循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒的高溫蠕變失穩(wěn)分析

張曉蕾 劉建新 張海鵬 王江云 魏耀東

（中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院）

符 號(hào) 說 明

A——周向應(yīng)變，A=1；

Do——圓筒外徑，mm；

E——材料的彈性模量，GPa；

Et——圓筒材料在工作溫度下的彈性模量，GPa；

L——圓筒計(jì)算長度，mm；

m——安全系數(shù)；

p——壓差，kPa；

pcr——臨界壓力，MPa；

pi——入口壓力，MPa；

po——出口壓力，MPa；

［p］——許用壓力，MPa；

Tm——材料熔點(diǎn)溫度，℃；

t——工作溫度，℃；

δe——圓筒有效厚度，mm。

旋風(fēng)分離器在循環(huán)流化床反應(yīng)器的運(yùn)行中起著固體粉料分離和回收的作用，是維持顆粒循環(huán)過程的重要設(shè)備，因此旋風(fēng)分離器的性能和工況直接影響到循環(huán)流化床的運(yùn)行［1，2］。中心筒是旋風(fēng)分離器的關(guān)鍵部件之一，也是旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)的重要單元，尤其是中心筒的直徑和長度對(duì)氣固分離效率有著重要影響［2，3］。在循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用中， 中心筒一方面承受著氣固兩相流的沖蝕，另一方面承受著多種載荷，是一個(gè)極易損壞的部件［4～8］。以往這種破壞通常是從機(jī)械強(qiáng)度和材料腐蝕方面進(jìn)行分析，但筆者則著眼于旋風(fēng)分離器內(nèi)部的壓力分布，認(rèn)為中心筒的變形是剛度不足造成的高溫蠕變失穩(wěn)破壞，從而列出一系列防止中心筒失穩(wěn)變形的措施。

1 中心筒的受力分析

旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)及其壓力分布如圖1所示。 旋風(fēng)分離器的中心筒處于旋風(fēng)分離器的中心位置，并插入旋風(fēng)分離器內(nèi)一定深度，與外殼體形成一個(gè)環(huán)形空間。 中心筒的上端固定在旋風(fēng)分離器的頂板上，下端是自由端，也是凈化氣體的流出口。 氣固兩相流進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，在由外殼體和中心筒所組成的環(huán)形空間的器壁約束下形成旋轉(zhuǎn)流。 這個(gè)旋轉(zhuǎn)流圍繞著中心筒旋轉(zhuǎn)向下進(jìn)入分離空間，形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)流。 氣固兩相流中的顆粒在旋轉(zhuǎn)流的離心力和重力的作用下被分離出來， 凈化的氣體則折返向上從中心筒排出。

中心筒除了承受自身的重力載荷外，圓筒內(nèi)外表面還承受著不均勻的壓力載荷。 在旋風(fēng)分離器運(yùn)行過程中，中心筒的外表面壓力接近于入口壓力，中心筒的內(nèi)表面壓力是出口壓力，即中心筒內(nèi)外表面的壓差近似等于旋風(fēng)分離器的壓降，因此中心筒的受力模型是一個(gè)承受外壓載荷的圓筒。

圖1 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)及其壓力分布

2 中心筒的蠕變變形分析

2.1 破壞形式

旋風(fēng)分離器中心筒有時(shí)會(huì)發(fā)生比較大的塑性變形破壞［6～8］，具體如圖2a所示。 中心筒發(fā)生變形后， 環(huán)形空間和分離空間的旋轉(zhuǎn)流會(huì)受到影響，導(dǎo)致旋風(fēng)分離器的分離效率下降，壓降增高；此外，由于氣流圍繞著中心筒旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。 因此，此時(shí)沿圓周方向的壓力分布是不均勻的。 這種不均勻壓力一方面誘導(dǎo)中心筒發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，另一方面形成對(duì)中心筒的彎矩，在熱應(yīng)力和自重的共同作用下，會(huì)造成中心筒的脫落、開裂（圖2b［9］）以及中心筒進(jìn)口迎風(fēng)側(cè)氣固兩相流的沖蝕磨損（圖2c［10］）。

圖2 旋風(fēng)分離器中心筒的破壞形式

通常，受外壓的圓筒在筒壁內(nèi)會(huì)產(chǎn)生環(huán)向壓縮應(yīng)力。 基于機(jī)械強(qiáng)度的觀點(diǎn)，如果壓縮應(yīng)力大于材料的屈服極限， 將引起圓筒的屈服變形，然而這種情況在薄壁圓筒中是較少發(fā)生的，因?yàn)楫?dāng)外壓圓筒筒壁內(nèi)的壓縮應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服極限時(shí)，筒壁會(huì)突然被壓癟，圓筒的圓形橫截面在一瞬間變成了曲波形。 這說明在外壓作用下的圓筒剛度不足，當(dāng)外壓增大到某一數(shù)值時(shí)，圓筒將不再在圓形狀態(tài)下維持穩(wěn)定的平衡，而是發(fā)生失穩(wěn)變形破壞。 但是，循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒的變形不是瞬間發(fā)生的，而是長時(shí)間逐漸積累發(fā)展的，即在高溫條件下發(fā)生了緩慢的蠕變變形，也就是說，金屬材料在應(yīng)力作用下的高溫蠕變導(dǎo)致了中心筒的變形。 由于這種蠕變變形是由外壓力形成的內(nèi)部彎曲應(yīng)力造成的，因此變形具有外壓圓筒失穩(wěn)破壞的特點(diǎn)，是一個(gè)多波形的變形。 故中心筒的塑性變形破壞是一個(gè)外壓圓筒蠕變失穩(wěn)問題。

2.2 外壓穩(wěn)定性計(jì)算分析

根據(jù)外壓圓筒失穩(wěn)波數(shù)是否大于2， 可以將圓筒分為長圓筒和短圓筒。 長圓筒失穩(wěn)不受圓筒兩端支撐的影響，在彈性失效時(shí)形成的變形波數(shù)為2。 短圓筒的長度相對(duì)較短，兩端的支撐件對(duì)圓筒有約束作用，臨界壓力與圓筒有效厚度、外徑和計(jì)算長度有關(guān)，失穩(wěn)時(shí)形成的波數(shù)大于2。 中心筒的蠕變失穩(wěn)既有長圓筒的特點(diǎn)，也有短圓筒的特點(diǎn)。 外壓薄壁圓筒厚度的工程計(jì)算方法有解析法和圖算法。

解析法是先假定圓筒厚度，再根據(jù)理論或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行反復(fù)試算，直至圓筒厚度對(duì)應(yīng)的許用壓力［p］大于設(shè)計(jì)壓力為止。 解析法外壓圓筒彈性失穩(wěn)的臨界壓力pcr計(jì)算式為：

表1所列的是依據(jù)解析法計(jì)算的4臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒改造前的臨界壓力pcr，其中溫度815℃，彈性模量125GPa。

表1 解析法計(jì)算旋風(fēng)分離器中心筒臨界壓力pcr

圖算法是根據(jù)圓筒的形狀系數(shù)與失穩(wěn)時(shí)周向應(yīng)變A的關(guān)系做出幾何參數(shù)計(jì)算圖， 再根據(jù)材料不同溫度下應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系引入安全系數(shù)m，得到B-A曲線，最后計(jì)算許用壓力［p］。 該方法先假定厚度，然后將計(jì)算的許用壓力與設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行對(duì)比。 GB 150—2011《壓力容器》和ASME Ⅷ-1《鍋爐及壓力容器規(guī)范》均推薦圖算法作為外壓容器設(shè)計(jì)的主要方法［11］。

2.3 蠕變失穩(wěn)討論

中心筒的受力模型不同于一般外壓圓筒的模型，依據(jù)兩端支撐方法上端可以簡化為固支或簡支，下端則是自由端。 在壓力分布方面，中心筒在環(huán)向的壓力分布是不均勻的，背風(fēng)側(cè)的壓力大于迎風(fēng)側(cè)的， 在軸向的壓力分布上端大于下端。一般循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器壓降約為1.5～2.0kPa，可以取中心筒內(nèi)外壓差p=2.0kPa。 表1計(jì)算結(jié)果表明，無論是按照長圓筒還是短圓筒計(jì)算的中心筒臨界壓力pcr均大于中心筒的內(nèi)外壓差。若取外壓圓筒的安全系數(shù)m=3，則許用壓力［p］也大于中心筒的內(nèi)外壓差，也不會(huì)發(fā)生中心筒瞬間被壓癟失穩(wěn)的現(xiàn)象。 可見，外壓圓筒失穩(wěn)計(jì)算方法是不適用的。

實(shí)際上， 中心筒工作在800℃以上的高溫狀態(tài)，在蠕變應(yīng)力的作用下，材料在長時(shí)間的高溫環(huán)境下極易發(fā)生蠕變變形，尤其當(dāng)材料的工作溫度高于0.3Tm時(shí)，蠕變現(xiàn)象逐漸明顯［12，13］。 中心筒在外壓作用下內(nèi)部會(huì)形成彎曲應(yīng)力，且該彎曲應(yīng)力不足以導(dǎo)致中心筒外壓失穩(wěn)，但形成的蠕變應(yīng)力在長時(shí)間的作用下會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生蠕變變形，逐漸失去原有的圓筒形。 所以，中心筒的變形是在這種蠕變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的蠕變失穩(wěn)，這種蠕變失穩(wěn)具有外壓圓筒失穩(wěn)變形的特點(diǎn)，或是長圓筒下口變成橢圓形， 或是短圓筒下口變成多波形，均是長時(shí)間緩慢形成的。 因此，設(shè)計(jì)中心筒時(shí)應(yīng)考慮控制其內(nèi)部的彎曲應(yīng)力值，降低蠕變變形量，防止發(fā)生蠕變失穩(wěn)的現(xiàn)象。

針對(duì)中心筒蠕變變形問題， 表1中列出了相應(yīng)的改造措施，包括增加中心筒的有效厚度δe、降低長徑比L/Do， 或者是設(shè)置加強(qiáng)圈以降低計(jì)算長度L，這些措施均可有效提高中心筒的剛度，降低蠕變應(yīng)力和蠕變變形，避免發(fā)生蠕變失穩(wěn)變形破壞。 通常外壓圓筒的失穩(wěn)與材料的強(qiáng)度無關(guān)，而與材料的彈性模量有關(guān)，而不同金屬材料的彈性模量E變化不大， 因此中心筒的技術(shù)升級(jí)改造可以無需進(jìn)行材料升級(jí)。

3 結(jié)束語

受力分析表明，旋風(fēng)分離器的中心筒是承受外壓載荷的圓筒。 循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒的變形是在高溫條件下發(fā)生的蠕變變形，這種變形具有外壓圓筒失穩(wěn)變形的特點(diǎn)。 因此，基于一般外壓圓筒的失穩(wěn)機(jī)理，中心筒的變形是由于圓筒剛度不足，在外壓作用下內(nèi)部的彎曲應(yīng)力較大，從而造成了蠕變失穩(wěn)變形破壞。 通過增加中心筒的有效厚度、降低長徑比，或者是設(shè)置加強(qiáng)圈均可有效提高中心筒的剛度，避免發(fā)生蠕變失穩(wěn)變形破壞。