点火烧嘴水夹套应力分析及优化设计.pdf
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1、点火烧嘴水夹套应力分析及优化设计杨建荣1,姚强1,曾大勇1,白云波2,3(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司,宁夏银川 750000;2.宁夏神耀科技有限责任公司,宁夏银川 750000;3.浙江大学,浙江杭州 310007)烧嘴是煤气化装置的核心部件之一,其头部采用由耐氧抗高温的材料制作的冷却水夹套进行保护。在冷却水夹套设计时,需要综合考虑换热效率和不同工况下的机械强度,并进行优化设计,避免出现因壁厚过厚导致金属壁面超温,进而发生蠕变、烧熔等热故障,或者因壁厚过薄导致机械强度不足。国内有很多专家学者对点火烧嘴水夹套进行了研究。匡建平等1对干煤粉气化炉烧嘴与气化炉的匹配性进行研究
2、,对新型国产化烧嘴结构进行了创新性设计。郭伟等2对不同工况下主烧嘴水夹套的受热状态进行分析,认为正常运行时烧嘴端面承受的最高温度低于材料的许用温度。苏毅等3分析认为超温和应力不足是气化炉烧嘴烧损失效的直接原因。杨曹立等4对不同结构的水煤浆烧嘴端面传热量进行分析,认为烧嘴端面最高温度均在材料可承受范围内。国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 400 万 t/a煤间接液化项目采用“神宁炉”干煤粉煤气化技术,自2016 年试车以来,随着技术改造和管理优化的不断进行,目前气化炉 A 类运行时间已突破 240 d。一体化点火烧嘴作为“神宁炉”的核心设备之一,迫切需要对其进行技术改造,以适应“神宁炉”长周期运
3、行的需求。本文主要对材质为 UNS N07718 的烧嘴水夹套在煤气化反应室中的水压试验、点火和稳定运行 3 种工况进行应力分析,并综合水夹套换热和失效等因素进行优化设计,现介绍如下。1点火烧嘴水夹套基本参数点火烧嘴水夹套在 3 种工况下载荷对称、结构对称。只考虑内压,考察远离隔板处水夹套的受力,并将力学模型合理简化为二维轴对称模型,得到点火烧嘴水夹套结构示意图,如图 1 所示。点火烧嘴水夹套材料为 UNS N07718,其导热率、热扩散系数、线膨胀系数、弹性模量、常温下泊松比和密度参见 ASME 域 D,常温抗拉强度为 1 410 MPa,其在不摘要点火烧嘴水夹套在煤气化反应室中主要有水压试
4、验、稳定运行工况和点火工况 3 种工况。利用 ANSYS软件对烧嘴水夹套在 3 种工况下的应力进行分析计算。结果表明:水夹套在 3 种工况下的强度均能满足要求;在点火工况下,热冲击对水夹套的影响较小。经优化计算,在材料许用温度允许范围内,水夹套可通过增加 0.5 mm 倒圆厚度来提高其使用寿命。关键词点火烧嘴;水夹套;应力分析;强度;倒圆厚度文章编号:1005-9598(2023)-04-0123-04中图分类号:TQ050.2文献标识码:A收稿日期:2023-03-17基金项目:国家能源集团科技创新项目(GJNY-20-67)第一作者:杨建荣(1982),男,汉族,宁夏灵武人,高级工程师,学
5、士,2004 年本科毕业于中国矿业大学(北京)应用化学专业,现从事煤制油化工技术管理工作,E-mail:。DOI:10.19889/ki.10059598.2023.04.028引用格式:杨建荣,姚强,曾大勇,等.点火烧嘴水夹套应力分析及优化设计J.煤化工,2023,51(4):123-126.第 51 卷第 4 期2023 年 8 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.4Aug.2023图 1点火烧嘴水夹套结构示意图2023 年煤 化 工同温度下的屈服强度见表 1。点火烧嘴水夹套在不同工况下的应力计算方法见表 2。2不同工况下的应力分析2.1水压试验工况使
6、用极限载荷法,求取水夹套能承受的最大内压力。将水夹套力学模型合理简化为二维轴对称模型,在 ANSYS 软件中建立几何模型并导入材料相关数据,设置边界条件,如图 2 所示。UNS N07718 材料的理想弹塑性应力应变曲线见图 3。将材料模型按图 3 数据设置为理想弹塑性材料,并设置静态非线性参数。求解器采用 Von-Mesis判定函数和关联流动法则。内压比例加载至计算结果不能收敛的前一步的载荷,即极限载荷。水夹套在极限载荷状态下的应力应变见图 4。由图 4 可知:水夹套在极限载荷状态时,其端面应力较大,最大应变点位于内侧环腔底部。提取变形最大节点的 Y 方向位移,绘制水夹套结构在最大位移点处的
7、应力应变曲线,如图 5 所示。按照两倍弹性斜率法:tan渍=2tan兹,求得极限载荷为 65.0 MPa。水夹套最大许用载荷计算见式(1):6523=43.3 MPa(1)由式(1)可得:水夹套最大许用载荷为 43.3 MPa,大于水压试验压力 8.5 MPa,说明在常温状态下,水夹套强度具有较大的余量。2.2稳定运行工况在 ANSYS 中建立水夹套几何模型并导入材料数据,设置的热边界条件如图 6 所示,其中:A:水夹套端面辐射传热边界,1 500,该处由于燃料气和氧气混合燃烧,辐射热量很大,辐射换热系数取 1.0;B:水夹套内冷却水与水夹套壁面的对流边界,30,对流换热系表 1UNS N07
8、718 材料在不同温度下的屈服强度温度/2050100150200250300350375屈服强度/MPa10341016989970955945937929925温度/400425450475500525550575屈服强度/MPa922918914909902896888883表 2点火烧嘴水夹套在不同工况下的应力计算方法工况水压试验稳定运行工况点火工况计算方法在常温下进行应力分析,校核能否满足水压试验压力 8.5 MPa 要求在稳态热工况下进行应力分析,校核稳态热耦合内压工况水夹套应力在瞬态热工况下进行应力分析,校核瞬态热耦合内压工况水夹套应力图 2水压试验工况边界条件120010008
9、0060040020000.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30应变/10-7mm图 3UNS N07718 材料的理想弹塑性应力应变曲线(a)应力(b)应变图 4水夹套在极限载荷状态下的应力应变-0.4应变/mm图 5水夹套在最大位移点处的应力应变曲线-0.3-0.2-0.1-0.5荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫荫极限载荷点渍兹1120.9996.39871.85747.31622.78498.24373.71249.17124.640.101220.297510.264450.231400.198340.165280.132230.099170.066110
10、.033060AA单位:MPa单位:mm806040200MaxMax124-第 51 卷第 4 期数 1.8510-3W/(mm2);C、E:水夹套锥面/端面与高温合成气对流传热边界,1 500,对流换热系数 2.510-4W/(mm2);D:水夹套转角处与高温合成气对流传热边界,1500,对流换热系数 1.010-3W/(mm2);F:水夹套边缘处辐射传热边界,1 500,该处只受高温合成气辐射,辐射换热系数取 0.5;G:水夹套边缘处与高温合成气对流传热边界,该处高温合成气流速相对较低,1 500,对流换热系数 1.010-4W/(mm2)。得到的稳态热计算结果如图 7 所示。由图 7
11、可知:水夹套最高温度位于内径外侧,为 592,该部位在运行中经常烧漏。获得水夹套温度场后,进入静力学分析模块,设置水夹套内压力 1.0 MPa(背压 1.0 MPa)和顶端固定约束,计算稳态热耦合内压下的水夹套应力,结果如图 8 所示。由图 8 可知:在稳态热耦合内压工况下,水夹套最大应力为 562.15 MPa,该处温度为 380,该温度下材料的屈服强度为 924.4 MPa。经过该点作应力分类线 path1,提取薄膜+弯曲应力最大值 S芋=493 MPa,许用应力 Smt=924.4/1.5=616.27 MPa(1.5 为材料设计温度下屈服强度的安全系数)。对 path1 应力分类线做应
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