煤气发生炉强度及失稳分析

【摘 要】煤气发生炉在使用过程中会由于高温等原因出现失稳或夹套爆破现象，能够引起爆炸、燃烧等重大事故，给工作人员和企业带来生命和财产的重大损失。本文首先分析了煤气发生炉水夹套的重要作用及失效原因，利用ANSYS有限元分析软件首先建立煤气发生炉水夹套模型及网格划分模型，然后进行了应力分析，得到水夹套典型位置的应力分布。经过分析得出：煤气发生炉水夹套的应力分布较低，最大应力值位于筒体与接管连接的边缘处，在设计时要注意人孔与外夹套筒应力集中问题。

【关键词】煤气发生炉；失稳；水夹套；有限元

引言

虽然煤气发生炉在煤气化技术得到广泛的应用，但因为煤气发生炉使用条件和在生产过程的高压高温问题，经常造成煤气发生炉材料的软化，从而造成设备泄漏或断裂，特别是煤气发生炉的炉体和水夹套，因为炉体本身和水夹套经常被加热到500℃，这样在夹套中的水会立即变成水蒸气，从而产生巨大的压力，超过泄压阀的额定载荷后，随着压力的升高，煤气发生炉会失稳或是夹套爆破，从而引起爆炸、燃烧、中毒等重大事故，给工作人员和企业带来生命和财产的重大损失。因此本文主要是针对煤气发生炉内筒和夹套利用ANSYS软件进行临界压力分析，然后从预防失稳出发，对煤气发生炉设计提出一定的建议和讨论。

1 煤气发生炉水夹套失效的原因分析

对于煤气发生炉水夹套失效国内有很多人都已经分析。在《石油化工设备》、《压力容器》《化工装备技术》等中文杂志刊登了一些关于煤气发生炉水失效的文章。通过总结这些文章，认为煤气发生炉水失效主要原因是由于水夹套鼓包，而具体原因如下：

（1）为提高发生炉负荷，多生产煤气，有意关小甚至关闭水夹套进（进水）、出口（水蒸气出口）阀门，以提高发生炉炉温和加速反应，结果导致水夹套升压而爆炸。

（2）因交接班制度不健全，操作失误，使水夹套进水阀开得过小或未打开；水夹套蒸汽出口阀开得过小或未打开；水夹套的进、出口阀全部关死；困检修时关闭水夹套进、出口阀，检修（如补焊）后未开启，致使水夹套压力升高而爆炸。

（3）在水夹套断水或水量不足时或发现水夹套锅炉进、出口阀未打开，致使压力剧升，或发现水泵停止运行时，匆忙启动水泵和打开水夹套进水阀门，大量补充冷却水，致使水遇到高温骤然汽化超压而爆炸内壁破裂后，大量水和蒸汽进入炉内，与灼热炭层接触，还会导致煤气发生炉爆炸。

（4）关阀水夹套出口阀门擅自离岗，致使水夹套超压爆炸。

（5）检修煤气发生炉完工后，忘记卸除安装在水夹套出口管的盲板，点火开炉后，随炉温升高，夹套内水蒸汽不能排出，导致水夹套升压爆炸。

2 煤气发生炉水夹套模拟研究

本次模拟选择的是ANSYS有限元分析软件，因为有限元能够处理复杂的形状，并且计算精度高，然后本文选用的结构体是是带边中点的3-D 六面体单元，它能够吸收不规则形状的单元而精度没有损失，单元有20个节点定义，每个节点有三个自由度。

为了求取更加准确的应力值，利用ANSYS软件，建立了煤气发生炉壳体的实体模型图和网格划分图模型中，并且在模型中开人孔。模型材料选择的属性如表1所示。

由图1可以看出，煤气发生炉壳体模型的最大应力位于外筒体与接管连接处，且最大应力值为136.52MPa；为了更加准确的了解煤气发生炉壳体模型水夹套各处的应力分析，将煤气发生炉壳体模型水夹套典型位置进行应力分析，如图2所示，具体的分布值如表2所示。

A点为远离连续区下封闭环；B点为内筒与下封闭环连接区；C点为外夹套与内筒连接处；D点为夹套与外筒连接区；E 为外筒远离区；F内筒与上封闭环连接区；G点为外筒与上封闭环连接区；H人孔与上夹套连接区；I 人孔与夹套中间连接区域；J为内筒远离不连续区；

可以看出，煤气发生炉水夹套模型典型位置应力分析典型位置的应力均远小于材料的许用应力，但在人孔与外夹套筒体连接处应力高达136.52MPa，大于材料的许用应力，考虑到该处位于局部结构不连续区，存在一定的应力集中，因此会对结果产生一定的影响，因此在设计煤气发生炉水夹套整体结构时候，要将应力集中考虑其中。

3 结论

（1）煤气发生炉失效的主要原因是由于水夹套鼓包原因造成的。

（2）最大应力值位于筒体与接管连接的边缘处，应力值高达136.52MPa。

（3）在设计煤气发生炉水夹套过程中要注意结构的平滑连接及过渡，在设计时候要注意应力集中问题。

参考文献：

[1]王宏业.发生炉煤气的废热利用探讨[J].山西焦煤科技，2004（02）.

[2]赵文栋.煤气发生炉水夹套出现早期裂纹失效的原因分析[J].石油和化工设备，2006（01）.

[3]孙雷.煤气发生炉水夹套强度计算[J].石油化工设备，2008（01）.