内构件在工业流化床反应器中应用广泛,设置与反应特性相匹配的内构件是提升流化床反应器效率和产品选择性的有效手段之一。但是,内构件在改善床层内气固流动形态的同时也会受到气固两相流动作用产生的载荷,很多化工流化床装置对设备可靠性的要求很高,通常装置检修周期一般要求至少一年甚至数年,载荷的持续作用很可能造成内构件过载或疲劳而产生永久破坏。因此,如何保证流化床内构件的长周期可靠性是工业界特别关注的另一个重要问题。保障内构件的长周期可靠性需要科学设计内构件的结构和强度,前提是系统掌握流化床反应器不同操作阶段内构件的受力特性规律。为此,本研究搭建了一套冷模流化床实验装置,以工业中广泛应用的斜片挡板内构件作为研究对象,采用在测试挡板表面粘贴应变计的方法,在自由堆积、启动和稳定流化等多种操作工况下,对浸没在密相床层内的斜片挡板内构件的受力特性进行了系统的测量。同时,通过在床层轴向布置多个压力测点了解床内的气固流动形态,以分析斜片挡板内构件受力特性与床层内部气固流动特性之间的关联性。研究结果表明,在稳定流化操作工况下,单个斜片挡板内构件的受力信号是随机的脉动信号,信号的有效频域都在0～10 Hz之间,主频率一般低于5 Hz,且受力信号的有效频域与床内压力脉动信号的有效频域范围接近。其次,在鼓泡床流域内,随着表观气速增大,挡板垂直方向受到的RMS载荷强度呈近似线性增大趋势;床层越深,挡板受到的RMS载荷强度越大,且不同床层深度下挡板的受力载荷强度与与静床高度近似线性相关;挡板倾斜角度越大,挡板与上升气泡的作用面积变小,RMS载荷强度也显著降低。另一方面,在不属于同一类型颗粒的床层内,挡板的瞬态受力信号特征相差很大。相同操作条件下,B类粗颗粒床层内挡板受到的RMS载荷强度约是A类颗粒床层内载荷的2～3倍,与此对应的是,B类颗粒流化床内压力脉动标准偏差远大于与A类颗粒流化床内的压力脉动标准偏差,这进一步表明了内构件受力与床内气泡运动特性之间的紧密联系。此外,在多片挡板存在的情况下,床层截面内远离导向一侧的挡板受到的载荷强度最大;当挡板的叶片间距较小时,挡板下方会形成明显的“气垫”层,使挡板受到的RMS载荷强度相比单片挡板单独存在时显著降低。在床层启动阶段,本研究发现浸没于密相床层的单个斜片挡板内构件会受到一个很大的脉冲载荷,该载荷的作用时间约0.5～2 s,峰值大小约是稳定流化工况下挡板受到的脉动载荷幅值的2～5倍。通过进一步全面考察不同因素对挡板内构件启动受力峰值载荷的影响规律,发现挡板受到的峰值载荷随着启动气速增量和床层深度的增大而增大,而随挡板安装的倾斜角度增大而降低;位于密相床层中部的挡板受到的峰值载荷强度最大。其次,研究还发现床层一旦转入流化状态,即使表观气速在瞬间发生很大的阶跃变化,测量的挡板受力信号中并没有出现类似于启动阶段的较大脉冲载荷。因此,在床层由自由堆积状态转入流化状态的启动阶段,一定要尽量在低气速增量下先让床层转入流化状态,然后再调节气速至所需的操作条件,这样可以有效避免内构件出现严重损坏。另一方面,在多片挡板存在的情况下,床层截面内靠近壁面附近挡板受到的载荷强度更大;当挡板的叶片间距较小时,启动阶段挡板受到的峰值载荷强度与单片挡板单独存在时相比同样显著降低。其次,当单片测试挡板下方存在一层网状格栅挡板时,床层启动阶段测试挡板受到的峰值载荷强度与单片挡板单独存在时相比降低约2/3,对格栅层上部的挡板或其他内构件具有一定的保护作用。