（化工过程机械专业论文）焦炭塔循环载荷下的疲劳分析.pdf

摘要 焦炭塔是延迟焦化装置的重要设备，操作条件苛刻，是承受热循环和机械应力循环 的压力容器。频繁的加热和冷却使焦炭塔简体与裙座连接处产生很高的应力强度水平。 在这样的操作状态下，容易出现强度问题引起的多种失效。从目前的使用状况来看，多 数焦炭塔己处于超期服役状态，因此为提高经济效益，防止事故的发生，对焦炭塔进行 安全分析和寿命评估是十分重要的。 本文主要以焦炭塔失效的敏感部位简体与裙座连接处附近区域为研究对象，利 用大型有限元分析软件，采用数值模拟与实测数据相结合的方法对焦炭塔的实际模型和 分析模型进行适当的简化，对焦炭塔循环载荷下的疲劳分析重点展开了以下工作： ( 1 ) 焦炭塔单一操作周期划分为升温阶段、进油生焦阶段和冷却除焦阶段，并根据焦 炭塔的实际操作工况曲线，对每个阶段进行动态的温度场和应力场分析。 ( 2 ) 在单一周期内应力分析结果的基础上，对焦炭塔进行了安定性分析。 ( 3 ) 在单一周期内应力分析结果的基础上，采用两种不同方法对焦炭塔进行了寿命分 析，包括基于分析设计的疲劳寿命分析和基于弹塑性分析的疲劳寿命分析。 根据新的a s m e v l l i 2 中的规定，采用数值方法对循环载荷下的焦炭塔进行安定性 分析和疲劳分析是本文的创新。 分析结果表明焦炭塔塔壁存在径向、轴向和周向的应力，且热应力占主要成分，采 用安定性准则进行评价，得出焦炭塔满足安定性条件的结论。利用s n 疲劳曲线和线性 累积损伤理论进行疲劳评定，分析结果显示分析设计获得的允许使用寿命为3 9 4 年，弹 塑性分析方法获得允许使用寿命为3 2 5 年，显然后者比前者更加保守，更加安全。 关键词：焦炭塔，循环载荷，安定性，疲劳分析 f a t i g u ea n a l y s i so fc o k e t o w e ru n d e rc y c l i cl o a d i n g w un a ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f l ig u o c h e n g a b s t r a c t t h ec o k et o w e ri so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n t sf o rt h ed e l a y e dc o k i n gd e v i c e a n d i t sat h e r m a l l ya n dm e c h a n i c a l l yc y c l i cl o a d i n gp r e s s u r ev e s s e l t h i sp a p e rr e g a r d ss e n s i t i v e p a r t so ft h ec o k et o w e r - t h es k i r tt os h e l la t t a c h m e n tw e l d m e n ta st h er e s e a r c ho b j e c t ，u s i n gt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n dac o m b i n a t i o no fm e t h o d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d m e a s u r e dd a t a ，a p p r o p r i a t e l ys i m p l i f yt h ea c t u a lm o d e la n dt h ea n a l y s i sm o d e l ，a n d a c c o m p l i s h e dt h ef o l l o w i n gc o n t e n t sf o rf a t i g u eu n d e rc y c l i cl o a d i n ga n a l y s i so f c o k et o w e r ： ( 1 ) i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a ls t a t u so fo p e r a t o rc u r v e ，a l lo p e r a t i o nc y c l ei sd i v i d e d i n t oh e a t i n g ，c o k i n ga n dc o o l i n gs t a g e s ，a n dm a k eg o o du s eo ft h ep o w e r f u ls o f t w a r ea n s y s t oc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt h e r m a ls t r e s sf i e l d sa td i f f e r e n ts t a g e si ni t so p e r a t i o n ( 2 ) m a k e ss h a k e d o w na n a l y s i so fc o k et o w e ri na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t so fo n e o p e r a t i o nc y c l e ( 3 ) a n a l y z i n gf a t i g u eb a s e do nt h ea n a l y s i sd e s i g na n de l a s t o - p l a s t i ca n a l y s i s i n a c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t so fo n eo p e r a t i o nc y c l e u s i n g n u m e r i c a l m e t h o d ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h en e w r e q u i r e m e n t s i n a s m e 一2 ，m a k i n gs h a k e d o w na n a l y s i sa n df a t i g u ea n a l y s i su n d e rc y c l i cl o a d i n go f t h ec o k e t o w e ra r et h ei n n o v a t i o n so ft h i sp a p e r t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tr a d i a ls t r e s s ，a x i a ls r e s sa n dc e n t r a ls t r e s so ft h ed r u m w a l l ，a n dt h et h e r m a ls r e s s e sa r et h ee s s e n t i a lc o m p o n e n t so ft h ec o m b i n e ds t r e s so nt h e w a l l c o m p a r i n gt h ec o m b i n e ds t r e s so fm e c h a n i c a la n dt h e r m a ls t r e s sw i t ht h es h a k e d o w n c r i t e r i o n c o n c l u s i o ni st h a tt h es t r u c t u r eo fc o k ed r u mc o n t e n t st h eq u a l i f i c a t i o no fs h a k e d o w n u s i n gs - nf a t i g u ec u r v e sa n dl i n e a rc u m u l a t i v ed a m a g et h e o r yt oe v a l u a t ef a t i g u el i f e ，t h e r e s u l ti st h a ts e r v i c el i f ei s3 9 4y e a r sa c c o r d i n gt oa n a l y s i sd e s i g na n d3 2 5y e a r st ot h e e l a s t o - p l a s t i ca n a l y s i sm e t h o d l a t t e ri sc l e a r l ym o r ec o n s e r v a t i v e ，m o r es e c u r e k e yw o r d s ：c o k et o w e r , c y c l i cl o a d i n g ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，f a t i g u ea n a l y s i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 墨塑z日期：如。夕年 月) 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 学位论文作者签名：墨塑 指导教师签名：么弘a i 一 日期： b o o ，年厂月7 日 日期：7 , o o7 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题背景及意义 世界石油产品需求结构的总体趋势是，重油需求量持续下降，汽煤柴等发动机用液 体轻质燃料需求量增加，同时重质油和超重质油的开采量增加。因此，进入2 1 世纪， 重质油及渣油的轻质化更是当今世界炼油工业的重要课题。焦化工艺是一种重要的渣油 热加工过程。它以渣油为原料，在高n ( 5 0 0 5 0 5 ) y 进行深度热裂化反应。延迟焦化是 渣油在炉管内高温裂解并迅速通过，将焦化反应“延迟”到焦炭塔内进行的工艺过程， 并且因此而得名。目前提高重油深度，增加轻质油品产量的主要技术仍然是焦化、渣油 催化裂化和渣油加氢处理等。其中焦化工艺已成为一种成熟的重油热加工方法，无论在 投资、操作费用上，还是在技术可靠程度，原料的适用性和转化方面都具有优势，国内 外的炼油企业都把焦化技术作为重油加工的重要手段。 焦炭塔是延迟焦化装置中的关键设备，一旦失效，将造成严重的经济损失甚至人员 伤亡，所以对焦炭塔的研究越来越受到人们的重视。 1 1 1 焦炭塔的操作工况 焦炭塔的工作状况为有规律的间歇式周期性连续生产，每个生产周期为4 8 小时， 焦化期约为2 4 小时，在该期间工作温度约保持3 0 0 - 4 6 0 ，焦化期完成以后和除焦期间 的工作温度接近常温。其生产操作一般步骤为【1 3 1 4 】： 试压：2 5 0 的蒸汽从塔底锥体进入焦炭塔，先从塔顶进入沉降池，以赶净塔内空 气，然后密闭试压至0 2 4 m p a 。此时，塔壁温度约2 0 0 左右，时间2 小时。 预热：4 3 0 * c 底油气经挥发线从塔顶进入预热塔，待压力缓慢平衡后，油气改从循 环线经堵焦阀进入塔内继续预热，油气上升至塔顶经挥发线进入分馏塔内，冷凝下来的 油经甩油线进甩油灌至分馏塔，时间约为6 小时，最终温度为3 6 0 。 生产：当预热温度达3 6 0 ，塔底油已经甩净，高温油气停止进塔，四通阀由老塔 翻到新塔，4 8 5 - 4 9 0 高温原料从塔底进入焦炭塔中生焦，反应生成的焦炭逐渐积累， 4 3 0 的油气从塔顶进入分馏塔，在塔顶油气出口处注入2 0 0 的蜡油( 8 吨j 、时) 作为急 冷油，防止挥发线生焦，生焦时间为2 4 小时。 切换：当焦炭塔生焦达2 4 小时后，四通阀翻到另一塔的进料线，终止本塔的进料。 小量吹气：在四通阀切换后，立即通过1 寸的小阀吹入蒸汽( 2 吨，j 、时) ，时间为1 小时，主要是为了将焦炭塔中的残留油气吹入分馏塔进行回收利用。 第一章绪论 大量吹气：小量吹气后，吹入2 4 0 的过热蒸汽( 7 吨j 、时) ，时间为4 小时，主要 是为进一步把焦炭中的残留油气吹入放空系统，以保证挥发少，还可以把焦炭塔内温度 降至3 1 0 ，起到冷焦作用。 冷焦：大量吹气后，将小量冷焦水引入塔底，小量冷焦水全部汽化，从塔顶进入放 空系统，经冷却后循环使用。待温度及压力降低后，再缓慢加大水量，直至冷焦水装满， 焦炭塔冷焦水不再汽化时，塔顶油放空系统改至沉降池，塔顶温度降至8 0 。c 时，停泵不 再给水，进入泡焦阶段，此过程时间为4 小时。 放水：在除焦前约1 5 小时，打开塔顶挥发线上的呼吸阀，开始从塔底往沉降池放 水。 除焦：水放完后，开始卸塔顶、底盖，启动高压除焦，时间为2 小时。 除焦后，上好塔顶、底盖，试压后进入下一生产周期。 焦炭塔工艺操作指标如表l l 。 表1 - 1 焦炭塔工艺操作指标 t a b l e l ip r o c e s so p e r a t i n gt a r g e tt oc o k et o w e r 由上述焦炭塔操作工况可以总结出其工艺特点主要有：间歇操作，一个循环周期 需4 8 小时。反复进行加压和卸压，其压力呈周期性波动，波动范围为0 0 2 4 m p a 。 操作温度发生周期性大幅度变化，在冬天尤甚，波动范围从常温到4 1 5 。c 。除焦时， 高压水对器壁有猛烈冲击。除焦时先从上向下钻孔，再从下向上除焦，此时塔器是头 重脚轻，对设备不利，易造成塔体倾斜，各方向壁面受力不均。塔上部为泡沫段，约 6 7 米高为空塔。塔内反应是一相变过程，从进料时液态到吹汽冷却，介质从液态变 成固态焦炭。因此，焦炭塔的塔壁受力情况十分复杂。 1 1 2 焦炭塔的主要失效形式 焦炭塔是延迟焦化装置的重要设备，其主要特点是体型高，长细比大，载荷重，其 工艺为有规律的间歇式连续性操作，载荷条件复杂，长期在这种复杂交变载荷和外载荷 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的作用下，最终导致焦炭塔的失效。常见的焦炭塔失效形式有底部裙座的裂纹扩展及开 裂、塔体鼓凸变形、塔体的弯曲倾斜、塔体的摆动和跳动、接管焊缝开裂、材质劣化等 等【2 5 3 2 1 。其中塔体与裙座连接处的焊缝开裂和塔体鼓凸变形问题尤其严重【1 5 】。美国石油 学会( a p i ) 1 9 9 6 年对5 4 座焦炭塔的调查结果为：筒节膨胀占6 1 ，塔体环焊缝开裂占 9 7 ( 主要发生在下端盖以上第3 、4 、5 环焊缝上) ，裙座开裂占7 8 【l 6 1 。 1 1 2 1 塔体与裙座连接处的焊缝开裂 全国3 0 多台焦炭塔在役运行过程中，裙座与塔体连接处的环焊缝均存在不同程度 的开裂，有的焊缝已穿透，甚至发生过塔体与裙座脱开的严重事故。如2 0 0 0 年对某炼 厂焦炭塔的检验中发现裙座与塔体连接焊缝存在连续长度1 0 0 0 0 m m 、最深达5 m m 的环 向裂纹【l7 1 。焦炭塔裙座角焊缝裂纹的反复出现，给安全生产带来很大的威胁，有的还因 焊缝修复后仍然开裂而报废。 图l 一1 塔体冷热态自由变形图 f i g l 1 f r e e - f o r md e f o r m a t i o nm a po f c o l da n dh o tt o w e r 焦炭塔裙座角焊缝裂纹开裂的原因主要与焦炭塔的载荷特性以及焦炭塔的结构和 材料有关系。在生产过程中，在急骡升温阶段，简体因受热而产生膨胀变形。倘若变形 不受任何约束，其变形结果应如图1 1 所示。但实际情况并非如此，热简体与冷裙座之 间存在轴向温度梯度，简体在受高温作用丽产生热变形时，将受到与之相连的裙座的影 响。一方面，塔体具有一定的温升，因而将产生一定量的热变形，其自由变形程度与轴 向温度分布有关，如图1 - 2 ( a ) q p 双点划线所示，其断面转角为鼠，但由于焊缝的连接， 经断面转角变形协调后( 如图中虚线所示) 其实际转角为0 ，由此将产生一部分变形协调 力；另一方面，裙座体与筒体之间存在较大的温度差，各自径向自由热变形并不一致， 而裙座又具有较大的刚度，对简体将产生一个较大的刚性约束，所以两者为取得径向位 移的变形协调，将产生另一部分变形协调应力。在两部分变形协调应力的作用下，裙座 的实际变形如图1 - 2 ( a ) q b 虚线所示。由此可见，裙座焊缝及其附近部位将产生较大的轴 3 第一章绪论 向弯曲应力。根据上述变形特点，其应力分布规律应如图1 - 2 0 ) ) 所示。 向应力 图l - 2 升温时塔体与裙座焊缝区域实际变形与轴向应力分布图 f i g l - 2a c t u a ld e f o r n m a t i o na n da x i a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h et o w e rs k i r tw e l dr e g i o n w h e nt e m p e r a t u r er i s i n g 急骤降温阶段的情况与前面所述类似，所不同的是这一阶段的变形以及轴向弯曲应 力的变化规律正好与升温阶段的相反，如图1 3 所示。 一+屯 意 辅j 句应力 图1 - 3降温时塔体与裙座焊缝区域实际变形与轴向应力分布图 f i g l - 3 a c t u a ld e f o r m a t i o na n da x i a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h es k i r tw e l dr e g i o n w h e nt e m p e r a t u r ed e c l i n i n g 在频繁的加热与冷却循环下，焦炭塔裙座焊缝及其附近部位受到较大的交变热应力 作用，并且在急剧升温和急剧冷却阶段受到大于材料屈服应力的热应力载荷的周期性作 用而产生了热疲劳【1 7 2 4 1 。 1 1 2 2 塔体的鼓凸变形 焦炭塔在频繁的加热与冷却时，由于支架、管线和焊缝加强高的约束作用，限制了 塔的自由膨胀和收缩，在这样的每个循环周期中，塔高和直径的膨胀和收缩将导致塔壁 产生径向变形。在焦炭塔寿命的早期阶段，变形仅局限于底部发生，随着时间的推移， 上部产生的变形变得更明显。由于环焊缝具有比母材高的屈服强度，而且结构上比母材 稍厚，因而显示出比较小的增长，于是在每个筒节上产生一个鼓凸变形，俗称“糖葫芦 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 状变形”。从已有检测结果看，上部泡沫段环缝未发现裂纹，裂纹主要出现在生焦段， 而且每个筒节的鼓胀程度有所不同，一般是下段筒体变形比较严重，越是往上的筒节， 变形越是轻，结果出现下大上小的情况，如图1 - 4 所示【1 7 , 3 3 - 3 8 】。而且所有环焊缝裂纹都 发生在熔合线上，开裂最严重的环焊缝，也是变形最严重的部位。 图1 4 筒体的鼓凸变形 f i g l - 4b u l g i n gd e f o r m a t i o no ft h ec y l i n d e a r 美国石油学会( a p i ) 调查表明碳钢塔的最大直径增长达4 - - 5 英寸( 1 0 1 1 2 7 m m ) ，随后 壳体发生穿透性破裂。国内，不同炼油厂的焦炭塔均发生不同程度的鼓凸变形，最大直 径增长达8 5 m m f 3 9 】。 前人对焦炭塔塔体鼓凸变形做了很多研究，早在5 0 年代，w e l ln a 等人就提出了 利用单位骤冷因素u q f 这一统计的和定性的判据来判定塔体的变形情况：u q f = 水骤冷 时间( 分) 焦炭产量( 吨) 。并认为，当u q f o 5 时，塔体的变形可以忽略不计，当u q f o 8 根本就不会产生变形。近几年来，随着延迟焦化工艺的迸一步发展，人们对塔体鼓凸变 形有了更多的认识，大致如下【1 5 3 7 4 5 4 6 】： ( 1 ) 焊缝与母材力学性能的差异。在焊接构件中，焊缝容易产生气孔、夹渣、未焊透、 热裂纹等缺陷，其本身就是隐患集中的地方。从对塔体变形区域的观测可以推测，由于 焊缝强度比毗邻的母材高，刚度也大，塔体在遇到高温产生变形的过程中很可能遇到环 向焊缝的阻碍作用，导致变形区域一分为二，因此焊缝周围和凸起与正常塔体的交界区 域应该是应力集中区域，可能导致塔体材料进入塑性阶段发生塑性变形。 ( 2 ) 前苏联h t 波霍金柯认为，塔体变形与塔体金属多次频繁的加热冷却形成的塑性 疲劳有关。裂纹产生的主要原因之一是在加热和冷却条件下变形的速度过快4 1 1 。另外， e l l i s 和p a u l 观察到塔内焦炭除靠近塔壁的部分稍有点空隙外，其余是结实的，若水激 5 第一章绪论 冷速度过快，水会在焦床的外围向上流动，首先冷却塔壁，使塔壁轴向温差增大，轴向 应力增加，因而认为水激冷操作阶段容易造成塔体鼓凸【4 2 1 。文献 3 7 1 的观点与此类同， 认为冷焦过程中液面逐渐上升，液面与塔壁相交圆周处的应力发生迅速的升高与回落， 由此产生的温差应力是导致塔体残余应力和鼓凸变形的主要原因。 ( 3 ) 文献【9 认为，焦炭塔的鼓凸主要是由高的热应力引起的低循环热疲劳造成的， 基于各筒节热应力幅不相同，膨胀程度也不一样，即便是筒节的同一部位，在不同的操 作阶段的应力幅也不相同，是一种变幅疲劳。 ( 4 ) 文献1 3 8 1 认为，焦炭塔塔体变形的原因，从宏观上可从变载作用下的棘轮效应和 周期性蠕变变形来解释。因为以前的塔体大多采用2 0 9 材料，受热应力棘轮和蠕变的影 响比较厉害。而文献 1 5 】却认为塔体的膨胀变形既不是热应力棘轮变形也不是由蠕变引 起的，而是由于焦炭塔充焦，特别是除焦急冷温差应力所造成的局部塑性变形，而且按 极性强度设计准则，塔体在正常运行时，控制急冷速度，即使有局部较大的塑性变形， 焦炭塔的应力水平亦能满足“安全性”的条件，不会无限膨胀和突然失稳。 1 1 2 3 其它常见故障 ( 1 ) 堵焦阀开口筒体处裂纹 塔体堵焦阀开口是处于裙座之上第一圈板侧面开口，用于预热阶段将塔顶油气引入 塔内，检测发现有的堵焦阀开口加强板角焊缝在塔壁一侧熔合线发现整圈裂纹，有的堵 焦阀开口处有放射性裂纹。角焊缝裂纹外缘均布许多大致平行、间跨大致相同的穿晶疲 劳条带，并且有些与条带垂直的二次裂纹，说明该裂纹是由热疲劳循环造成的；而开口 处的放射性裂纹可能是缺乏支撑的原因【】5 】。目前有些炼厂采取了取消堵焦阀的做法，采 用无堵焦阀焦炭塔开工和预热工艺流程 4 3 , 4 4 】。 ( 2 ) 塔顶接管的补强圈焊缝开裂 焦炭塔塔顶接管一般为贴板补强，即补强圈补强。补强圈与壳壁之间存在一层静止 气隙，传热效果差、温差大，易在补强的局部产生附件温差应力，抗热疲劳性能差；且 补强区域过于分散，补强效率不高，补强圈与壳体搭接刚性大，使角焊缝的冷却收缩产 生较大的约束作用，容易产生裂纹。因此，应将补强圈改为整体锻件补强【”】。 此外，焦炭塔在生产过程中还会遇到诸如底盖“烟袋锅 焊缝产生裂纹，裙座的底 座环斜铁外逸，地脚螺栓松动，球封头上安全阀开口裂纹等问题。 综上所述，我们可以看出焦炭塔塔体与裙座连接处焊缝开裂以及塔体鼓凸变形等一 系列故障主要与塔体材料和所受的复杂载荷有关，其中有关资料显示热应力在载荷影响 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 因素中达9 2 以上。焦炭塔所受的复杂载荷( 主要包括内压和热载荷) 是以低循环载荷的 形式作用在焦炭塔上的。所以本课题将采用有限元数值计算方法，以a n s y s 为计算平 台，建立焦炭塔的几何和有限元模型，分析焦炭塔在正常操作情况下的瞬态温度场、应 力场并对焦炭塔在循环载荷下的疲劳进行分析。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 温度场的研究 无论是循环载荷下的疲劳分析，还是循环载荷下的安定性分析，都必须先从温度场 入手，因为温差是焦炭塔热应力产生的条件之一，以前关于焦炭塔温度场的研究极少， 热应力计算就靠简单的内外壁温差，近几年来随着延迟焦化技术的进一步发展及其有限 元分析的应用，国内外学者在温度场方面做了大量的研究工作。 1 2 1 1 传统测量阶段 为了计算热应力必须先求得径向温差和轴向温度梯度，其中在确定径向温差时，由 于多相介质反应过程的复杂性及其流动的不确定性使得从理论上计算求解非常困难，传 统的方法是在壳体外壁上径向钻出一定深度的盲孔，通过热电偶或其它传感元件测定孔 口处及孔内一定深度处的变温历程，由此把温度大小与孔的深度按比例地推算内壁面处 的变温历程，最后求得内外壁的温差。如北京钢院测得某焦炭塔的塔壁2 0 r a m 深处与塔 外壁之间的最大径向温差为7 5 c ( 充焦时) 和7 3 ( 除焦水冷时) 【5 1 】；石油大学则根据南京 炼油厂和胜利炼油厂的数据推算得焦炭塔在一次操作循环中，其内外壁的最大径向温差 为4 6 3o c 【3 8 】；南京炼油厂根据测量外壁面以及l o m m 和2 0 m m 深处的变温历程，推测得 内外壁之间的最大径向温差为8 5 ( 预热时) 和7 0 ( 水冷时) 【5 2 】。 这种传统的以外壁径向钻孔法电测的器壁局部温差为基础数据，再按比例来推算内 壁温度求取内外壁的温差时，存在一定的人为误差和较大的系统误差，如忽视了器壁径 向温度分布是近似抛物线的实际情况，这应是造成该误差的一个主要原因。 工程师陈孙艺对其存在的人为误差和系统误差做了详尽的讨论，并指出可以通过理 论计算和实际测定两方面相结合的办法来消除一部分误差。如根据理论计算值描得的曲 线趋向，通过多个深度的测量值来拟合分布曲线，由此求取内外壁的温差；或者直接利 用多个深度的测温值来拟合抛物线作为近似的温度曲线来求解【5 3 1 。 1 2 1 2 稳定温度场计算阶段 由于焦炭塔进油或进冷焦水时与塔壁间所形成的边界条件不但是动态的而且是变 化的，使得塔壁的温度场理论模型十分复杂，1 9 9 6 年陈孙艺提出了一种新的求解温度场 7 第一章绪论 的办法，即根据焦炭塔实际的操作工艺，通过动坐标的方法求解焦炭塔径向和轴向的二 维动态稳定温度场，相对于整个塔壁的轴向来说，热焦或冷焦水的动态界面如果以速度 u 逐步上升，他在塔壁内产生的温度场属于运动的外热源在运动方向上引起的、以同样 的速度运动的二维非稳态温度场，但是如图i 5 所示，建立相对于介面静止而相对于塔 壁是运动的动态坐标系r o z ，则温度场相对于该坐标系不但是静止的，而且一旦建立以 后即处于稳定状态。假设介面在时间为零高度开始上升，经过时间t 后，介面以下一定 距离处的径向热传导已处于基本平衡的稳定状。同时介面以上一定高度处的部位因为还 没有受到介面的影响而仍保持原来的状态，该处的径向温度也是平衡的。由此即确定了 塔壁径向和轴向的二维热传导模型及其在动态坐标系中的稳态温度场的几何范围，即为 o a b d ，再根据热传导的差分法及其点算程序即可对该温度场进行求解岭副，而且进行 了迸一步的研究，找到了介质流量与该温度场的关系，流量的大小对塔壁径向的热冲击 不会有根本的改变，较大的流量则反而会有利于轴向温度梯度的降低【5 6 l 。 ， 图l - 5 塔壁二维温度场的动态坐标系 f i 9 1 s2 - d i m e n s i o n a ld y n a m i cc o o r d i n a t es y s t e mo ft e m p e r a t u r ef i e l d 温度场动态坐标的提出为温度场的求解提供了种新的方法，两且能应用程序进行 计算，相比前面的测量推算方法有了很大的进步，但是此法仍然有很多不足的地方，如 面临着手动编程的问题，还有即使求出相应的温度场，在进行热应力的计算的时候，材 料物性参数的参考温度值的选取还是需要通过平均温度来确定，没有考虑塔体和焊缝材 料的物性参数随温度的变化，所以对于热应力的计算来说是比较粗糙的。 1 2 1 3 有限元计算阶段 随着有限元软件的发展，有限元便捷、快速、专业的计算优点在温度场计算方面也 得到了认证，通过有限元理论和计算机软件，国内外学者也已对焦炭塔的许多问题进行 深入研究 6 1 巧3 1 。在文献 5 7 】中陈孙艺用美国研制的大型非线性有限元软件n i s a i i 对焦 炭塔温度场进行了分析，该软件可用直接积分法进行瞬态传热计算。文献 5 7 还根据有 限元分析程序的能力和要求，通过数学逼近计算确定了塔体材料的物性参数随温度的变 8 中国石油大学( 华东) g k a = 学位论文 化关联式，这对于热应力的求解是一次进步。然而，该方法仍存在误差，因为对于塔内 部介质的反应、流动状态等都没有考虑，而且也没有考虑轴向温差的影响【5 7 】。由于对焦 炭塔周向温度场的理论分析及实测工作还不够深入，文献1 - 5 8 从进料流态的角度分析了 周向温度场不均匀的成因及其影响因素，理论分析表明，气密和预热气径向进料、热油 和冷焦水经过弯头进料则是使介质在塔内产生偏流的主要因素，也就是造成焦炭塔运行 中周向温度场不均匀的直接原因【5 8 1 。而且在文献 5 9 中笔者又用有限元软件计算了由周 向温差引起的轴向不均匀应力，结果表明周向温差不仅是造成塔体摆动、地脚螺母松动 的主要原因之一，还是使塔体横截面产生蛋形变形的主要因素 6 0 1 。 此外，文献【6 5 】使用a n s y s 通用有限元软件实现塔壁温度场及应力、应变场随冷 却水液面上升的变化过程的数值模拟，其思路同文献 6 0 类似，只是对进水过程做了进 一步的细化。应用a n s y s 有限元分析软件的进行分析的还有文献 6 7 】，该文对塔壁各 主要操作阶段的温度场和热应力都进行了分析，详细介绍了有限元分析的过程。 国外对焦炭塔塔壁温度场的单独研究很少，文献 7 9 是关于温度场研究的，主要是 根据焦炭塔工作过程中的塔壁上不断变化的温度场，描绘了基本曲线图，然后根据强迫 函数，调整对流换热系数和不同的热学物性参数，并借助子有限元分析，得出相关数据 结果去拟合实际的基本函数曲线，也能得到较好的结果。但是没有详细的操作过程，无 法获知其内部实际分析操作过程。 1 2 2 边界条件的研究 焦炭塔内部介质的复杂状态及其不稳定的物理、化学反应等都是焦炭塔温度场计算 分析的一个难点，也是对研究温度场准确性的一个考验。 关于换热系数对焦炭塔温度场影响的研究最早是由陈孙艺提出的，他对介质在温度 不同的容器壳壁中产生的温度场用f o r t r a n 语言程序进行了差分求解，发现在其他条 件不变时，壳壁径向温差随着换热系数的增大而非线性的增大，当换热系数足够大时， 它的变化对壳壁的影响就逐渐显的较小【5 6 j 。这为后面对塔内对流换热边界条件的分析指 明了方向。 文献 8 0 8 2 】中对对流换热系数作了进一步的分析，将塔内复杂介质与内壁作热交换 时的所有影响因素都归结到流体的对流换热系数上。从优化结果上看，无论是在升温阶 段，还是在降温阶段，当塔内介质没有变换时，随着换热系数的稳步上升或下降，塔壁 温差也在相应的变化着，且比较平缓。而只有当塔内介质发生变换时，换热系数才发生 突变，这时候的塔壁温差也随之发生了陡变。这种对流边界的处理要是建立在条件简化 9 第一章绪论 的基础之上的，所以还不能准确反应出焦炭塔内部介质与塔壁内侧发生热交换时的变化 规律，只能在一定程度上反映其大致变化范围。 关于焦炭塔内部边界条件的加载，有研究者提到了一种新的单元生死技术【8 3 】。在焦 炭塔充焦和冷焦过程中，塔内液面( 热油和冷焦水) 是随时间以一定速度匀速上升的，单 元在液面到达以前没有温度，也就是说，代表焦体和冷却水的单元不是一次性参与计算， 而是随着液面的上升不断添加的。利用a n s y s 中的生死单元技术，在初始时刻将代表 焦体或冷焦水的单元全部杀死，然后再随着液面的上升不断激活这些单元，达到动态模 拟的效果。在整个的生产周期内，如果是流体进料，如预热蒸汽、热油和冷焦水等，则 将塔内壁定为第二类边界条件，即采用热流的形式加载，并且考虑到壁面温度随着时间 不断变化，因此热流密度采用时间函数的形式，这样既可以得到塔壁内温度场随时间变 化的关系，又可以避免试算对流换热系数带来的麻烦和不确定性【8 3 】；对于固体，如焦炭 和塔壁之间的传热，引入了接触单元，为温度场的分析提供了一个新的思路。 1 2 3 应力计算的研究 在应力计算分析方面，国内外目前已有了许多研究工作，但基本上是将焦炭塔简体 和裙座分开来考虑的，其研究内容分为静态和动态两方面。 静态方面的研究工作主要是对简体应力的计算和校核【6 1 【3 5 1 ，考虑到实际问题的复杂 性，对于焦炭塔的设计和应力校核，作为保守和大致判断，静态分析方法是可以的。静 态分析方法主要分别计算两种应力：焦炭塔筒体由内压引起的薄膜应力( 有时要考虑风 载引起的弯曲应力) ；由工作温度变化而引起的热应力( 分别由塔体径向和轴向温差引起 的热应力) 。在膜应力计算中，焦炭塔看作轴对称薄壁容器，在内压p 作用下引起的膜 应力为： 铲等，q = 鲁( 1 - 1 ， 万= l ，仃2 鼍_) 2 4 2 矗 式中o ，仃，轴向应力和环向应力； ，简体的直径和厚度。在计算温差z dh 引起的热应力时，一般分三个阶段讨论：蒸汽预热阶段、进油阶段和冷却阶段。考虑不 同的径向平均温差丁，利用下面公式获得相应阶段的热应力： o r 一：= 塑2 ( 1 - a ) 陆k 2 ) ( 1 - 2 ) 一z2 l 面一一j 式中e 弹性模量；泊松比；口线膨胀系数；卜筒体内外径之比。 最后一般都采用线性叠加获得综合应力。s c 献 8 6 从静态角度并利用平均温差研究了焦 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 炭体与筒壁之间的套合应力问题，研究结果表明在降温阶段其套合力对塔体的应力分布 影响很大。 动态方面的研究工作主要集中在塔体与裙座的连接处附近区域【6 8 - 7 t ，对筒体部分的 研究相对少一些【7 7 】【8 7 】。文献【6 8 ，6 9 研究了塔体与裙座的连接处结构的设计和优化，给 出了不同小半径r 对应力峰值的影响；文献 7 0 ，7 1 1 对不同的操作过程和材料分析计算 了裙座的热应力并优化设计了裙座的结构；文献 8 7 1 结合实测数据研究了升降温阶段裙 座上应力的分布情况，并提出一些保护措施；文献 2 研究了裙座上开槽位置对应力峰值 的影响，优化了开槽位置和大小。对于筒体部分，文献 8 8 利用轴对称模型对2 0 9 材料 进行了弹塑性分析，得到了仅在焊缝处有塑性应变；文献 3 0 采用了动态坐标研究了升 降温阶段筒体的弹塑性变形，指出了焊缝余高对塑性变形的影响，同时研究表明筒体上 也存在有塑性变形；文献 7 7 1 先利用测量技术获得筒体的实际形状，然后通过热应力分 析对鼓胀问题进行了疲劳和寿命评估。 关于疲劳寿命研究，虽然也采用了弹塑性分析，但是研究对象主要集中在焦炭塔筒 体上，而对于焦炭塔故障的敏感部位塔体与裙座的连接部位研究甚少。 1 2 4 疲劳问题的研究 1 9 世纪初，最早在驿站客车的车轴上发现疲劳失效，随着铁路在欧洲迅速发展，车 轴的疲劳失效成为一个普遍的问题，同时，铁架桥梁越来越多的代替砖石桥梁，桥梁的 疲劳问题也引起人们重视。第一个进行疲劳试验并提出试验报告的人是德国工程师 a l b e r t ，1 8 2 9 年他用铁链进行了反复加载试验。b r a i t h w a i t e 于1 8 5 4 年首次在论文中使用 “疲劳 这一术语描述了在反复施加的载荷作用下构件发生破坏的现象。1 9 世纪5 0 年 代至6 0 年代，w o h l e r 系统的进行了疲劳试验，他进行了全尺寸的铁路车轴疲劳试验， 并对几种不同材料进行了缩小尺寸的弯曲、扭转和轴向循环加载试验，采用s n 曲线的 形式提供了试验结果，提出了疲劳极限的概念，发现对疲劳失效来说，应力幅比最大应 力更加重要。在随后的3 0 年中，疲劳研究的主要进展是g o o d m a n 和g e r b e r 等人研究了 平均应力的影响，提出了反映平均应力影响表达式。整个1 9 世纪对疲劳的研究主要集 中在宏观规律方面，对于疲劳机制的认识是肤浅的，在很长一段时间内，认为在循环载 荷作用下，铁路变脆，将由“纤维状 结构转变为“晶体状结构，这种看法直至2 0 世纪2 0 年代才得到澄清。 2 0 世纪初，e w i n g 和h u m b e r 使用经过抛光并侵蚀过的试件进行疲劳试验，使用光 学显微镜观察了疲劳失效过程，发现了滑移线将导致疲劳失效的产生：随后g o u g h 研究 第一章绪论 了疲劳机制，他使用光学显微镜研究了铁、锌、银和锑等单晶体的疲劳失效过程，发现 滑移方向与最大切应力方向一致，滑移线能在低于疲劳极限的循环应力下形成。2 0 世纪 3 0 年代，n e u b e r 提出疲劳失效取决于缺口根部( 或裂纹尖端) 小范围内的平均应力而不是 缺口根部的最大应力。4 0 年代，p a l m g r e n 和m i n e r 提出了描述变幅疲劳失效的线性累积 损伤法则，为疲劳寿命预测提供了一个简单易行的办法。5 0 年代，i r w i n 提出了断裂力 学参量应力强度因子k ，同时f o r s y t h 发现在循环载荷作用下，金属表面发生挤出和挤 入，疲劳断口存在疲劳裂纹，深化了人们对疲劳机制的认识。断裂力学的发展推动了疲 劳问题的研究，6 0 年代，突出的进展有p a r i s 提出疲劳裂纹扩展的控制参量是裂纹尖端 应力强度因子范围a k ，m a n s o n 和c o f f i n 提出了低周疲劳失效方程，e l b e r 发现的疲劳 裂纹闭合效应。7 0 年代以来，由于汽车工业和航空工业的大发展，以及与此同时发生的 各种疲劳事故，使疲劳研究又进入一个崭新的发展时期，建立起许多大型实验室，并在 这些大实验室进行了大量的成本昂贵的疲劳试验。物理学家和冶金学家使用了电子显微 镜等现代分析测试手段，借助位错理论，力图从微观方面解释疲劳的基本现象，研究疲 劳失效的机制；工程技术人员借助高速计算机和系统。目前，大量的研究主要集中在疲 劳裂纹门槛值、疲劳短裂纹、变幅疲劳、环境介质及复合加载下的疲劳等【8 9 1 。 1 3 本文的主要研究工作和研究方法 焦炭塔作为延迟焦化装置中的核心设备，目前新建的焦炭塔都有向大型化和特大型 化发展的趋势，其工作周期长，操作工艺苛刻，工作过程中承受着剧烈变化的机械载荷 ( 内压和介质重量等) 和热载荷的反复作用，是典型的承受高温低周循环的压力容器，其 安全工作和使用寿命情况在整个生产周期中具有至关重要的地位。因此，对焦炭塔在循 环载荷下的失效分析是非常必要的。 1 3 1 研究内容 根据目前国内外的研究情况和工程实际的需要，本论文将主要对焦炭塔塔体与裙座 连接处附近区域进行循环载荷下的失效分析，具体内容如下： ( 1 ) 焦炭塔有限元分析模型的建立。主要包括两部分内容：焦炭塔几何模型的简化和 焦炭塔有限元模型的边界条件处理。 焦炭塔几何模型的简化。实际的焦炭塔模型结构庞大，工作周期长，考虑到建模 和分析计算的复杂性，在分析求解时不可能将各种因素都考虑在内，因此根据工程实际 的需要，将焦炭塔塔体上一些不必要的接管、平台等省略，将焦炭塔模型简化为局部轴 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对称模型，并考虑保温层和热箱的作用。 焦炭塔模型的边界条件确定。因为焦炭塔有限元分析的基础是动态温度场的分 析，所以本文模型边界条件的确定主要是指热分析边界条件的处理。对焦炭塔温度场来 说，影响其分布的无非是内外两个方面。一是内部介质与塔壁内侧的换热情况，二是塔 壁外侧保温层的保温状况。这主要表现在保温层的热物性参数( 主要是比热容c 。) 和内部 介质的换热系数上。 ( 2 ) 焦炭塔单一操作周期中的温度场和应力场分析。单一操作周期是焦炭塔循环工作 的一个基本单元，是研究的基础工作。主要包括温度场和应力场的分析两部分。 焦炭塔动态温度场的数值分析。根据焦炭塔工作周期的特点，将焦炭塔生产周期 划分为几个典型的阶段：升温、进油生焦、降温和除焦阶段。针对焦炭塔内部复杂的介 质状态，将塔内各种影响因素归结为对流换热系数的影响，便于问题的解决。 焦炭塔应力场的数值分析。在动态温度场分析的基础上，增加结构边界条件，进 行动应力场分析。 ( 3 ) 焦炭塔的安定性分析。棘轮效应是循环载荷失效的一种，本文将针对焦炭塔的热 机棘轮效应进行焦炭塔的安定性分析，判定焦炭塔的安全状态。 ( 4 ) 焦炭塔的疲劳分析。疲劳是循环载荷作用的又一种失效形式，本文将根据 j b 4 7 3 2 1 9 9 5 分析设计标准和新的a s m e 2 规范中的弹塑性分析标准进行疲劳寿命的 评定。 基于分析设计标准的疲劳分析。熟悉并掌握分析设计标准的理论和设计步骤，按 虚拟应力法计算焦炭塔在各种循环载荷( 内压和热载荷) 下的最大有效交变等效应力幅 值。 基于弹塑性分析方法的疲劳分析。了解新的a s m e 规范的弹塑性设计步骤，采用 逐个循环分析法，计算吸附器在各种循