基于ANSYS的煤氣發(fā)生爐爆炸事故分析及對策研究

王曉臣 張 杰

煙臺寶鋼鋼管有限責(zé)任公司

基于ANSYS的煤氣發(fā)生爐爆炸事故分析及對策研究

王曉臣 張 杰

煙臺寶鋼鋼管有限責(zé)任公司

煤氣發(fā)生爐是很多行業(yè)在生產(chǎn)中常用的機(jī)械設(shè)備之一，因煤氣發(fā)生爐具備自動供熱、環(huán)保潔凈少污染、運(yùn)行相對安全可靠以及能夠減少能耗等優(yōu)點，能夠為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，因此成為各個行業(yè)關(guān)注的焦點。但是近幾年，煤氣發(fā)生爐故障時有發(fā)生，在一定程度上影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益和社會效益，甚至給人民的生命財產(chǎn)安全帶來負(fù)面影響。

ANSYS；煤氣發(fā)生爐；爆炸事故；對策

1 煤氣發(fā)生爐爆炸事故概況

1.1 事故概況

某企業(yè)發(fā)生煤氣發(fā)生爐爆炸事故，造成4人死亡，4人受傷，浙江省特種設(shè)備檢驗研究院作為政府設(shè)立的技術(shù)機(jī)構(gòu)，受事故發(fā)生地安監(jiān)局委托，順利完成該事故技術(shù)鑒定工作，并在隨后的煤氣發(fā)生爐運(yùn)行情況專項安全檢查中，發(fā)現(xiàn)目前在用的煤氣發(fā)生爐存在較多的安全和能效問題，急待改進(jìn)。

1.2 工作原理

煤氣發(fā)生爐裝置的工作原理：通過電氣控制程序控制液壓加煤裝置將煤加入到兩段爐的干餾段，燃料煤在煤氣發(fā)生爐的運(yùn)行過程中會向下移動，在高溫條件下依次通過干燥﹑干餾﹑還原﹑氣化后變成爐渣排出爐外，生產(chǎn)的粗煤氣經(jīng)過除塵﹑冷卻﹑電捕焦﹑清洗﹑脫硫后產(chǎn)生的潔凈煤氣可以直接供給設(shè)備使用。

按照煤氣發(fā)生爐爐內(nèi)煤氣的氣化進(jìn)程來看，從下往上可以將煤氣發(fā)生爐的爐內(nèi)分為灰渣層﹑氧化層﹑還原層﹑干餾層以及干燥層五個層。其中由于在氧化層和還原層內(nèi)會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；而干餾層和干燥層可以統(tǒng)稱為煤料準(zhǔn)備層。這五個煤層中發(fā)生不同的物理﹑化學(xué)，五個層的溫度和厚度直接影響著爐子使用效果。

1.3 煤氣的基本性質(zhì)

煤氣作為二次清潔能源，具有操作簡單﹑易于燃燒﹑并且輸送方便等優(yōu)點，因此是鋼鐵等工業(yè)行業(yè)生產(chǎn)的主要能源之一，在工業(yè)行業(yè)的生產(chǎn)中也占據(jù)著十分重要的地位。

同時煤氣也具有很高的危險性。煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣是一種混合氣體，主要成分是CO﹑H2﹑CH4等可燃?xì)怏w，其中，CO是一種易燃易爆且有毒性。煤氣在空氣中的爆炸極限為 20%～74%，在氧氣中的爆炸極限為10.0%～73.6%。一定條件下，煤制氣可與空氣或者氧氣形成爆炸性混合物，遇到如靜電打火﹑摩擦起火﹑電器短路打火﹑明火﹑維修動火等有效點火源時，易引起火災(zāi)及爆炸事故。

1.4 煤氣發(fā)生爐爆炸事故的原因分析

1.4.1 直接原因分析

根據(jù)現(xiàn)場勘察和實驗分析，水夾套內(nèi)筒底部焊縫附近為第一爆炸點。結(jié)合設(shè)備各處閥門的開啟程度﹑當(dāng)事人的描述以及材料分析的結(jié)果，事發(fā)時水夾套沒有發(fā)生超壓和干燒，因此不能確認(rèn)是由于操作人員誤操作引發(fā)的爆炸。本次事故應(yīng)為煤氣等爆炸性混合物的化學(xué)爆炸。從爆炸的三要素分析，在水夾套附近爆炸，必須有煤氣產(chǎn)生并與空氣混合，并經(jīng)激發(fā)能源作用才可發(fā)生。

由此分析直接原因是內(nèi)筒中部焊縫開裂，開裂處在內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，水夾套中水滲入內(nèi)筒，與炙熱的煤層發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量煤氣，并與空氣混合，形成爆炸性混合氣體，在高溫作用下發(fā)生化學(xué)爆炸引發(fā)事故。

1.4.2 間接原因分析

本次煤氣發(fā)生爐爆炸事故的發(fā)生，不僅是由于內(nèi)筒中部焊縫開裂，導(dǎo)致引發(fā)了化學(xué)爆炸，從而直接導(dǎo)致了事故的發(fā)生；而且還因為煤氣發(fā)生爐在投入生產(chǎn)后，該廠的煤氣發(fā)生爐設(shè)備的操作人員對其進(jìn)行了不良的操作，從而加速了焊縫的損傷速度，并且該廠也從未對該煤氣發(fā)生爐設(shè)備進(jìn)行日常的檢測維修工作，這些因素也都是致使此次煤氣發(fā)生爐爆炸事故發(fā)生的原因之一。

2 ANSYS軟件簡介

ANSYS軟件可以用于對結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)特性以及靜態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行分析。其中動態(tài)力學(xué)特性分析是指計算結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型的模態(tài)參數(shù)以及動力響應(yīng)等；而靜態(tài)力學(xué)特性分析則是指考慮結(jié)構(gòu)的線性以及非線性行為，然后對其靜態(tài)載荷進(jìn)行分析。運(yùn)用ANSYS軟件對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，其分析的過程主要可以分為前處理﹑求解計算和后處理3個部分。

3 運(yùn)用 ANSYS 軟件進(jìn)行變形分析

本文擬根據(jù)煤氣發(fā)生爐結(jié)構(gòu)的實際工作情況，結(jié)合 ANSYS 軟件運(yùn)用有限元方法模擬該煤氣發(fā)生爐內(nèi)筒的應(yīng)力分布情況。

所謂有限元分析，就是首先將某些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)劃分為有限數(shù)目的單元，然后通過對這些單元分別進(jìn)行變形和受力情況的分析，再將這些單元整合起來，就可以形成對結(jié)構(gòu)整體的變形和受力情況的分析計算。

本文要針對煤氣發(fā)生爐內(nèi)筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形和受力情況的有限元分析，首先就要建立煤氣發(fā)生爐內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的有限元模型。由于煤氣發(fā)生爐設(shè)備的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，造成要建立精確的力學(xué)模型具有一定的難度，因此在建立煤氣發(fā)生爐內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型時，可以首先適當(dāng)?shù)暮喕吞幚砥鋬?nèi)筒結(jié)構(gòu)，然后確定模型的單元類型﹑材料屬性等條件，再按照軟件的步驟對幾何模型進(jìn)行相關(guān)的操作，然后求解得出煤氣發(fā)生爐內(nèi)筒變形和受力的詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)果，最后對結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 單元選擇

煤氣發(fā)生爐夾套的內(nèi)﹑外筒材料均為 Q235 鋼材，內(nèi)筒壁厚為12mm，內(nèi)筒直徑為 1600mm，長度為 1000mm，總高 3012mm，其中水夾套的高度為 2500mm。內(nèi)筒的上端與封頭焊接固定，下端與外筒焊接固定。內(nèi)筒厚度與直徑的比值小于1：20，屬于薄壁圓筒。對于薄壁圓殼結(jié)構(gòu)常選用殼單元進(jìn)行模擬計算，因此本次模擬選用ANSYS 軟件中的 shell 63 殼單元。這是因為 shell 63 殼單元具有強(qiáng)大的彎曲能力以及膜力，可以承受平面內(nèi)的荷載和法向的荷載。本次模擬劃分的單元共有 4 個節(jié)點(I，J，K，L)，每個節(jié)點具有 6 個自由度：分別是沿節(jié)點坐標(biāo)系 X﹑Y﹑Z 方向的平動(UX，UY，UZ)和沿節(jié)點坐標(biāo)系 X﹑Y﹑Z 軸的轉(zhuǎn)動(ROTX， ROTY，ROTZ)，所以一個元素共有 24 個自由度。在選定本次模擬的單元時，已經(jīng)將應(yīng)力剛化和大變形能力考慮在了其中。

3.2 定義模型材料參數(shù)

在運(yùn)用 ANSYS 軟件進(jìn)行分析時，用戶完成了實體建模以及網(wǎng)格劃分之后，要對所有的零件定義其材料，根據(jù)其結(jié)構(gòu)所用材料的力學(xué)性能和使用情況的不同來定義其材料的參數(shù)。

該煤氣發(fā)生爐設(shè)備的夾套內(nèi)﹑外內(nèi)筒材料均為 Q235 鋼材，彈性模量為210E/Gpa，泊松比0.3v。

3.3 分析模型及網(wǎng)格劃分

實體建模需對所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使其能夠生成有限個數(shù)目的有限元單元網(wǎng)格，為下階段施加單元的邊界條件﹑載荷和求解工作做準(zhǔn)備。

在進(jìn)行劃分單元時應(yīng)注意以下3點：

(1)進(jìn)行單元劃分時要避免出現(xiàn)單元畸形的情況，否則將會影響計算精度。

(2)劃分單元應(yīng)由小到大逐漸過渡，以保證單元的邊不會相差很大，所以單元劃分要適度。對于模型結(jié)構(gòu)中受力小的部位，劃分出來的單元要盡可能大；對于受力大的部位，劃分出來的單元網(wǎng)格要盡量密集。

(3)在進(jìn)行單元劃分的時候，要適當(dāng)選擇劃分的單元和節(jié)點的數(shù)目。

由于煤氣發(fā)生爐的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)具有對稱性，為減少計算時間﹑提高求解效率，同時保留模型的主要結(jié)構(gòu)特征，本文擬取該煤氣發(fā)生爐設(shè)備內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的 1/2 模型分析，具體模型如圖1所示，并對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有單元 6300 個，節(jié)點 6477 個，如圖 2所示。

3.4 邊界條件

力的邊界條件：設(shè)定模型的 X﹑Y﹑Z 三個方向全約束。根據(jù)模型的設(shè)計條件，計算出煤氣發(fā)生爐內(nèi)筒應(yīng)力極限是屈服極限235MPa﹑強(qiáng)度極限423MPa。

位移邊界條件：在單元的對稱邊界施加對稱載荷，由于煤氣發(fā)生爐的內(nèi)筒兩端得到剛性結(jié)構(gòu)封頭和外筒的加強(qiáng)，所以近似認(rèn)為其為固定約束，其中水套工作壓力＜0.1Mpa，煤氣出口壓力980～1470Pa。

3.5 應(yīng)力分析

材料力學(xué)中共有四種強(qiáng)度理論 ，在 ANSYS 軟件進(jìn)行后處理中的“Von Mises Stress”(我們習(xí)慣性稱為 Mises 等效應(yīng)力)，對其進(jìn)行應(yīng)力分析時通常根據(jù)材料力學(xué)中的第四強(qiáng)度理論，也就是形狀改變比能理論。所謂形狀改變比能理論，它認(rèn)為形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素，無論在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)一點處的形狀改變比能夠達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就會發(fā)生屈服破壞。這一理論為結(jié)構(gòu)材料的破壞提供了依據(jù)。對于模型結(jié)構(gòu)，如果其Von Mises 的應(yīng)力值大于材料的屈服應(yīng)力值，材料將會發(fā)生破裂，因此其最大Mises 應(yīng)力值必須小于材料的屈服極限值。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論進(jìn)行模擬分析的結(jié)果更符合實際，因此本文根據(jù)這一理論，對煤氣發(fā)生爐內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行加載求解以及應(yīng)力分析，所得的結(jié)果如圖3﹑圖4﹑圖5所示：

由結(jié)果圖可知，模型的最大應(yīng)力分布集中在固定約束的部位，即內(nèi)筒封閉環(huán)位置，也就是焊縫位置，其最大應(yīng)力為227MPa，接近Q235 材料的屈服極限。

由圖3可知，在對其施加 3MPa 外壓的情況下，此時內(nèi)筒的最大應(yīng)力為340MPa，已經(jīng)超過材料的屈服極限；圖4可知在施加4MPa外壓下，內(nèi)筒最大應(yīng)力444MPa，達(dá)到了材料強(qiáng)度極限，此時爐內(nèi)筒沿焊縫位置已發(fā)生了破壞及變形。

4 煤氣發(fā)生爐爆炸事故的事故樹分析

我們針對該起煤氣發(fā)生爐爆炸事故的主要發(fā)生原因，將煤氣發(fā)生爐爆炸事故作為頂上事故，采用事故樹分析法建立數(shù)學(xué)模型﹑事故樹圖。

4.1 事故樹的定性分析

首先求解出事故樹的最小割集以及最小徑集，然后求出各基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度。每一個最小割集均代表著能夠?qū)е马斏鲜录l(fā)生的一種可能。根據(jù)系統(tǒng)事故的事故樹圖求解出其最小割集，可以掌握導(dǎo)致事故發(fā)生的各種原因事件，了解系統(tǒng)的危險性。最小徑集可以求出系統(tǒng)事故樹中所有的徑集，就可以弄清楚只要哪種要素或其組合不發(fā)生故障，系統(tǒng)就不會發(fā)生故障。掌握了最小徑集，就能夠知道哪幾個基本事件能使頂上事件不發(fā)生，有幾種控制系統(tǒng)事故的方案，從而為選擇消除頂上事故提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)重要度分析是指從事故樹的結(jié)構(gòu)著手，在不考慮各基本事件的發(fā)生概率的情況下，通過分析得到各基本事件在事故樹結(jié)構(gòu)上的重要程度?；臼录慕Y(jié)構(gòu)重要度越大，它對頂上事件的影響程度就越大，反之亦然。

4.2 事故樹的分析結(jié)論

1)從事故樹的邏輯關(guān)系來看，事故樹中共有2個邏輯與門，4個邏輯或門，其中有12個最小割集以及4個最小徑集，最小割集的個數(shù)明顯大于最小徑集的個數(shù)，由此可以得知：該系統(tǒng)的危險性很高，因為造成煤氣發(fā)生爐爆炸事故的可能性很大﹑途徑比較多，而煤氣發(fā)生爐爆炸事故的控制措施卻很少。

2)從基本事件的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)來看，設(shè)備所承受的壓力超過機(jī)械強(qiáng)度的極限基本條件事件﹑煤氣中的可燃?xì)怏w與空氣或氧氣混合達(dá)到爆炸極限范圍基本條件事件的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)最大；水夾套蒸汽系統(tǒng)堵塞基本事件，水夾套干燒時水劇烈氣化基本事件，水夾套密封不嚴(yán)基本事件，水夾套破裂基本事件的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)次之；水夾套設(shè)備材料強(qiáng)度低基本事件，水夾套的焊縫質(zhì)量差基本事件，材料有缺陷基本事件以及煤氣發(fā)生爐爐膽內(nèi)有劇烈燃燒的煤基本事件﹑進(jìn)行明火作業(yè)基本事件﹑有其它火源基本事件的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)相對小一些。

3)避免煤氣發(fā)生爐事故的最優(yōu)方案：針對系統(tǒng)事故采取相關(guān)的預(yù)防措施時，應(yīng)當(dāng)首先從對頂上事件影響比較大(即結(jié)構(gòu)重要度最大)的基本事件或者從包含基本事件最少的組合著手比較有效。那么，根據(jù)煤氣發(fā)生爐爆炸事故的事故樹的定性分析結(jié)果來看，若要制定一個防止煤氣發(fā)生爐爆炸事故發(fā)生的最佳預(yù)防措施方案，應(yīng)當(dāng)首先控制煤氣發(fā)生爐設(shè)備所承受的壓力不能超過機(jī)械強(qiáng)度的極限這一基本事件不發(fā)生，并且同時控制煤氣發(fā)生爐的水夾套蒸汽管路不會發(fā)生堵塞的現(xiàn)象，要保證不在水夾套干燒﹑蒸汽管路堵塞凍結(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行作業(yè)。還可以采取盡量避免發(fā)生煤氣泄漏情況的措施，煤氣發(fā)生爐設(shè)備的作業(yè)人員應(yīng)該保證供水設(shè)備的正常檢修以及水質(zhì)的正常監(jiān)測，避免出現(xiàn)水夾套密封不嚴(yán)以及水夾套破裂的情況，這樣也能減少爆炸事故的發(fā)生。

結(jié)語

本文以一起煤氣發(fā)生爐爆炸事故為例，詳細(xì)分析了事故原因，提出了加強(qiáng)煤氣發(fā)生爐安全運(yùn)行的對策。1)介紹了該起煤氣發(fā)生爐爆炸事故的基本概況。通過了解煤氣發(fā)生爐的工作原理以及煤氣的基本的物理以及化學(xué)性質(zhì)，掌握煤氣發(fā)生爐爆炸事故相關(guān)的基本理論知識。2)采用事故樹分析方法，建立了煤氣發(fā)生爐爆炸事故的事故樹，定性分析了事故樹的割集﹑徑集和結(jié)構(gòu)重要度，為避免事故發(fā)生﹑提高安全性提供了理論依據(jù)。3)通過對該起爆炸事故的原因分析以及軟件模擬，為企業(yè)和政府提出了有關(guān)的建議以及預(yù)防對策。

[1]駱曉玲，徐坤山.煤氣發(fā)生爐爆炸事故原因及預(yù)防措施[J].煤氣與熱力，2010，01：11-13.

[2]成德芳，鐘豐平.淺談煤氣發(fā)生爐的安全與能效問題[J].中國特種設(shè)備安全，2015，10：59-62.

[3]李棟源，趙素.事故樹法在煤氣發(fā)生爐環(huán)境風(fēng)險評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2012，06：64-66.