基于ANSYS的煤气发生炉爆炸事故分析及对策研究

王晓臣 张 杰

烟台宝钢钢管有限责任公司

基于ANSYS的煤气发生炉爆炸事故分析及对策研究

王晓臣 张 杰

烟台宝钢钢管有限责任公司

煤气发生炉是很多行业在生产中常用的机械设备之一，因煤气发生炉具备自动供热、环保洁净少污染、运行相对安全可靠以及能够减少能耗等优点，能够为企业带来可观的经济效益，因此成为各个行业关注的焦点。但是近几年，煤气发生炉故障时有发生，在一定程度上影响了企业的经济利益和社会效益，甚至给人民的生命财产安全带来负面影响。

ANSYS；煤气发生炉；爆炸事故；对策

1 煤气发生炉爆炸事故概况

1.1 事故概况

某企业发生煤气发生炉爆炸事故，造成4人死亡，4人受伤，浙江省特种设备检验研究院作为政府设立的技术机构，受事故发生地安监局委托，顺利完成该事故技术鉴定工作，并在随后的煤气发生炉运行情况专项安全检查中，发现目前在用的煤气发生炉存在较多的安全和能效问题，急待改进。

1.2 工作原理

煤气发生炉装置的工作原理：通过电气控制程序控制液压加煤装置将煤加入到两段炉的干馏段，燃料煤在煤气发生炉的运行过程中会向下移动，在高温条件下依次通过干燥﹑干馏﹑还原﹑气化后变成炉渣排出炉外，生产的粗煤气经过除尘﹑冷却﹑电捕焦﹑清洗﹑脱硫后产生的洁净煤气可以直接供给设备使用。

按照煤气发生炉炉内煤气的气化进程来看，从下往上可以将煤气发生炉的炉内分为灰渣层﹑氧化层﹑还原层﹑干馏层以及干燥层五个层。其中由于在氧化层和还原层内会发生化学反应；而干馏层和干燥层可以统称为煤料准备层。这五个煤层中发生不同的物理﹑化学，五个层的温度和厚度直接影响着炉子使用效果。

1.3 煤气的基本性质

煤气作为二次清洁能源，具有操作简单﹑易于燃烧﹑并且输送方便等优点，因此是钢铁等工业行业生产的主要能源之一，在工业行业的生产中也占据着十分重要的地位。

同时煤气也具有很高的危险性。煤气发生炉产生的煤气是一种混合气体，主要成分是CO﹑H2﹑CH4等可燃气体，其中，CO是一种易燃易爆且有毒性。煤气在空气中的爆炸极限为 20%～74%，在氧气中的爆炸极限为10.0%～73.6%。一定条件下，煤制气可与空气或者氧气形成爆炸性混合物，遇到如静电打火﹑摩擦起火﹑电器短路打火﹑明火﹑维修动火等有效点火源时，易引起火灾及爆炸事故。

1.4 煤气发生炉爆炸事故的原因分析

1.4.1 直接原因分析

根据现场勘察和实验分析，水夹套内筒底部焊缝附近为第一爆炸点。结合设备各处阀门的开启程度﹑当事人的描述以及材料分析的结果，事发时水夹套没有发生超压和干烧，因此不能确认是由于操作人员误操作引发的爆炸。本次事故应为煤气等爆炸性混合物的化学爆炸。从爆炸的三要素分析，在水夹套附近爆炸，必须有煤气产生并与空气混合，并经激发能源作用才可发生。

由此分析直接原因是内筒中部焊缝开裂，开裂处在内应力作用下产生变形，水夹套中水渗入内筒，与炙热的煤层发生反应，产生大量煤气，并与空气混合，形成爆炸性混合气体，在高温作用下发生化学爆炸引发事故。

1.4.2 间接原因分析

本次煤气发生炉爆炸事故的发生，不仅是由于内筒中部焊缝开裂，导致引发了化学爆炸，从而直接导致了事故的发生；而且还因为煤气发生炉在投入生产后，该厂的煤气发生炉设备的操作人员对其进行了不良的操作，从而加速了焊缝的损伤速度，并且该厂也从未对该煤气发生炉设备进行日常的检测维修工作，这些因素也都是致使此次煤气发生炉爆炸事故发生的原因之一。

2 ANSYS软件简介

ANSYS软件可以用于对结构的动态力学特性以及静态力学特性进行分析。其中动态力学特性分析是指计算结构的动力学模型的模态参数以及动力响应等；而静态力学特性分析则是指考虑结构的线性以及非线性行为，然后对其静态载荷进行分析。运用ANSYS软件对机械结构进行分析时，其分析的过程主要可以分为前处理﹑求解计算和后处理3个部分。

3 运用 ANSYS 软件进行变形分析

本文拟根据煤气发生炉结构的实际工作情况，结合 ANSYS 软件运用有限元方法模拟该煤气发生炉内筒的应力分布情况。

所谓有限元分析，就是首先将某些复杂的结构划分为有限数目的单元，然后通过对这些单元分别进行变形和受力情况的分析，再将这些单元整合起来，就可以形成对结构整体的变形和受力情况的分析计算。

本文要针对煤气发生炉内筒结构进行变形和受力情况的有限元分析，首先就要建立煤气发生炉内筒结构的有限元模型。由于煤气发生炉设备的内筒结构具有一定的复杂性，造成要建立精确的力学模型具有一定的难度，因此在建立煤气发生炉内筒结构的力学模型时，可以首先适当的简化和处理其内筒结构，然后确定模型的单元类型﹑材料属性等条件，再按照软件的步骤对几何模型进行相关的操作，然后求解得出煤气发生炉内筒变形和受力的详细的数据结果，最后对结果进行分析。

3.1 单元选择

煤气发生炉夹套的内﹑外筒材料均为 Q235 钢材，内筒壁厚为12mm，内筒直径为 1600mm，长度为 1000mm，总高 3012mm，其中水夹套的高度为 2500mm。内筒的上端与封头焊接固定，下端与外筒焊接固定。内筒厚度与直径的比值小于1：20，属于薄壁圆筒。对于薄壁圆壳结构常选用壳单元进行模拟计算，因此本次模拟选用ANSYS 软件中的 shell 63 壳单元。这是因为 shell 63 壳单元具有强大的弯曲能力以及膜力，可以承受平面内的荷载和法向的荷载。本次模拟划分的单元共有 4 个节点(I，J，K，L)，每个节点具有 6 个自由度：分别是沿节点坐标系 X﹑Y﹑Z 方向的平动(UX，UY，UZ)和沿节点坐标系 X﹑Y﹑Z 轴的转动(ROTX， ROTY，ROTZ)，所以一个元素共有 24 个自由度。在选定本次模拟的单元时，已经将应力刚化和大变形能力考虑在了其中。

3.2 定义模型材料参数

在运用 ANSYS 软件进行分析时，用户完成了实体建模以及网格划分之后，要对所有的零件定义其材料，根据其结构所用材料的力学性能和使用情况的不同来定义其材料的参数。

该煤气发生炉设备的夹套内﹑外内筒材料均为 Q235 钢材，弹性模量为210E/Gpa，泊松比0.3v。

3.3 分析模型及网格划分

实体建模需对所建模型进行网格划分，使其能够生成有限个数目的有限元单元网格，为下阶段施加单元的边界条件﹑载荷和求解工作做准备。

在进行划分单元时应注意以下3点：

(1)进行单元划分时要避免出现单元畸形的情况，否则将会影响计算精度。

(2)划分单元应由小到大逐渐过渡，以保证单元的边不会相差很大，所以单元划分要适度。对于模型结构中受力小的部位，划分出来的单元要尽可能大；对于受力大的部位，划分出来的单元网格要尽量密集。

(3)在进行单元划分的时候，要适当选择划分的单元和节点的数目。

由于煤气发生炉的内筒结构具有对称性，为减少计算时间﹑提高求解效率，同时保留模型的主要结构特征，本文拟取该煤气发生炉设备内筒结构的 1/2 模型分析，具体模型如图1所示，并对该模型进行网格划分，共有单元 6300 个，节点 6477 个，如图 2所示。

3.4 边界条件

力的边界条件：设定模型的 X﹑Y﹑Z 三个方向全约束。根据模型的设计条件，计算出煤气发生炉内筒应力极限是屈服极限235MPa﹑强度极限423MPa。

位移边界条件：在单元的对称边界施加对称载荷，由于煤气发生炉的内筒两端得到刚性结构封头和外筒的加强，所以近似认为其为固定约束，其中水套工作压力＜0.1Mpa，煤气出口压力980～1470Pa。

3.5 应力分析

材料力学中共有四种强度理论 ，在 ANSYS 软件进行后处理中的“Von Mises Stress”(我们习惯性称为 Mises 等效应力)，对其进行应力分析时通常根据材料力学中的第四强度理论，也就是形状改变比能理论。所谓形状改变比能理论，它认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素，无论在什么应力状态下，只要构件内一点处的形状改变比能够达到单向应力状态下的极限值，材料就会发生屈服破坏。这一理论为结构材料的破坏提供了依据。对于模型结构，如果其Von Mises 的应力值大于材料的屈服应力值，材料将会发生破裂，因此其最大Mises 应力值必须小于材料的屈服极限值。

根据第四强度理论进行模拟分析的结果更符合实际，因此本文根据这一理论，对煤气发生炉内筒结构的模型进行加载求解以及应力分析，所得的结果如图3﹑图4﹑图5所示：

由结果图可知，模型的最大应力分布集中在固定约束的部位，即内筒封闭环位置，也就是焊缝位置，其最大应力为227MPa，接近Q235 材料的屈服极限。

由图3可知，在对其施加 3MPa 外压的情况下，此时内筒的最大应力为340MPa，已经超过材料的屈服极限；图4可知在施加4MPa外压下，内筒最大应力444MPa，达到了材料强度极限，此时炉内筒沿焊缝位置已发生了破坏及变形。

4 煤气发生炉爆炸事故的事故树分析

我们针对该起煤气发生炉爆炸事故的主要发生原因，将煤气发生炉爆炸事故作为顶上事故，采用事故树分析法建立数学模型﹑事故树图。

4.1 事故树的定性分析

首先求解出事故树的最小割集以及最小径集，然后求出各基本原因事件的结构重要度。每一个最小割集均代表着能够导致顶上事件发生的一种可能。根据系统事故的事故树图求解出其最小割集，可以掌握导致事故发生的各种原因事件，了解系统的危险性。最小径集可以求出系统事故树中所有的径集，就可以弄清楚只要哪种要素或其组合不发生故障，系统就不会发生故障。掌握了最小径集，就能够知道哪几个基本事件能使顶上事件不发生，有几种控制系统事故的方案，从而为选择消除顶上事故提供依据。结构重要度分析是指从事故树的结构着手，在不考虑各基本事件的发生概率的情况下，通过分析得到各基本事件在事故树结构上的重要程度。基本事件的结构重要度越大，它对顶上事件的影响程度就越大，反之亦然。

4.2 事故树的分析结论

1)从事故树的逻辑关系来看，事故树中共有2个逻辑与门，4个逻辑或门，其中有12个最小割集以及4个最小径集，最小割集的个数明显大于最小径集的个数，由此可以得知：该系统的危险性很高，因为造成煤气发生炉爆炸事故的可能性很大﹑途径比较多，而煤气发生炉爆炸事故的控制措施却很少。

2)从基本事件的结构重要系数来看，设备所承受的压力超过机械强度的极限基本条件事件﹑煤气中的可燃气体与空气或氧气混合达到爆炸极限范围基本条件事件的结构重要系数最大；水夹套蒸汽系统堵塞基本事件，水夹套干烧时水剧烈气化基本事件，水夹套密封不严基本事件，水夹套破裂基本事件的结构重要系数次之；水夹套设备材料强度低基本事件，水夹套的焊缝质量差基本事件，材料有缺陷基本事件以及煤气发生炉炉胆内有剧烈燃烧的煤基本事件﹑进行明火作业基本事件﹑有其它火源基本事件的结构重要系数相对小一些。

3)避免煤气发生炉事故的最优方案：针对系统事故采取相关的预防措施时，应当首先从对顶上事件影响比较大(即结构重要度最大)的基本事件或者从包含基本事件最少的组合着手比较有效。那么，根据煤气发生炉爆炸事故的事故树的定性分析结果来看，若要制定一个防止煤气发生炉爆炸事故发生的最佳预防措施方案，应当首先控制煤气发生炉设备所承受的压力不能超过机械强度的极限这一基本事件不发生，并且同时控制煤气发生炉的水夹套蒸汽管路不会发生堵塞的现象，要保证不在水夹套干烧﹑蒸汽管路堵塞冻结的状态下进行作业。还可以采取尽量避免发生煤气泄漏情况的措施，煤气发生炉设备的作业人员应该保证供水设备的正常检修以及水质的正常监测，避免出现水夹套密封不严以及水夹套破裂的情况，这样也能减少爆炸事故的发生。

结语

本文以一起煤气发生炉爆炸事故为例，详细分析了事故原因，提出了加强煤气发生炉安全运行的对策。1)介绍了该起煤气发生炉爆炸事故的基本概况。通过了解煤气发生炉的工作原理以及煤气的基本的物理以及化学性质，掌握煤气发生炉爆炸事故相关的基本理论知识。2)采用事故树分析方法，建立了煤气发生炉爆炸事故的事故树，定性分析了事故树的割集﹑径集和结构重要度，为避免事故发生﹑提高安全性提供了理论依据。3)通过对该起爆炸事故的原因分析以及软件模拟，为企业和政府提出了有关的建议以及预防对策。

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