水冷夾套器壁過熱損傷的失效分析

(天津大學 化工學院，天津 300350)

0 引言

夾套常常作為反應(yīng)釜、煅燒爐或者換熱器的關(guān)鍵元件與主設(shè)備共同構(gòu)成多腔容器[1]，被廣泛應(yīng)用在各類壓力容器中，用來對設(shè)備或者物料進行冷卻或加熱[2-4]。夾套內(nèi)一般通冷卻、加熱介質(zhì)，如水或者工藝需求的工作介質(zhì)，為主設(shè)備的反應(yīng)、混合、冷卻等過程提供合適的溫度。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，夾套可以分為筒狀夾套、帶狀夾套和環(huán)形夾套；根據(jù)功能，夾套可以分為加熱夾套、冷卻夾套；根據(jù)安裝位置，夾套又可以分為外壁換熱夾套和內(nèi)壁換熱夾套。為使夾套能提供合適的換熱效率，夾套內(nèi)的冷卻水應(yīng)具有較高的流速，這就要求給冷卻水進口提供一定的壓力。

由于壓力與較大的溫度梯度的作用，在某些操作不當時夾套會出現(xiàn)失效，影響設(shè)備的安全運行。夾套最常發(fā)生的失效形式有裂紋[5-6]、熔融、高溫蠕變和腐蝕等[7-9]。其中,裂紋是夾套最頻繁、也是最嚴重的失效形式之一，裂紋本身所帶來的泄漏問題輕則會致使介質(zhì)流體外泄，重則能造成所在生產(chǎn)區(qū)域發(fā)生劇烈爆炸。如氣化爐中的夾套一旦泄漏，所產(chǎn)生的一氧化碳在高溫下會產(chǎn)生嚴重的爆炸事故；而高溫蠕變和腐蝕又會造成設(shè)備出現(xiàn)強度不足，從而出現(xiàn)裂紋。另外，由于夾套內(nèi)外的高梯度溫度無法避免，因操作不當發(fā)生的器壁熔融問題也時有發(fā)生。

某廠電煅爐采用水冷夾套對高溫石油焦物料進行冷卻換熱，高溫煅燒的目的是將碳制原材料通過高溫加熱進行石墨化，以增加碳制材料的導電性，最終轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的碳素材料。該電煅爐在運行過程中，夾套外壁面出現(xiàn)了燒透、熔融的現(xiàn)象，并導致爐體破裂、物料噴飛，如圖1所示。

(a)外壁熔瘤

(b)環(huán)向燒透

從破壞部位可見器壁表面分布大量球形熔瘤，為典型的金屬表面局部融化遇冷凝固形成；器壁表面有大面積熔液流動跡象，為典型的金屬表面較大面積融化所致；裂縫為環(huán)向非平齊破口，處于高溫物料最先接觸的器壁位置，破口向下有大面積片狀熔瘤。此次失效初步分析認為是因為冷卻水進水壓力不足，不滿足換熱要求，導致了金屬器壁局部溫度過高，并且器壁在熱應(yīng)力作用下膨脹減薄，最終在高溫物料摩擦下發(fā)生了熔融。為確定失效原因，本文對該水冷夾套進行數(shù)值模擬分析，研究在失效工況下，冷卻水夾套內(nèi)充水分布以及器壁受熱狀態(tài)，并對設(shè)計條件下冷卻水夾套的器壁溫度分布進行分析，提出最小供水壓力，以保障夾套設(shè)備的安全運行。

1 爐體水冷夾套冷卻系統(tǒng)

爐體水冷夾套冷卻系統(tǒng)由筒體、水冷夾套、耐溫層等構(gòu)成。其中冷卻水夾套由Q345制造，內(nèi)部通冷卻水，外部為高溫物料；高溫物料由上而下堆積流動，與夾套外壁緊密摩擦接觸；冷卻水通過夾套間壁實現(xiàn)對高溫物料的冷卻，如圖2所示。水冷夾套由均布的3個進出口構(gòu)成，并且夾套內(nèi)部空間也呈軸對稱。

圖2 水冷夾套冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

電煅工藝過程高溫石油焦物料從上進料，在重力作用下，緩緩向下流動，進入內(nèi)外電極板之間，充當電阻，將流過的電流轉(zhuǎn)化為熱能，使爐體內(nèi)部形成高溫煅燒區(qū)。如圖2所示，夾套僅僅存在物料流動的下半部分，上半部分是高溫加熱區(qū)，用以完成對石油焦物料的高溫煅燒；下半部分是冷卻區(qū)，用以冷卻煅燒后的物料，使物料流出時溫度滿足要求。

2 模擬模型建立

2.1 幾何模型建立與離散

(a)高溫物料流域離散

(b)夾套內(nèi)區(qū)域離散

(c)夾套固壁離散

爐體水冷夾套系統(tǒng)涉及到冷卻水和高溫物料的間壁換熱，因此建立的幾何模型包含3個部分，分別是夾套內(nèi)冷卻水、高溫物料和夾套固壁。其中，高溫物料區(qū)域是取爐體頂部以下、出料口以上，以及保溫層圍成的部分?？紤]到結(jié)構(gòu)的環(huán)向周期性，選取總體結(jié)構(gòu)的1/3建模。

對應(yīng)于幾何模型，也需要劃分為3個計算區(qū)域以進行流固熱耦合計算。由于在靠近換熱壁面處，夾套壁網(wǎng)格尺寸較小，為保證傳熱計算精度，在模型離散時需要做網(wǎng)格漸變處理，以保證從壁面向外的網(wǎng)格尺寸不出現(xiàn)大幅跨越，故選擇非規(guī)則的六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分見圖3，離散網(wǎng)格節(jié)點數(shù)924 958，單元數(shù)884 100。網(wǎng)格質(zhì)量采取偏斜率表示，平均偏差率0.138，標準差0.110 8。

2.2 物料參數(shù)

在熱場分析中，物料的自身溫度很高，且因與夾套外壁劇烈摩擦而流動緩慢，因此，忽略流動過程中由于自身黏性阻力引起的熱量。此外，高溫物料是粒徑為2 mm左右的顆粒，為非標準物質(zhì)，因此在計算過程中需要定義高溫物料特性參數(shù)：物料密度720 kg/m3，比熱2 000 J·kg/K，熱導率6 W/(m·K)，黏度1 Pa/s。

2.3 邊界條件

邊界條件部分取自設(shè)計工藝參數(shù)，部分基于以下假設(shè):

(1)在傳熱計算中，不考慮熱輻射對溫度降低的影響;

(2)內(nèi)側(cè)為封閉空間，因此假設(shè)物料內(nèi)部側(cè)面為絕熱壁面。

爐體頂部為溫度核心區(qū)，溫度高達2 800 ℃，截取核心區(qū)以下為計算域時，設(shè)置內(nèi)側(cè)物料入口溫度為核心區(qū)溫度，可以保證爐體任意界面的熱通量與實際一致，從而保證冷卻夾套的熱邊界符合實際。分別計算失效工況和設(shè)計工況，這兩種工況對應(yīng)操作參數(shù)如表1所示。

表1 操作參數(shù)

2.4 模型設(shè)定

為計算夾套器壁的溫度場，需要對熱物料-冷卻水以及器壁進行熱耦合分析。換熱部分計算采用VOF模型，考慮空氣-水兩相同時存在，湍流模型采取典型k-ε模型，瞬態(tài)求解算法。時間步長設(shè)定為0.001和0.01，收斂標準為0.001，采用穩(wěn)態(tài)計算傳熱過程。由于高溫物料為密堆細小顆?；旌衔?，反應(yīng)時會進行極其緩慢的流動，流動過程屬于顆粒流，但顆粒流模擬計算過程復雜，在處理顆粒運動行為時存在大量的半經(jīng)驗公式，使得模擬結(jié)果偏差較大。當顆粒流動如布朗運動、顆粒彈性碰撞、顆粒變形等的顆粒特性表現(xiàn)不明顯時，特別是顆粒運動速度偏低、顆粒間相對位置固定時，可將其簡化為具備相同密度、熱容和導熱的流體進行計算。

3 結(jié)果分析

3.1 水冷夾套內(nèi)充水狀態(tài)

為了直觀地展現(xiàn)夾套的填充狀態(tài)，選擇計算模型的3D液面分布圖進行描述。圖4是事故工況下冷卻水進水開始到最終達到穩(wěn)定的流動過程。

(a)失效工況

(b)正常工況

圖5 夾套內(nèi)冷卻水分布云圖

從圖4可以看出，由于進口壓力非常低，雖然水液位能夠到達最低溢流線，但是不足以使水相完全充滿夾套空間，液體上面還有氣相空間。另外，在出水管內(nèi)液位上升過程中，內(nèi)部被密封的一段氣體內(nèi)部壓力會上升，此時進入流量逐漸下降，直至氣柱內(nèi)部壓力加上靜壓等于進口壓力，通過進水口的流量為零，此時系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。雖然有一定的進水壓力，但出水管無流量流出，進水口也不再進入冷卻水，圖5(a)為最終失效狀態(tài)冷卻水分布云圖，夾套內(nèi)上方氣相空間非常明顯。

此外，還分析了在設(shè)計工況0.1 MPa的進水壓力下夾套內(nèi)充水狀態(tài)，其結(jié)果如圖5(b)所示。結(jié)果表明，冷卻水在4 s內(nèi)即可完全充滿整個夾套，冷卻水的體積分率分布夾套內(nèi)部的氣體最開始被順暢排出，后面被緩慢夾帶出，最終不會存在氣體。

3.2 夾套器壁受熱分析

圖6為事故工況下夾套外壁溫度分布云圖?？梢钥闯?，溫度整體從上向下呈逐漸降低的趨勢，其中在820 mm的高度上下出現(xiàn)的片狀低于周圍溫度的區(qū)域是受到夾套內(nèi)部水流狀態(tài)的影響，溫度最高點位于圖中3個十字點處，最高溫度為1 379.25 ℃(1 652 K)，遠遠超出了水冷壁材料鋼材所能承受的溫度，并且已經(jīng)接近材料的固相線，再加上高溫物料碰撞摩擦、內(nèi)壓等外部因素，極易出現(xiàn)高溫融透的現(xiàn)象。此外，在0.1 MPa進水壓力下，夾套外壁的溫度分布云圖如圖7所示，在水完全充滿夾套時器壁最高溫度為557 ℃，遠低于事故工況下的器壁溫度，在此溫度范圍內(nèi)不會發(fā)生熔融。

圖6 事故工況下夾套外壁溫度分布云圖

圖7 設(shè)計工況下夾套外壁溫度分布云圖

4 結(jié)論

本文針對某爐體水冷夾套冷卻系統(tǒng)中水冷夾套失效事故，通過對爐體冷水夾套進行熱耦合分析，結(jié)合器壁失效后的表觀形貌，研究了夾套器壁失效的原因，得到如下結(jié)論。

(1)在事故工況進水壓力0.025 MPa下，冷卻水無法完全充滿夾套內(nèi)部，上部存在氣相區(qū)域。氣相區(qū)域的出現(xiàn)，嚴重影響了換熱效率，致使氣相空間所對應(yīng)的夾套器壁出現(xiàn)局部超高溫區(qū)域，溫度高達1 379.25 ℃，并且在高溫物料摩擦的外力作用下，金屬器壁局部發(fā)生了融化、燒透，以致最終失效。

(2)在設(shè)計工況進水壓力0.1 MPa下，冷卻水可以完全充滿夾套，夾套換熱正常，此時夾套器壁溫度最高557 ℃。

(3)建議此臺設(shè)備的冷卻水供水壓力應(yīng)控制在0.1 MPa以上，在此壓力下，可以保障夾套換熱安全運行，不會造成設(shè)備由于器壁溫度過高導致的設(shè)備器壁融化或燒透。