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压力容器设计技术进展
第七届全国压力容器设计学术交流会议交流论文选登(
煤气发生炉失稳分析
沈建民,王小华,牛亚平,陈虎
(宁波市特种设备检验研究院,浙江宁波315020)
摘要:采用有限元对1台发生失稳破坏的煤气发生炉进行了外压失稳分析,并讨论了边界条件、初
始几何缺陷、材料非线性对圆柱壳外压失稳临界压力的影响。为预防此类事故,应在设计、维护上
采取措施,预防失稳的发生。
关键词:失稳分析;边界条件;初始几何缺陷
中图分类号:TK434.6;TQ050.2文献标识码:B文章编号:1001-4837(2011)101-0047-04
doi:10.3969/j.issn.1(01-4837.2011.01.010
Buckling Analysis of Gas Generator
SEEN Jian-min, WANG Xiao-hua, NIIU Ya-ping, CHEN Ht
Ningbo Institute of Special Equipment Inspection, Ningbo 315020, China
Abstract Buckling analysis of one gas generator in different temperature was conducted. The affect of
boundary condition, initial defect, material nonlinearity in critical pressure was discussed. Some preven
tion measures in design and maintenance were advanced
Key words: buckling analysis; boundary condition; initial defect
临界压力的影响。从预防失稳角度出发,对煤气
0引言
发生炉设计时应采取的方法措施进行了讨论。
外压容器在外压突然增大或过热等因素造成
事故炉基本情况
材料软化时,可能引起容器的突然失稳破坏,造成
事故。尤其是煤气发生炉,水夹套缺水时间较长
该煤气发生炉夹套设计压力0.32MPa,最高
时,煤气发生炉炉体和水夹套已经被烘烤到500工作压力0.29MPa,设计温度300℃。其内、外
℃甚至更高温度,这时如向水夹套内注水,水会在筒材料均为Q245R,内筒壁厚18mm,外筒壁厚
瞬间气化为水蒸气,压力迅速増大,往往超过安全12mm,内、外筒内径分别为2000和2400mm,
阀的泄放能力,随着压力的增大可造成煤气发生总高4200m,其中夹套高度3500mm
炉内筒失稳或夹套超压爆破事故。文中针对
图1示出该煤气发生炉失稳现场照片,夹套
一起煤气发生炉内筒失稳事故,采用 ADINA有限与内筒焊缝有约1/2圈被拉开,焊缝拉开侧内筒
元分析软件进行了临界压力计算,并采用数值试向内严重凹陷,焊鏠未被拉开侧内筒凹陷程度稍
验讨论了边界条件、初始几何缺陷、材料非线性对低,但仍有较明显四陷变形。从内筒破坏形貌看,
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CPVT
煤气发生炉失稳分析
Voi28. Nol 201I
属典型的失稳破坏。事故现场进行厚度测量,内壳体厚度18mm。圆柱壳底部约束3个方向的位
筒为17.7~18.1m,外筒为11.3~11.4m,基移,顶部约束圆周平面内的位移,在壳体外部施加
本均匀,未见明显减薄。
压力,逐步提高压力,每步增加0.1MPa的外压
最高外压施加到10MPa。泊松比以=0.3,计算时
首先假定材料为弹性。采用弧长法,当不收敛时
打开白动子步功能,考虑儿何大変形问题,采用更
新的拉格朗日坐标系。计算临界压力时需要施加
初始几何缺陷,这里采用修改节点坐标的方法,使
圆柱壳中间1号节点径向坐标偏移2m。
B
1内筒压扁失稳现场
2外压失稳分析计算
B
按GB150反算失稳压
按GB150-1998《钢制压力容器》2计算外
图2圆柱壳有限元模型
压圆筒的临界压力,其有效长度1=3500mm,厚
图3示出E=1.86×10°MPa(相当于260
度t=18mn,内筒外径D。=2036mm,L/D
℃)时该圆柱売在不同压力下的变形,在
tme
1.72,D0/t=113.11,査GB150-198得系数A=
0.27相当于承受2.7MPa外压下,其变形量非常
0.006,Q245R屈服强度大于208MPa,根据设计
小,当time=0.28相当于承受2.8MPa外压时
温度300℃、A值査GB150-1998得B=75
圆柱壳突然出现大尺度変形。图4示出2.8MPa
MPa,则临界压力p=B.=0.66MPa。实际外压下的罐体变形云图,可看出此时売体最大变
该方法主要用于设计,有较大的安全余量,实际失形位移为0.212m,此时失稳,即圆柱壳在260
稳时施加的静态外压力要大于按GB150计算的
℃时临界压力为2.8MPa。
失稳压力。
2.2有限元估算失稳外压
tjme(27
time 0.28
time L. 00
为更准确地计算该结构失稳的临界压力,采
用有限元进行外压圆柱壳的稳定性分析。
GB150中对于屈服强度大于208MPa的材料,对
应温度为260℃时其弹性模量E=1.86x10
MP2a,480℃时弹性模量E=1.43×10°MPa;煤气
发生炉内筒设计压力300℃与260℃较接近,煤
气发生炉操作手册上标明在煤气出口温度达到
450℃时应立即停炉排除故障,该温度与480℃
图3E=1.86×10°MPa圆柱壳的变形
较接近。因此直接采用260,480℃这两个温度下
当E=1.43×10MPa(相当于480℃)时其
CB150中给出的杨氏弹性模量,计算这两个典型临界压力会降低,图5示出此时的临界压力为2.2
温度下的临界压力。
MPa。这表明随着温度升高,内筒的临界压力会
图2示出有限元网格及边界约束示意图,圆下降。
柱壳长度3500mm,内直径02000m,代表承受
图3,5中给出了外压为10MPa时圆柱売的
外压的内筒。采用四节点壳单元进行分析计算,变形,实际破坏不可能这样,因为在产生失稳后,
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