煤化工項目排渣系統管道的應力分析

付雷(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

排渣系統為氣化裝置的一個重要組成部分，其運行情況關系整個氣化裝置的安全穩定運行[1]，是確保氣化爐正常運行的重要環節[2]，主要有氣化爐、破渣機、上鎖閘閥、中鎖渣閥、鎖斗、下鎖渣閥、渣池等組成。其鎖斗是一個定期收集和排放固體渣的水封體系，主要作用是將沉降在氣化爐激冷室底部的渣水及少量未燃燒的炭冷卻，通過破渣機粉碎處理后經鎖斗的排渣管線排入渣池。

排渣系統由一套邏輯聯鎖系統自動控制，每個循環周期約為30min。其中集渣的時間為28min[1]，大致分為泄壓、清洗、排渣、沖壓、收渣五個階段，可以根據具體情況進行設定[3]，排渣時間約為2min。在生產中，由于排渣系統周期性的工作，使鎖斗及破渣機管口承受交變荷載，極易造成管口疲勞破壞。因此，對排渣系統進行應力分析極為重要。

1 排渣系統流程

在集渣階段，沉降在氣化爐激冷室底部的渣水及少量未燃燒的炭，經破渣機粉碎處理后，通過上鎖渣閥、中鎖渣閥進入鎖斗后沉淀在鎖斗底部。正常運行時上鎖渣閥一直處于常開狀態，僅當由激冷室液位低低引起的氣化爐停車時，上鎖渣閥才關閉。鎖斗循環泵從鎖斗頂部抽取相對潔凈的黑水加壓后循環回激冷室底部以幫助排渣。

渣水通過這種方式設定的時間內收集在鎖斗內，約28min后開始排渣。首先是鎖斗循環泵循環管線上的循環閥打開，鎖斗循環泵入口閥、出口閥關閉，鎖斗泵自身打小循環。鎖斗在排渣時，關閉中鎖渣閥，鎖斗與激冷室隔開。打開泄壓閥使鎖斗泄壓，排出的渣水進入渣池，泄壓后的鎖斗壓力不得大于0.28MPa，然后打開清洗閥，對泄壓管線進行清洗，之后關閉清洗閥和泄壓閥，待沖洗水閥打開后，下鎖渣閥打開，渣水排入渣池。排渣結束后，下鎖渣閥關閉，待鎖斗內充滿水后關閉沖洗水閥，再打開沖壓閥用高壓灰水給鎖斗沖壓，當壓力上升到與激冷室的壓差小于0.15MPa時，打開中鎖渣閥，關閉沖壓閥，打開鎖斗循環泵進出口管線上的入口閥和出口閥，關閉循環閥，建立排渣系統的大循環，鎖斗進入下一個集渣循環。

2 基于CAESAR II軟件對排渣系統主管道進行應力分析

本文以國內某煤化工項目氣化裝置內的排渣系統管道布置為例，采用CAESAR II軟件建立排渣系統模型并進行應力分析，通過多次修改彈簧荷載變化率，優化調整支撐在鎖斗耳軸上的彈簧的工作荷載，優選最佳彈簧剛度及安裝高度，使排渣系統管道模型滿足一、二次應力要求，鎖斗管口及破渣機管口承受的力及力矩等荷載滿足制造廠要求，便于鎖斗的安裝和檢修，保證排渣系統正常開車，平穩運行。

2.1 基本參數

沉降在氣化爐激冷室底部的渣水操作溫度為147.6℃，設計壓力7.2MPa，水壓試驗壓力11.56MPa，連接破渣機與鎖斗的管道直徑16″，管道材料為20G。鎖斗操作溫度為45～147.6℃，設計壓力7.4MPa，水壓試驗壓力11.1MPa，設備材料為Q345R，鎖斗凈重55t，最大操作重量80t。鎖斗至渣池連接管道直徑14″，操作溫度為75℃，設計壓力為0.2MPa，水壓試驗壓力為0.3MPa，管道材料為20#。上、中、下鎖渣閥的重量分別為4356kg、4356kg、2773kg。

氣化爐、破渣機、鎖渣閥、鎖斗、渣池分布在同一條鉛垂線上，方便氣化爐激冷室內的渣水及未燃燒的炭向渣池方向排放。三套排渣系統為兩開一備工況，為了提高渣池的利用效率和檢修方便，鎖斗下方排出口通過一條水平連通管道將三套排渣系統連接起來。

2.2 基于CAESAR II軟件排渣系統管道的應力分析

氣化爐的耳軸采用地腳螺栓固定在氣化爐框架平臺上，破渣機與氣化爐激冷室直連，破渣機與鎖斗之間采用一段直管將上、下鎖渣閥連接在一起。按照鎖斗裝配圖上具體尺寸將鎖斗模擬成充滿渣水介質的管道，將上、中、下鎖渣閥模擬成帶重量的剛性件。由于材料的熱脹冷縮作用，鎖斗上的耳軸只能采用彈簧支撐，鎖斗下方的卸渣管直接插入渣池內。連接三個鎖斗卸渣管的水平連通管道采用四個彈簧支撐。

由于排渣系統設備及閥門等配件重量較大，分配到支撐鎖斗耳軸的彈簧荷載超過NB/T 47039—2013標準單個彈簧最大荷載，因此每個耳軸上設置為兩個彈簧組合而成的彈簧箱。鎖斗耳軸底面到生根點的距離為1.7m，因此所選用彈簧安裝高度應能滿足此空間要求。

2.2.1 方案一及應力分析

按照CAESAR II軟件默認的可變彈簧允許荷載變化率(≤25%)[4]，計算分析排渣系統鎖斗管口及破渣機管口受力結果見表1所示，對應鎖斗耳軸上彈簧荷載見表2所示。

對比表1鎖斗管口與破渣機管口受力，破渣機管口軸向受力超鎖斗管口軸向受力110000N，將設備管口受力提交設備專業核驗，不能滿足設備管口受力要求。

2.2.2 方案二及應力分析

調整鎖斗耳軸彈簧的工作荷載，使破渣機管口與鎖斗管口軸向受力相當。調整后的排渣系統鎖斗管口及破渣機管口受力結果見表3所示，對應鎖斗耳軸上彈簧荷載見表4所示。

對比表1與表3數值，設備管口承受的力及力矩受力除軸向受力外變化不大，通過調整彈簧工作荷載，減少鎖斗管口與破渣機管口軸向受力差值到最小，調整后中間排渣系統的設備管口軸向受力最大(181984N)，經設備專業核驗，仍不能滿足設備管口受力要求。

2.2.3 方案三及應力分析

通過優化調整彈簧允許荷載變化率及鎖斗耳軸彈簧的工作荷載，使破渣機管口與鎖斗管口軸向受力相當且滿足設備管口受力要求、彈簧安裝空間要求。優化調整后彈簧允許荷載變化率為≤15%，排渣系統鎖斗管口及破渣機管口受力結果見表5所示，對應鎖斗耳軸上彈簧荷載見表6所示。

表1 鎖斗管口及破渣機管口受力

表3 鎖斗管口及破渣機管口受力

表4 彈簧荷載表

表5 鎖斗管口及破渣機管口受力

表6 彈簧荷載表

3 結語

排渣系統的合理布置對于裝置的安全運行起著至關重要的作用，管道應力分析是保證管道安全運行的一種重要方法。本文以國內某煤化工項目氣化裝置內的排渣系統為例，根據排渣系統的布置特點及鎖斗耳軸與生根點的安裝空間，采用CAESAR II軟件進行應力分析，通過調整彈簧荷載變化率及彈簧工作荷載，使之滿足應力、設備安全運行要求，得到了較為優化的配管設計。