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    高溫設備及管道應力分析

    2019-04-12   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港內部報道:鋰離子電池電解液基本上是有機碳酸酯類物質,是一類易燃物。常用電解質鹽六氟磷酸鋰存在熱分解放熱反應。因此提高電解液的安全性對動力鋰離子電池的安全性控制至關重要。但目前商品化的安全性電解液還處于試驗階段,其電化學性能和安全性均不能完全滿足要求。
      
      鈦酸鋰是安全性很好的電池負極材料,但是其電池比能量低限制其被廣泛使用。碳負極材料依然是目前最廣泛使用的鋰離子電池負極材料。解決碳負極材料安全性的方法主要是降低材料的比表面積,和提高SEI膜的熱穩定性,后者通過電解液添加劑來實現。
      
      正極材料對電池安全性的影響是至關重要的,主要是正極材料存在析氧反應放熱,與電解液發生氧化還原反應放熱等等。橄欖石結構磷酸鐵鋰材料基本上不析氧,尖晶石錳酸鋰材料有少許析氧,層狀三元氧化物材料在300°C以上有大量的氧析出,而層狀鎳鈷鋁氧化物材料析氧最大,且析氧起始溫度很低。因此,磷酸鐵鋰材料的安全性最好,層狀鎳鈷鋁氧化物材料的安全性最差。但是,電池比能量是相反的,磷酸鐵鋰材料電池的比能量最低,一般是100120Wh/kg,層狀鎳鈷鋁氧化物材料電池的比能量一般是160200Wh/kg.因此,在選用正極材料時,要充分考慮電池的比能量和安全性。
      
      考慮管道在內壓、自重、溫度、地震、風載等載荷作用下管道的受力情況,并通過載荷工況的組合作用,得出各個工況下管道的應力分布,確定各彈簧支座的型號,計算管道對設備管口的管道載荷。
      
      某公司多段分級轉化流化床煤氣化中試裝置核心設備為氣化爐、三級旋風分離器、廢熱鍋爐及附屬管道見。入爐煤從氣化爐下部和上部分別進入,在高溫1000~1 100t!下,與氣化劑進行反應,生成灰渣團聚物和粗煤氣。灰渣團聚物經渣鎖排出氣化爐,粗煤氣進入三級旋風分離器,所夾帶的細粉被捕集后經料腿和返料閥門返回氣化爐進一步氣化。高溫煤氣經過除塵后,再進入廢熱鍋爐進行廢熱回收。
      
      整體應力分析的目的由于該多段分級轉化流化床煤氣化中試裝置是在原加壓灰熔聚流化床粉煤氣化中試平臺的基礎上進行改造,受原平臺空間限制,設備和管道布置緊湊,利用CAESAR管道應力分析軟件對中試裝置核心部分進行整體建模,可分析計算其在內壓和各種載荷作用下的應力分布情況;分析比較管系在各種布置方案下的應力水平,為選擇最佳方案提供依據;計算管道對各設備管口的管道載荷,為設備設計提供外載;計算彈簧支吊架的載荷和位移,確定彈簧支吊架型號。
      
      2三種方案的比較分析由于各設備布置緊湊,如何配管使管道既能滿足工藝要求,又能使管道在各種工況下滿足應力強度條件是最困難的問題,為此配管工程師提出了三重集團大連設計研究院有限公司助理工程師,遼寧大連116600重集團大連設計研究院有限公司高級工程師,遼寧大連116600 1一第三旋風分離器;2―管道三;3―管道二;4一管道i;5―第―旋風分離器;6―一旋支座;7―一料腿返回管道;8―三旋支座;9一第二旋風分離器;10―二旋支座;11一二料腿返回管道;12―氣化爐固定支座;13―管道四;14一廢熱鍋爐;15―固定支座。
      
      氣化爐、旋風分離器、廢鍋鍋爐及附屬管道整體結構示意圖種配管方案。
      
      2.1方案:固定支座加膨脹節氣化爐和三個旋風分離器都由固定支座支撐在鋼結構框架上,在三級旋風分離器到廢熱鍋爐的長管道上加膨脹節,以吸收由熱脹引起的變形量,從而降低管道應力。
      
      該方案的優點是結構簡單,安裝方便。但因膨脹節每隔一段時間就必須更換,所以不利于維護,且由于管道內壁需敷設耐火及保溫層材料,膨脹節在管系的變形協調中會受拉壓作用而發生彎曲,導致內壁的耐火材料被破壞,高溫介質將直接與金屬管道接觸,致使管道許用應力降低,最終破壞管道。
      
      2.2方案二:固定支座加n形彎管氣化爐和三個旋風分離器固支在鋼結構框架上,在第三旋風分離器到廢熱鍋爐的長管道中加入n形彎管,用彎管來吸收熱脹引起的變形量,降低管道應力。
      
      該方案同樣結構簡單,安裝方便,但由于受原框架空間限制,n形彎管將超出框架并和框架橫梁干涉,因此該方案雖然能滿足工藝和應力強度條件,但卻無法在中試裝置中實現。
      
      2.3方案三:旋風分離器用彈簧支座在該方案中氣化爐和廢熱鍋爐用固定支座支撐在鋼結構框架上,三個旋風分離器改用彈簧支座支撐,用彈簧支座的變形來吸收熱脹量,降低管道應力見。
      
      1一第三旋風分離器;2―彈簧支座;3―三旋至廢鍋管道;4一廢熱鍋爐;5―固定支座。
      
      方案三:旋風分離器改用彈簧支座結構示意圖該方案雖然結構上較前兩個方案復雜,但占用空間小,可以安裝在原框架結構上,經過計算后管道應力又能滿足應力強度條件,因此該方案切實可行,某公司開發的多段分級轉化流化床煤氣化中試裝置正是采用了該種方案。
      
      應力分析計算3.1管道載荷的確立1計算壓力及計算溫度氣化爐的操作壓力為3.0MPa,氣化爐內部的操作溫度約為1200丈,但因設備和管道內壁都敷設有耐火材料,所以管線的計算壓力為3.0MPa,計算溫度為150丈。
      
      中國鋼管信息港內部報道:在CAESAR中用考慮了保溫層和風向角的管道的暴露面積乘以等效風壓和管道的形狀系數來得到風載荷,用戶一般可以用三種方法來計算等效風壓。第一種用ASCE7-2005規范進行計算,第二種用風壓和高度關系表進行計算,第三種用風速和高度關系表進行計算。單元上總的風力計算公式:在本項目中由于試驗基地的風壓隨高度的變化關系已經測得見,故使用第二種方法計算風壓和單元所受的風力,風形系數取0.6.某基地風壓隨高度變化關系表CAESAR軟件對地震載荷可采用靜態計算和動態計算兩種分析方法,施加靜態地震載荷的方法與風載荷類似,地震載荷的大小與單元重量成正比。本項目采用靜態計算方法,地震加速度取0.2g. 3.2載荷組合工況及計算在CAESAR中利用工況代數組合可以將基本載荷工況進行組合,形成各種組合工況。
      
      正常載荷工況應考慮自重W、位移、溫度T、壓力P和彈簧附加力H等載荷分量,并由這些載荷分量組合出彈簧工況HgR,操作工況(OPE、持續工況SuS,并根據操作工況和持續工況組合出膨脹工況Exp.偶然載荷包括風載荷和地震載荷,按照ASMEB31.3的規定,風載荷和地震載荷不考慮疊加,分別與正常運行載荷單獨組合。
      
      風載荷工況除了自重碟、位移D、溫度T、壓力P、彈簧附加力0等載荷分量外,還包括風載分量,本項目中風載方向由風玫瑰圖中比例最高的方向確定。
      
      中國鋼管信息港內部報道:地震載荷工況除了自重碟、位移D、溫度T、壓力P、彈簧附加力0等載荷分量外,還包括X、Y、Z三向地震分量。
      
      提供的基本工況為持續工況SuS、操作工況OpE、熱脹工況Exp和偶然工況(OC0,用戶可利用這些基本工況組合出所需的各種工況,以校核次應力和二次應力,計算管道上各約束在不同工況下的受力和位移等,具有極高的靈活性,為用戶提供了很大的方便。
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