(shè)計(jì)”則無法進(jìn)行爐體外體[1。爐體外殼主要技術(shù)特性參數(shù)見表1。殼各部件的強(qiáng)度計(jì)算,必須首先對(duì)氣化爐及廢熱表1爐體(承壓外殼)主要 技術(shù)特性參數(shù)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)JB4732- 19959“ 鋼制壓力容器一應(yīng)力鍋爐系統(tǒng)整體做動(dòng)力效應(yīng)分析計(jì)算[2] ,確定上述及驗(yàn)收規(guī)范分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)"各交界截面處的附加力和彎矩后,再通過采用“有設(shè)計(jì)壓力/MPa5.2限元應(yīng)力分析”的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,才能全面確定各關(guān)設(shè)計(jì)溫度/350主體材質(zhì)氣化爐:SA387Gr.11CL.2/IN825 +鍵部件的強(qiáng)度,從而保證氣化爐和廢熱鍋爐系統(tǒng)整SA387Gr. 11CL.2體安全。導(dǎo)管、CRC與廢鍋上段:SA387Gr.11CL.2廢鍋下段:SA387Gr.11CL.2/304L氣化爐及廢熱鍋爐系統(tǒng)整體動(dòng)力效應(yīng)分析計(jì)主要規(guī)格/ mm氣化爐及激冷管:ID4630/1D3020 x 30900算的上述部件(部位)處的附加操作載荷見表2。導(dǎo)管:1D3020表2氣化爐 系統(tǒng)關(guān)鍵部件(部位)附加操作載荷GRC:ID1870x 285/ ID34000廢熱鍋爐: ID3400x 40500位置F,/kN F,/kN F/AkN M./kNim M,/kNn M./kNin爐體外殼按“壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”、GRC8873.975.6292.3 17065.1 319.8導(dǎo)管820.2 47.2 1306 494.7. 15601.4 522.1JB4732- -1995 鋼制壓力容器一-應(yīng)力分析設(shè)計(jì)標(biāo)氣化爐錐殼888.9 69.2 3249.5. 1150.8 12674.9 625.2準(zhǔn)”體系以及寧波工程公司工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制裙座連接處988.9 169.1 8966.3 3773.1 25618.3 625.2造、試驗(yàn)、檢驗(yàn)和驗(yàn)收,按ASMEI材料、ASME第v皿篇第二分篇鍋爐和壓力容器規(guī)范及寧波工程公3關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析司工程標(biāo)準(zhǔn)“氣化關(guān)鍵設(shè)備壓力容器外殼材料技采用有限元分析,對(duì)GRC、導(dǎo)管、氣化爐錐殼術(shù)條件"進(jìn)行材料采購(gòu)和復(fù)驗(yàn)。和裙座,應(yīng)用三維實(shí)體和二維軸對(duì)稱力學(xué)模型。為保證氣化爐系統(tǒng)的整體強(qiáng)度，就必須對(duì)各1)計(jì)算程序。有限元分析采用ANSYS計(jì)算部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。本文重點(diǎn)擇取爐體外殼的關(guān)程序鍵部件及關(guān)鍵部位一氣體返向室(GRC)大直徑2)材料特性見表3。斜開孔處、氣化爐激冷段與導(dǎo)管交界處、氣化爐錐表3材料特性殼、裙座與氣化爐下球封連接處進(jìn)行分析研究。. Sm許用設(shè)計(jì)應(yīng)力中國(guó)煤化工踱(30C下)AMP由圖1可以看出,由于氣化爐和廢熱鍋爐通SA387158.6過導(dǎo)管連接成一整體,為保障該系統(tǒng)整體在操作SA182 I:YHCNMHG140.7狀態(tài)”下無任何限制(約束)而較自由熱膨脹,在廢3)幾何模型和劃分網(wǎng)格見表4。408大氛配2009年第32卷表4幾何模型和網(wǎng)格劃分幾何模型網(wǎng)格劃分部件(部位)特構(gòu)特性單元類型單元數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)單元連接圖CRC1347562949圖2SOLID95和SOLID923297044872圖3(三維對(duì)稱的實(shí)體單元)錐殼對(duì)稱裙座與球封連接處軸對(duì)稱PLANE82(二維軸對(duì)稱的實(shí)體單元)1453045947圖5表面上的力) P。= 5.1MPa;②計(jì)算溫度: T。=350C ;③附加操作載荷見表2。6)應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果。氣體返向室、導(dǎo)管、氣化爐錐殼和裙座的應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果見表5。表5應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果最大的應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度部件變形情況點(diǎn)位置、數(shù)值云圖圖6位于連接處最下點(diǎn)內(nèi)側(cè)內(nèi)圖7璧、395.6MPa圖2氣體返 向室單元網(wǎng)格劃分導(dǎo)管圖8位于兩連接下端處內(nèi)側(cè)內(nèi)圖9壁、202.73 MPa圖10位于大端內(nèi)側(cè)內(nèi)壁、圖11339.67 MPa裙座圖12位于連接處上部外側(cè)、圖13282.353 MPa圖3導(dǎo)管單元網(wǎng)格劃分圖6 GRC 變形圖4氣化爐錐殼單元網(wǎng)格劃分AN圖7GRC應(yīng)力強(qiáng)度云圖中國(guó)煤化工圖5氣化爐裙座單元網(wǎng)格劃分MHCNMHG4)邊界條件(略)。5)操作載荷。①計(jì)算壓力(作用在殼體內(nèi)圖8導(dǎo)管變形第6期.郭文元等.大型粉煤氣化爐關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究40914;②導(dǎo)管:選擇位于導(dǎo)管的連接部位最大應(yīng)力點(diǎn)截面(危險(xiǎn)截面)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定,線性化應(yīng)力強(qiáng)度見圖15和表7;③氣化爐錐殼:選擇錐殼大端與圓簡(jiǎn)體連接處最大應(yīng)力點(diǎn)截面(危險(xiǎn)截面)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，線性化應(yīng)力強(qiáng)度見表8和圖圖9導(dǎo)管應(yīng)力強(qiáng)度 云圖.16;④裙座連接處:選擇氣化爐裙座與球殼連接處最大應(yīng)力點(diǎn)截面(危險(xiǎn)截面)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定,線性化應(yīng)力強(qiáng)度見表9和圖17。表6氣體返向窒危險(xiǎn)截面線性化應(yīng)力強(qiáng)度位置內(nèi)壁中心外璧應(yīng)力強(qiáng)度358.4 MPa195. 1 MPa36.37MPa圖10氣化爐 錐殼變形應(yīng)力種類PL+ QPrP+ Q許用應(yīng)力強(qiáng)度3S. =1.58m=3Sm=475.8MPa237 .9MPa475.8MPa .評(píng)定結(jié)果合格360 N288 t252上5216MEM+ RANE司180108-TOTAL圖11氣化爐錐殼應(yīng)力強(qiáng)度云圖6-MEM+BENDAN031812192266304 342380DIST圖14氣體返向室危險(xiǎn)截面線性化應(yīng)力分布92.44181.7171.1160.5+MEM+RANE了149.1287圖12裙座連接處變形118.0107.41N圖15導(dǎo)管危險(xiǎn) 截面線性化應(yīng)力分布表7導(dǎo)管連接部位危險(xiǎn)截面線性化應(yīng)力強(qiáng)度露外壁203.0MPa149.9MPa96.80 MPa圖13裙座連接處應(yīng) 力強(qiáng)度云圖7)判定準(zhǔn)則3。①總體一次薄膜應(yīng)力P應(yīng)475.8 MPa3S。=1.5Sm=237.9 MPa滿足Pm≤Sm;②→次局部薄膜應(yīng)力PL應(yīng)滿足合格，Pr≤1.5Sm ;③一次局部薄膜應(yīng)力PL和一次彎曲表8錐殼大端與圓筒體連接處危險(xiǎn)截面線性應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)力Pb應(yīng)滿足PL + Pb≤1.5Sm;④一次應(yīng)力和二次應(yīng)力Pr、Pb、Q 應(yīng)滿足Pr+ Pb+ Q≤3Smo應(yīng)力中國(guó)煤化工-MPa138.3 MPa8)應(yīng)力評(píng)定。①氣體返向室:選擇位于導(dǎo)管P+Q和氣體返向室連接處的最大應(yīng)力點(diǎn)截面(危險(xiǎn)截許MHCNMHG.:=日罐a面)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定,線性化應(yīng)力強(qiáng)度見表6和圖.評(píng)定結(jié)果410大氛職2009年第32 卷316.7 K正常、安全操作運(yùn)行有多大的影響,并以此可以得257.1出爐體制造、組裝與安裝的最大允許偏差,考慮一227.3~;197.6 t定的安全裕度后用于指導(dǎo)爐體的制造檢驗(yàn)、驗(yàn)收6167.8 t108.2MEM+ BEND/和爐體大部件組裝、安裝驗(yàn)收。78.4-煤氣化裝置開車成功及正常操作運(yùn)行期間，48.7 MEM+RANE為了驗(yàn)證氣化爐與廢熱鍋爐系統(tǒng)爐體大直徑斜開081624324048566472孔等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究成果的實(shí)際工圖16錐殼大端與圓簡(jiǎn)體連接處線性化應(yīng)力分布程應(yīng)用情況,分別在氣化爐系統(tǒng)吊裝就位后對(duì)氣表9裙座與球殼連接處線性應(yīng)力強(qiáng)度化爐裙座與氣化爐底部的連接處、氣化爐上部錐位置內(nèi)壁中心段處、導(dǎo)管交接處、氣體返向室斜開孔處廢熱鍋應(yīng)力強(qiáng)度88.34 MPa80.28 MPa126.7 MPa爐恒力彈簧吊掛系統(tǒng)、廢熱鍋爐底部導(dǎo)向架等進(jìn)應(yīng)力種類PL+QPPI+ Q許用應(yīng)力強(qiáng)度3Sm =1.5Sp=3Sm=行了針對(duì)性檢查,均未發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象。475.8MPa237.9MPa大型煤粉氣化爐作為SCGP煤氣化工藝的核評(píng)定結(jié)果合格心設(shè)備,與其他型式的氣化爐相比,其技術(shù)具有顯TOTAL/著的特點(diǎn)。粉煤氣化爐爐體屬于一個(gè)非常復(fù)雜的設(shè)備,因而在結(jié)構(gòu)技術(shù)研究、設(shè)計(jì)過程中必須考慮結(jié)構(gòu)的合理性,在計(jì)算中必須充分考慮到各種附20[MEM+BEND加載荷情況,并找出最危險(xiǎn)的工況組合,同時(shí)在制795612182430364248546066MEM+RANE造過程中對(duì)該類設(shè)備的熱處理、無損檢測(cè)、水壓試驗(yàn)、開停車工況的要求等都必須充分考慮,從而使圖17裙座 與球殼連接處線性應(yīng)力分布爐體外殼的設(shè)計(jì)更加合理、安全,更加經(jīng)濟(jì)。參考文獻(xiàn)4結(jié)束語通過氣化爐與廢熱鍋爐系統(tǒng)關(guān)鍵部件及部位1郭文元. 大型干煤粉氣化爐的技術(shù)特點(diǎn)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2005.26(5).19~21的應(yīng)力分析研究,形成的計(jì)算方法也可用于校驗(yàn)2郭文元， 段新群等.干粉煤氣化爐及廢鍋系統(tǒng)整體動(dòng)力效應(yīng)爐體在制造、組裝過程中產(chǎn)生偏差的強(qiáng)度與安全分析[J].大氬肥2008.31(6) .361 ~ 366性,同時(shí)，也可以評(píng)定制造、組裝產(chǎn)生偏差對(duì)爐體JB4732- -995, 鋼制壓力容器一-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]ANALYSIS OF AND STUDY ON STRUCTURE STRESS OF CRITICALPARTS IN LARGE PULVERIZED-COAL GASIFIERGuo Wenyuan( SINOPEC Ningbo Instiue of Technology , Ningbo ,315103)Duan Xinqun, Jiang Ziping( SINOPEC Ningbo Engg . Corp. , Itd. , Ningbo ,315103)Abstract This article, based upon the force analysis on the structure of large dry pulverized-coal gasifer and WHB system, has carried out the stress analysis and study on the structures of suchcritical parts ( position) as oblique opening of large diameter on the gasifier, ducts, conical shell andskint and further the study result has been used in the engineering applications as guiding the struc-ture design, fabrication/ inspection/ acceptance and ass中國(guó)煤化工ice of both gasifierand WHB in the coal-gasification plant has indicated:fYHc N M H Grurement has fllbeen satisfied.Key words: gasifier, stress analysis, structure, pulverized-coal