（化工过程机械专业论文）焦炭塔温度场、应力场分析及裙座优化设计.pdf

摘要 延迟焦化是石油裂化的一种方法。其主要目的是将高残碳的残油转化为轻质 油并获得石油焦。焦炭塔是延迟焦化装置中的核心设备之一，其操作条件十分苛 刻，操作温度高，温度变化范围大，急剧升温和降温交替频繁，普遍存在着塔体 鼓胀变形以及裙座角焊缝、塔体环焊缝和堵焦阀接管部位出现裂纹等问题，严重 危害到焦炭塔的安全运行、生产效率和使用寿命。 焦炭塔的温度场和应力场的分析是研究焦炭塔结构强度以及失效机理的基础 工作。本文通过温度和应力测量以及有限元分析方法，对焦炭塔的温度场和应力 场进行分析，并对焦炭塔的裙座进行优化设计，主要工作和结论如下： ( 1 ) 利用a w h 一8 7 a _ 2 1 1 0 型高温应变计，跟随焦炭塔预热、生焦、冷 却、除焦全过程，连续测量五个操作周期内焦炭塔锥段附近筒体和裙座部位上的 三个测点的应变值，并计算了测点的应力。利用a n s y s 软件，求解焦炭塔在进 油和进水阶段内部温度场和应力场，并对特征点的应力进行分析。 ( 2 ) 从最大应力出现的特征点位置、各测点出现最大应力的时间方面对测 量值和有限元计算的结果进行了对比。在最大应力出现的特征点位置、各特征点 出现最大应力的时间两者上吻合的较好，表明建立的有限元计算模型是比较合理 的。 ( 3 ) 测量和有限元计算的结果均表明进水阶段考察的特征点的应力要大于 进油阶段的应力。进水阶段是焦炭塔操作过程的危险阶段。因此可在工艺上采取 以下措施防止焦炭塔的失效：降低进水前塔内温度、提高冷却水的温度。 ( 4 ) 在升温或者降温的过程中，塔壁的轴向应力都要经历一次拉应力到压 应力( 或者压应力到拉应力) 的变化，且塔壁的轴向应力一般要大于塔壁的环向 应力。因此，经过反复的循环加载，焊缝会因疲劳产生环向裂纹。 ( 5 ) 利用正交试验的方法，研究了柔性槽上孔上边缘到裙座角焊缝的距离 d 、槽长l 、槽宽w 、槽沿裙座一周均布的数量n 等四个参数对柔性槽上孔及裙座 角焊缝处的应力的影响，选取柔性槽参数的最优组合方案；并将优化后的模型与 按照柔性槽实际尺寸建立的模型的计算应力做比较，说明优化效果。 ( 6 ) 在裙座上开设柔性槽的确能降低裙座角焊缝处应力，但在槽上孔顶点 处存在很大的应力集中，塔内的最危险点由裙座角焊缝处转移到槽上孔顶点处。 i 摘要 槽上孔上边缘到裙座角焊缝的距离d 对柔性槽上孔顶点处和裙座角焊缝处应力 的影响最大。如果柔性槽参数选择的不合理( 尤其d 的取值较小时) ，槽上孔顶 点处的最大应力甚至超过不开槽时裙座角焊缝处的最大应力，对塔的安全运行反 而不利。经过优化后，与实际焦炭塔的计算模型相比，特征点的最大m i s e s 等效 应力分别下降了4 2 1 和5 7 5 ，取得了比较好的优化效果。 关键词：焦炭塔应力测试有限元分析裙座正交试验优化设计 n 硕士学位论文 a bs t r a c t d e l a y e dc o l ( i n gi saw a yo fo i lc r 虹n g i t sm a i np u 印o i st 0c o n w nh e a v y r e s i d u a lc r u d e0 i li i l t 0l i g h th y 出o c a f b o np r o d u c t sa n dc o k e c o k ed n 蛐i so 鹏o fn 硷 耐t i c a le q u i p r n e n ti i ld e l a y e dc o l 【i i l gu i l i t s ，i t so 即t i i l gc o n d i t i o 璐a r eb a d ，h l c l u d i i l g 也el l i g ho p e 阳t i i 唱咖e 豫：t u r e ，n l e 、 ，i d et 锄p e 阳：t u 坞v a 巧i l l g 阳n g e ，t l l e 自e q u 即n y 删c k r 培锄dc o o l i l l g t h eb u l g i i 培龇l dc r | 【i l 培i n 、) v e l da r e 弱c o m i i l 0 i l l y e x p e r i e n c e d i nc o k ed r u m s ，w i l i c hi 1 1 d u c e s r i o l l sh a n nt 0t 1 1 es a f e 0 p e r a t i o 玛 p r o d u c t i o ne m c i e n c ya n ds e n ，i c el i f eo fc o k ed r 哪s 1 k 觚a l y s i so nn 地t e i n p e r a n 聪f i e l da n ds 晚s sf i e l di nt l l eb o d yo fc o k ed r 哪i s t l l eb 舾i c 、o r kf o rr e s e a r c l l i i 培t l l e 舭t u 】o a ls t r e n g m 锄d 圮f 葡l u r em e c h a n i s mo f c o k ed m m s i nt l l i sd i s s e n a t i o n ，t l l em e t h o d so fm e 嬲l l r i n g 觚df i l l i t ce l e m e n t c a l 叫a t i o nw e r eu s e df o rm es 仃e s s 锄a l y s i s 趾da 1 1o p t i m 啪d e s i g no ft l l es l ( i r to f c o k e 出哪w 弱a c c o m p l i s ：h e d t h em 萄0 rr e s e a r c hw o r k s 锄dr e s u l t so ft h i s d i s s a l a t i o n 刮旧a sf 0 u o w s ： ( 1 ) t h et e m p e r a _ t u 陀觚ds t r a i na tm em r c es e l e c t e dp o i n t so n 恤c o k ed 1 u mi l lf i v e 0 p e 枷n g c y c l e s w 雠m e a s u r e d u s 吨 m ea w h 一8 7 a 一2 11 0 咖e l l i 幽m p 贸a t u r e 鼬函ng a u g e b a s e do nm em e a s u r e dr c s m t s ，t h es 缸- e s s e so f 廿1 em r e e p o i n t s 、v e r e c m c u l a t e d t h et e m l 婶r a t u a n dm eg 吮s sf i e l do fc o k ed r | 啪i n f e e d i n g - o i la n df c e d i i 培一w a t e rp e r i o dw c i r e 锄a l y z e db ya n s y sf i r l i t e e l e m e n t s o n 协r e ( 2 ) i i lt l l e 举p e c to fm es i t l l a t i o na i l dt l l eo c c u 玎i n gt i m eo fi i i a x i i l m ms t 陀s sa te a c h s e l e c t e dp o i n t ，t l l er e s u l t so fm e a s u r e m e n t 、e r ec o m p a r e d 、访t l lm er e s u l t so ff i l l i t e e l e m e n tc a l c u l a t i o n t h el o c a t i o no fm a x i i l l 哪s t r e s so b t a i l l e db ym e 嬲戚n gi s c o i i l c i d ew i t l lt l l a to b t a i n e db yc a l c u l a t i n g ，a l l dt l l eo c c u 玎i r l g 痂 i l eo fm a ) 【i r n 啪s t r e s s a te a c hs e l e c t e dp o i n tb ym e 弱u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o ni sa l s 0w e l lm 批d ，l e e s t 2 i b i i s h e df i n i t ee i a n e mm o ( i e li s 玎：a s o n a b l e ( 3 ) b o m 廿l er e s u l t so fm e a s u r e m e n t 孤1 dt h e s u l t so ff i i l i t ee l e m e mc a l c l l l a t i o n i n d i c a t et l l a tt ： l em a x 缅1 眦v o nm i s e s 鳓呜s sa tm es e l e m e dp o i n t si nf e e d i i 培一w 龇盯 p e r i o di sl a r g e rm 觚t l l a ti 1 1f e e d i n 分o i lp d o d 1 kf e e d i n g w a t e rp e t i o di sd a n g e r o 璐 i i lo p e r a t i i l gc y c l e t 、ot e c l l i l i c a lm e 嬲u r e sc 觚b et a l 【e nt 0p r e v e n tt h ef 撕l 嗽o fc o k e d n l m s ，0 r 坨i sl o w e r i i l gn l et e m p e m t u 佗o fc o k ed r u m sb e f 0 f e e d i n gw a t e r ，m l d 锄o t h e ri sr a i s i n gt h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n g w a t e r i i l a b s t r a c t ( 4 ) 1 k 戚a ls 骶s si n 也ew 砒lo fac o k e 蛔丽l le x p c r i e n c eav a r i a t i o n 舶m 衄s i l es n e s st 0c o m p r e s s i v es t r c s s ( 0 r 丘o mc o m p r e s s i v es t 陀s s 幻t e 璐i l es n e s s ) g e n e r a l l y ，t ：h ea x i a ls t r e s si sl a r g e rn l a nt l l eh o o ps t r e s si nt l l ew a l lo fac o k e d r u m s o ：屺c 疵u m f e r e n t i a lw e i d 州l lc r a c ku “e r l ef a t i g u e1 0 a d ( 5 ) 1 1 圮i n n u e n c eo ft h eg r o o v ep a 删啪t e 璐o nt l l es t r e s so ff i l l e tw e l d 粕dt l 把 g r o o v e sw 笛r e s e a r c h e db yo 幽g o n a le x p e r i m e n t t h eo p t i i n l 玎n 弱s e m b l yo fn l e 讲咖e t e 瑙w 嬲c 1 1 0 s e l l ，也ec a l c u l a t e dr e s u l t so f 1 eo p t i i l l 啪m o d e lw e 托c o m p a r e d 谢t l l 也er e s u l t so f 舭m o d e le s t a b l i s h e da c c o r d i i l gt 0 l er e a lc o k e 妇i l ls e i c e ( 6 ) m 地g r o o v e s i l lt 1 1 es k i r to f c o k ed r u mi sa b l et 0r e d u c e 恤m 删s 们s si n i t sf i l l e tw e l d h o w e v e r ，a tt l l es 赳n et i l n e ，n l e yw i l lc a u s es 缸e s sc o n c e m m t i o na tt 1 1 e u 1 ) p e rt o po ft h eg r o o v eo p i 跚【i n g s t h em o s td a n g e r o u sp o i i l ti i lt l l ec o k e h mw i l l 订躺f e rf b o mm ef i l l e tw c l dt 0m et o po f m eo p e 幽g s t h ep 锄m 咖d ，w l l i c hi sa d i s t a 】eb e 抑e e nt l l et o po ft l l eo p e i l i n g 觚dt l l ef i l l e tw e l d ，i st h en 1 0 s ti m p o r t a m f a c t o r 砌u e n c i n go nt l l es t r e s si nm ea r e ao ft h e 伽e tw e l d 瓤lm e 印o v e s i f 龇 c h o i c eo fm eg r o o v ep a r a m e t e r si su i 玳硒。瑾出l e ，t t l em a x i r m h ns t r e s si t lt l l em o d e lo f 铲0 0 v i n gw i ue x c e e dt l l a ti n 1 cm o d e lo f1 1 0 t 伊o o v i i 唱，w 1 1 i c h 、析nd oh a n nt 0 龇鼢f e o p e r a t i o no fc o k ed 1 1 l l n s a sc o m p a r e dt o 廿l e 糟s u l t s 缸吼t h ef i n i t ee 1 伽n tm o d e l e s t a b l i s l 埘a c c o r d i i l gt 0t l l er e a lc o k ed m mi i l n ，i c e ，廿l ev o nm i ss 臼e s sa tt l l e l e c t i e dp o i i i ti i lf i l l e t 、e l d 、) l ，i l ld e c r e a 4 2 1 锄d l ev o nm i s e ss n e s sa t 也e l e 硼p 0 缸o n m e t o po f g r o o v e 谢l ld e c 删e5 7 5 k e y w o i m s ：c o k cd r u m ；鼬陀s sm 翩鳓l 撒n e n t ；f i n j t ee l e m e n t 锄a l y s i s ；s 鼬； o n l l o g o n a le x p e r i m e n t ；o p t i m 哪d e s i g n 项士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 石油化工工业是我国国民经济的支柱产业，其生产特点是高温、高压、易燃、 易爆、易腐蚀。石化行业中的很多关键设备长期处于高温、高压、腐蚀的工作环 境中，容易产生各种形式的失效。设备长期安全稳定运行不仅可以降低企业运行 成本、提高产量和生产效率，更是安全生产的保证。随着现代化大工业的发展， 石油化工设备向着大型化、特大型化发展，设备一旦发生破坏，往往会产生重大 事故，给人民生命财产带来巨大损失。因此，确保石油化工设备的长期安全稳定 运行就成为科学家和工程技术人员研究的重要课题。 1 1 1 延迟焦化工艺 延迟焦化是一种石油二次加工技术，是指以高残碳的渣油为原料，在高温( 约 5 0 0 ) 进行深度的热裂化和缩合反应，生产各种轻质油和焦炭的技术。它是目 前世界渣油深度加工的主要方法之一。所谓延迟是指将焦化油经过加热炉加热迅 速升温至焦化反应温度，在反应炉管内不生焦，而进入焦炭塔再进行焦化反应。 延迟焦化是一种半连续工艺过程，一般都是一炉( 加热炉) 二塔( 焦化塔) 或二 炉四塔。加热炉连续进料，焦炭塔轮换操作。原料油经加热到4 9 5 5 0 5 进入 焦炭塔，待陆续装满( 留一定的空间) 后，改进入另一焦炭塔。热原料油在焦炭 塔内进行焦化反应，生成的轻质产物从顶部出来进入分馏塔，分馏出石油气、汽 油、柴油和重馏分油。重馏分油可以送去进一步加工( 如作裂化原料) 也可全部 或部分循环回原料油系统。残留在焦炭塔中的焦炭以钻头或水力除焦卸出。焦炭 塔恢复空塔后再进热原料。该过程焦炭的收率随原料油残炭而变，石油气产量一 般1 0 ( 质量比) 左右，其余因循环比不同而异【l j 。 1 1 2 焦炭塔及其运行工况 焦炭塔是延迟焦化装置中的核心设备之一，主体部分由球形上封头、简体、 下锥体、裙座构成。塔径一般为6 9 米，塔高可达3 0 米，塔壁厚一般在2 0 3 6 毫米，属于典型长径比小的薄壁容器。塔内分两个区域：泡沫段和生焦段。 第1 章绪论 其结构示意图见图卜l 。 水力除焦入口 上 油气出口 焦炭及水出口 图卜l焦炭塔结构示意图 f i g 卜lt h es 仃u c t u 心s k e t c h o f c o k ed 咖 口 焦炭塔的操作条件十分苛刻，操作温度高，温差变化范围大，急剧升温和降 温交替频繁。其工作流程见表卜1 。 表卜l 焦炭塔4 8 小时操作周期工作流程 t a b l e l lm o p e 咖p r o c e s s o f c o k e d 吣i r i a 4 8 h o u 礴c y c l e 2 硕士学位论文 1 2 焦炭塔的研究现状 焦炭塔是延迟焦化工业中的重要设备，我国从6 0 年代开始投产延迟焦化装 置。目前大多数已经超出了服役年限，并且普遍存在着塔体鼓胀变形以及裙座角 焊缝、塔体环焊缝和堵焦阀接管部位出现裂纹等问题，严重危害到焦炭塔的安全 运行、生产效率和使用寿命。再加之新建焦炭塔都有着向大型化的发展趋势，因 此国内外工程技术人员和学者一直都非常重视焦炭塔的研究工作。a p i ( 美国石油 协会) 于1 9 6 8 、1 9 7 9 、1 9 9 6 年对焦炭塔进行了3 次调查；1 9 9 5 年中石化总公司 曾对国内l o 家炼油厂的延迟焦化装置组织过调查；2 0 0 3 年中石化工程建设公司 也对国内部分炼油厂的焦炭塔进行了调查。目前的研究工作主要集中在以下几个 方面：焦炭塔失效机理的研究；焦炭塔温度场、应力场的实测和数值模拟；焦炭 塔设计中包括材料、结构( 含保温层结构) 等的改进以及焦炭塔剩余寿命的预测。 1 2 1 焦炭塔失效机理的研究 国内外对焦炭塔缺陷机理方面的研究工作开展的比较早，取得了一系列研究 成果。研究人员在测试、试验和分析的基础上，尝试从多学科、多角度展开研究 与探讨，因此存在多种观点，但普遍认同焦炭塔问题不是单一因素所造成的。 1 2 1 1 鼓胀的机理 a p i 对焦炭塔进行的三次大规模的调查结果表明【2 捌，在焦炭塔寿命的早期 阶段，鼓胀变形仅局限于底部，随着时间的推移，上部产生的增长变得更明显。 对于碳钢制造的焦炭塔，这个变形最为明显。在这些塔上的某些鼓凸，可以使直 径增大2 0 3 2 5 4 c m 。而碳钼钢和铬钼钢焦炭塔则表现出较小的径向增长。 ( 1 ) 屈曲 由于焦炭塔为承受轴压与内压的圆柱薄壳，很可能发生屈曲。h o l 鲫r 0 地一 综合考察了环向轴对称缺陷和焊接残余应力对圆柱薄壳屈曲的影响，结果表明残 余应力能提高圆柱壳的屈曲临界荷载。当壳体内同时承受很大的内压时，可能在 局部首先屈服，进而加速壳体的屈曲，发生“象脚”破坏。由于焦炭塔的环焊缝 对筒体的变形具有一定的约束作用，若将环焊缝视作边界，则筒体的鼓胀变形与 “象脚 破坏非常相似。有研究结果表明【5 1 ，在循环的轴向热梯度与轴压作用下， 第1 章绪论 圆柱薄壳的径向位移随着循环次数增多而增大，直至发生屈曲。但至今仍未见有 从屈曲的角度来探讨焦炭塔的鼓胀问题的相关成果，因此对这一观点的证实还有 待于进一步研究。 图l - 2 焦炭塔鼓胀示意图 f i g 卜2b u l g i n go fc 0 _ i d | 嘲s 图l - 3 屈曲示意图 f 追1 - 3n e d e f 0 衄a t i o no f b u 嘲i i l g ( 2 ) 蠕变一疲劳交互作用 焦炭塔材质在操作温度下发生蠕变是可能的。但测量结果显示【6 】，在一个循 环中，塔内温度超过4 0 0 时，塔壁的应力并不高，由此产生的蠕变变形不明显。 从焦炭塔鼓胀变形最严重处取样进行金相分析的结果也证实了这_ 点邮】。由此 可见，蠕变并非形成鼓胀的主导因素。 ( 3 ) 焦炭的影响 e l l i s 和h a r d 证g 网发现塔内生焦的横向热膨胀系数比塔壁材料大。因此冷焦 过程应缓和，避免较大温差，但如果塔壁的冷却速度比焦炭快，则塔壁就会受到 焦炭的压力，从而可能导致塔体的鼓胀。 ( 4 ) 热冲击 1 9 9 8 年，e l l i s 和p 眦l 【1 0 】观察到，塔内焦炭只在沿塔壁的部分稍有点孔隙。水 冷时会在焦床的外围向上流动，若水激冷速度过快，会使塔壁轴向温差增大，轴 向应力增加，因而认为水骤冷操作阶段容易造成塔体鼓凸变形。美国把w e i l 单位 骤冷因数u q f ( 即焦炭塔冷焦时水骤冷的时间与单塔的焦炭产量的比率) 作为防 变形设计的判据来指导焦炭塔的防变形设计。根据该判据，u q f o 5 0 时，塔体 鼓胀可忽略不计，u q f 0 8 0 时，塔体不存在鼓胀【l l 】。 ( 5 ) 热棘轮效应 4 项士学位论文 当结构承受的荷载或温度循环变化时，如果荷载或温度高于某一极限值，应 力或应变会随着循环次数的增加而不断地积累，最终导致结构由于超过承载容限 或发生过度变形而失效，这种现象称为棘轮效应。b o s w e l l 【1 2 】认为，当焊缝强度 高于母体金属的强度，并且存在轴向温差时，应力热棘轮才会发生，这正与焦炭 塔的情况相符。 ( 6 ) 局部应力 在焦炭塔的循环操作过程中，内压、介质重量和塔的自重引起的应力很小， 远未达到屈服极限。但在焦炭塔的应力测量中，发现局部区域出现了接近和超过 材料屈服极限的应力【4 1 3 】。 1 2 1 2 开裂的机理 根据美国石油协会对焦炭塔的第三次调查报告( 1 9 9 6 1 9 9 8 年) 例，焦炭塔 主要的开裂部位有：裙座与塔体的焊接处开裂、筒体环焊缝以及镀层开裂。 裙座的开裂主要出现在裙座与塔体焊接处以及柔性槽的开孔处，m c h 砌【1 4 】 等认为，裙座的开裂是由于预热时，裙座的膨胀程度不如塔体充分，在连接处产 生了热应力，从而在焊缝、柔性槽这些尺寸突变处出现应力集中，产生裂纹。 简体的裂纹主要出现在焊缝附近，且主要是环向的。研究表明【1 5 】，当塔内存 在严重温度梯度时，轴向应力大于环向应力，在轴向应力作用下，许多环向浅裂 纹扩展并连接发展成深裂纹。p e n s o 的实测结果表吲1 6 】，最危险的是热影响区裂 纹，它们通常会扩展成深裂纹，并且裂纹与峰值应力方向垂直。同时，由于出现 鼓胀后，引起局部的曲率增加，塔内的轴向温度梯度以及焦炭与塔壁的相互作用 变得更为严重，进一步加速裂纹的扩展。 p e i l s o 等【1 6 】将焦炭塔开裂的原因总结为以下几方面：热冲击是浅裂纹萌生的 直接原因；浅裂纹在塔体内表面随处可见，特别是几何尺寸变化处，在热影响区 浅裂纹会进一步扩展为深裂纹，并最终发展成穿透塔体的裂纹；其次，环境和介 质的腐蚀被认为是导致开裂的另一诱因。由各种腐蚀产生的微缺陷成为应力集中 点，从而引起裂纹萌生和加速裂纹扩展。另外，腐蚀与疲劳的交互作用也是一个 可能的原因。由于环境和介质的腐蚀，金属的疲劳性能会降低，从而加速表面裂 纹的扩展。 除了以上关于焦炭塔失效机理的观点外，暨南大学刘人怀【”】做了大量总结研 第l 章绪论 究工作，归纳出焦炭塔鼓胀变形机理为：在初始预热和急冷阶段，塔体产生了严 重的热梯度，在局部区域引起了超过塔体材料屈服极限的热应力，并且由于环焊 缝金属与塔体母材金属强度的差异，简节变形受到约束，向外鼓凸，随着循环次 数增多，塑性变形不断积累，最终出现了严重的鼓胀。前苏联h t 波霍金柯认 为【1 8 】，塔体变形和开裂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，因而通过控制 升降温速度可以减缓变形。也有学者认为【1 9 】，焦炭塔的失效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，鼓胀程度也不一样， 即便是简体的同一部位，在不同操作阶段其应力幅也不相同，是一种变幅疲劳， 其疲劳分析方法应与常规疲劳分析不同。 图卜4 焦炭塔的疲劳裂纹 f 谵1 4f a t i g u ec 托i c k si nac o k ed m m 1 2 2 焦炭塔温度场和应力场的实测与数值分析 国内很早就有学者进行了大量的焦炭塔温度场和应力场的实测工作，较全面 的分析了焦炭塔温度场和应力场的变化规律，获得了宝贵的第一手资料，为后续 的研究工作积累了珍贵的数据。 焦炭塔温度场和应力场的数值分析研究得益于计算机和大型仿真软件的发 展。但由于焦炭塔内部的温度场十分复杂，在塔的内外壁及轴向，甚至环向都存 在着温差并且其操作工况比较复杂，导热系数、对流系数等边界条件难以确定， 生成的焦炭对温度场、应力场也存在影响，而且其物性也同样难以确定。因此， 焦炭塔温度场数值分析模型的建立也十分困难。目前比较普遍的做法是【2 0 2 1 1 ，由 于焦炭塔塔壁环向温度场的不均匀性并不十分强烈，因此将塔简化为轴对称模 翟 项士学位论文 型；边界条件的确立往往根据经验推算塔壁与介质之间、保温层与外环境之间的 换热系数，也有通过实测获得直接获得塔外壁测点的温度并利用插值法得到整个 塔外壁的温度作为边界条件：使用动态坐标系模拟塔内介质的爬升过程用以加 载。茂名石化公司陈孙艺【2 1 2 2 ，2 3 1 在这方面做了一系列工作，比较全面地分析了塔 壁温度场的特性，其结果与实测的变化趋势比较吻合，并在此基础上对焦炭塔应 力场的特性做了分析。得出应力主要是由于热应力引起，最大部位往往出现在锥 形下封头与塔体连接处、裙座角焊缝以及进料液面附近温差变化较大处。 k e i 廿la d i 础e n z 和j wj 0 n e s 阱】于九十年代初应用a n s y s 软件对焦炭塔的 鼓胀容限进行过分析研究。关于容器可安全运行的极限载荷，其确定方法是：通 过线性分析对最大载荷进行估算，并把该载荷应用到模型中去，通过大位移分析 获得收敛解，以确信每次计算的应力值低于材料的屈服极限。 总之，焦炭塔的操作工况决定了其内部温度场和应力场的复杂性，简化了的 数值模拟模型也只能做定性的分析，反映其变化的规律而不能准确的确定某个时 刻的真实温度和应力，必须与实测结果结合起来才能取得比较好的分析结果。 1 2 3 焦炭塔的设计及制造工艺的改进 在对焦炭塔失效机理的研究以及焦炭塔温度场、应力场分析的基础上，近年 来焦炭塔的设计及制造工艺有了很多改进，例如： ( 1 ) 选材上用铬钼钢代替碳钢，我国早期焦炭塔主体材料都是碳钢，后来普 遍采用2 0 9 。而在焦炭塔内介质温度高达4 9 0 ，在这样高的温度下长期运行，2 0 9 材质会产生珠光体球墨化和力学性能下降，导致塔体变形，寿命缩短【2 5 1 。而铬钼 钢耐热强度高，抗腐蚀性能好，满足焦炭塔恶劣操作条件的需要。而且a p i 调查指 出【1 3 】，焦炭塔筒体材料倾向提高c r 和m o 合金的含量，这样可以具有更高的屈服强 度、蠕变强度和抗疲劳破坏的能力。2 0 0 0 年2 月，我国第一台铬钼钢焦炭塔于上海 投产。 ( 2 ) 由于塔体环焊缝在操作环境下容易产生裂纹，甚至贯穿导致泄漏失效， 并引起塔体“糖葫芦状鼓胀变形，从减少环焊缝数量考虑，美国芝加哥桥梁与 铁件公司开发了一种独特的多瓣式焦炭塔，并申请了专利【2 6 】。这种形式的焦炭塔 以纵焊缝为主，尽量减少环焊缝。 ( 3 ) 简体采用整体热处理的方式。2 0 0 4 年，中国石化工程建设公司与上海某 7 第1 章绪论 热处理公司合作，在山东某石化公司直径为8 8 0 0 m m 的焦炭塔上采用立置燃油法整 体热处理方案，成功的实现了塔体整体热处理。与分段热处理相比，整体热处理 以柴油为燃料，设备简单，占地面积小，施工时间短，投资省，而且只对设备进 行一次加热，热处理质量好【2 7 1 。 ( 4 ) 对裙座、简体、锥体连接处采取整体锻焊的结构代替原来堆焊的形式。 裙座与简体的连接方式有对接型、搭接型、堆焊型和整体型4 种。1 9 9 5 年a s m 巳石 油化工设备与服务部的一份报告【2 引，介绍了对这4 种结构的应力分析，并进行了比 较，具体见下表l _ 2 。 表l _ 2 裙座不同焊接结构的应力分析 1 a b i e l - 21 ks 晚豁a n a l y s i s d i 彘崩l tw e i d i l l gs 虮l 嘲鹏so f s k i r t ( 5 ) 采用背带式的保温结构 采用背带式的保温结构既可以保证保温效果，而且能避免塔体上焊保温钉和 保温支持圈，从防腐蚀和抵抗热疲劳载荷的角度均有利于焦炭塔的安全运行。中 国石化工程建设公司和淄博北岳防腐公司已共同获得此保温结构的专利【2 9 】。 1 2 4 焦炭塔的寿命预测研究 焦炭塔的寿命预测研究工作主要建立在无损检测和断裂力学的基础上，我国 的参照标准主要有压力容器安全技术监察规程、在用压力容器检验规程、 承压设备无损检测( j b 厂r 4 7 3 0 _ 2 0 0 5 ) 、钢制压力容器( g b l 5 0 一1 9 9 8 ) 、在 用含缺陷压力容器安全评定( g b 厂i 1 9 6 2 4 2 0 0 4 ) 、钢制压力容器分析设计标准 ( j b 4 7 3 2 1 9 9 5 ) 等。目前普遍认可焦炭塔的失效模式为低周热机疲劳，其寿命 是一定应力范围下经历的循环次数，而不是单纯时间的函数。因此，对焦炭塔寿 命的预测主要是对低周疲劳裂纹的扩展至断裂所经历循环次数的估计。目前关于 8 硕士学位论文 焦炭塔疲劳寿命预测的各种方法主要有缺陷容限法【3 1 1 、应变一寿命曲线法【3 2 1 、 神经网络方法【3 3 1 、p a 】m 鲫即一m i l l e r 法瞰j 5 1 、寿命外推法【3 6 】、秒投影法【3 7 1 等。以 上各种预测方法当中所涉及数据均需对焦炭塔进行现场实测得到。工程应用中已 有比较成熟、有效的一套测量与评估的方法与措施。例如：英国电气研究协会 ( e r a ) 技术公司受世界各地许多企业委托，经过1 0 年的高温应变实测分析和研 究【1 9 】，建立了一套完整的焦炭塔疲劳寿命的蒙特卡罗( m o n t ec 砌o ) 概率统计评估 方法，可以确定疲劳裂纹从形成到扩展失效的总寿命，并开发出用于指导焦炭塔 检测和维修的软件。美国的c i t g op e 昀l 咖公司也摸索出一套适合自己的预测 方法【1 4 】。下图是寿命预测工作的一般步骤。 图卜5 寿命预测工作的一般步骤 f i g 1 - 5t h eg 铋e m lp 删；e d u 旭0 f l i f e 肿e d i c t i 彻 j m c t m r c h 和l b l i m 应用可靠性技术对焦炭塔的开裂失效期限进行了预 测，可靠性表示在相应循环周期下不会发生穿透裂纹的百分率【1 9 1 。 延寿技术在国外一些关键的压力容器设备方面已经开始应用。我国起步较 晚，但近年来，随着一大批压力容器即将到或超出服役期，大量工程技术人员和 学者投入到延寿技术的研究中，已经取得了一定成果。 1 3 论文研究的目的和主要内容 1 3 1 课题来源 本论文为科技部社会公益研究专项项目( 2 0 0 4 d i b 2 j 0 5 卜0 3 ) 子项目的部分 9 第l 章绪论 工作，一是针对茂名石化炼油厂新焦化二车间焦炭塔西塔高应力应变部位进行高 温应力测试，并对该塔建立轴对称有限元模型进行温度场、应力场的数值分析， 并与应力测试结果做比较，验证计算模型；二是针对中国石化股份有限公司广州 分公司在役的t 1 0 l l ，2 ，3 ，4 焦炭塔所出现的裙座柔性槽开孔裂纹问题，拟进行裙 座柔性槽的优化设计分析。中国石化股份有限公司广州分公司t 1 0 1 l ，2 ，3 ，4 焦炭 塔，建于1 9 9 4 年，1 9 9 6 年1 0 月投入运行。t 1 0 l l ，2 ，3 ，4 焦炭塔原设计的出焦量 为8 0 万吨年，1 9 9 6 年至2 0 0 0 年期间，生焦的生产周期为4 8 小时批次，自2 0 0 0 年以后，出焦量为l o o 万吨年，生焦的生产周期为4 0 小时批次，设备一直处于 超负荷运行。2 0 0 6 年全面检查过程中发现有塔中下部有鼓凸变形、裙座柔性槽开 孔裂纹、塔体倾斜、材质老化等现象。 1 3 2 研究目的 ( 1 ) 通过对焦炭塔高应力应变部位进行在线测量，取得特征部位的整个运 行过程应力变化值和应力分布规律： ( 2 ) 通过对焦炭塔温度场、应力场的有限元计算结果与实测结果的对比， 验证焦炭塔有限元计算模型的合理性，得到能够比较真实的反映焦炭塔温度场、 应力场及其变化规律的数值计算方法。 ( 3 ) 对焦炭塔裙座柔性槽部位的应力状况进行计算，考察不同参数柔性槽 的应力水平，从而选取柔性槽参数的最优方案。对焦炭塔的设计及维护起到一定 指导作用。 1 3 3 主要研究内容 ，( 1 ) 绪论 了解延迟焦化工艺和延迟焦化装置中核心设备之一焦炭塔的基本结构 和运行工况：了解焦炭塔的相关研究工作进展，重点了解焦炭塔的失效形式和失 效机理以及温度场、应力场的研究工作。 ( 2 ) 有限元的热一结构耦合求解 了解有限元法的基本原理和在弹性力学平面问题和传热学中的运用；了解 a n s y s 有限元分析软件：掌握运用a n s y s 软件求解热一结构耦合问题的方法。 ( 3 ) 焦炭塔的在线高温应力测试 1 0 硕士学位论文 尽管焦炭塔工作压力不高，但运行温度极高，体积大，瞬间升温和瞬间冷却 的工艺过程引起焦炭塔温度不均匀引起某些结构复杂部位应力值很高，存在安全 隐患。以前限于应变计无法承受5 0 0 左右高温而不能给出准确的应变值，对焦 炭塔应力变化分布研究不多。本次试验利用a w h 一8 一 卜2 一1 1 o 型高温应变计8 只，跟随焦炭塔预热、生焦、冷却、除焦全过程，连续测量焦炭塔锥段附近筒体 和裙座部位上的三个测点的应变值，同时记录各测点温度变化，以修正由温度引 起的误差； ( 4 ) 焦炭塔温度场和应力场的数值模拟 利用a n s y s 软件，建立轴对称模型，采用间接耦合法求解焦炭塔的热一结 构耦合问题，获得焦炭塔在进油和进水阶段内部温度场和应力场的变化规律，对 特征点的应力状况做出分析，并比较特征点实测和数值计算的结果，验证计算模 型是否合理。 ( 5 ) 基于正交试验和数值模拟方法的焦炭塔裙座的优化设计 利用正交试验的方法，安排焦炭塔柔性槽参数的组合方案，根据正交试验方 案建立不同的数值计算模型，计算柔性槽上孔及裙座角焊缝处的应力，将其最大 m i s e s 等效应力作为正交试验结果进行直观分析，考察各参数的影响，选取柔性 槽参数的最优组合方案：并将优化后的模型与按照柔性槽实际尺寸建立的模型的 计算应力做比较，说明优化效果。 ( 6 ) 论文研究工作总结，并对进一步工作进行展望。 第2 章有限元的热结构求解 第2 章有限元的热一结构求解 2 1 有限元法的概况和基本原理 2 1 1 有限元法的基本原理 对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状和荷载作用方式复杂，想 要求得解析解是非常困难甚至是不可能的。因此，人们在广泛吸收现代数学、力 学理论的基础上发展了各种数值解法，如有限差分法、边界元法、有限元法和离 散元法等，它们是目前解决工程技术使用的最多的方法。但就其实用性和应用的 广泛性而言，主要还是有限单元法。最初这种方法被用来研究复杂的飞机结构中 的应力，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机的结合在一起的种数值 分析技术。有限元法的基本思想是【3 8 】： ( 1 ) 假想把连续系统( 包括杆系，连续体，连续介质) 分割成数目有限的 单元，单元之间只在数目有限的指定点( 节点) 处相互连接，构成一个单元集合 体来代替原来的连续系统。在节点上引入等效载荷或边界条件，代替实际作用于 系统上的外载荷( 或边界条件) 。 ( 2 ) 对每个单元由分块近似的思想，按照一定的规则建立求解未知量与节 点相互作用之间的关系 ( 3 ) 把所有单元的这种特性关系按一定的条件集合起来，引入边界条件， 构成一组以节点变量为未知量的代数方程组，求解得到有限个节点处的待求变 量。 所以，有限元法实质是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限 个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。 2 1 2 弹性力学平面问题有限元法 有限元法最先在力学领域得到广泛运用。1 9 6 0 年美国wc l o u 曲教授在 一篇题为平面应力分析的有限单元法的论文中首先使用有限单元法( 位f i i l i t c e l 咖e n tm e t h o d ) 一词，此后这一名称得到广泛承认。下面简单介绍弹性力学平 面问题的有限元法【3 9 】。 假设有刀个节点的平面单元，通过选择恰当的位移函数，可用节点位移表示 1 2 硕士学位论文 单元中任一点的位移： p g ，y ) = 【g ，j ，凇) 。 ( 2 1 ) 式中g ，j ，) 称为形函数，它只与单元节点坐标及其相应的坐标变量有关，完全 由单元的原始形状所决定，而与节点位移无关。形函数有以下特点： ( 1 ) 单元内任一点的刀个形函数之和为l ，即： j = l ( 2 2 ) ( 2 ) 在节点f 上，m = 1 ，其余形函数为0 ，即： m g m ) = 髋歹 ( 2 - 3 ) 根据位移与应变的关系，可以得出单元内任一点的应变和节点位移的关系： p g ，y ) = 陋】p 。 ( 2 4 ) 式中，陋】称为几何矩阵，再由本构方程，可以确定单元内任一点的应力和节点 位移的关系，可表示为： p g ，y ) = 【d g ，y ) ) = p p y ( 2 5 ) 式中，【d 】称为弹性矩阵，根据虚功原理，可以进一步确定节点载荷和节点位移 之间的关系： 扩广= 肛】r p p 抄p y = k r p y ( 2 6 ) 式中k r 称为单元刚度矩阵。单元的体力、面力都可以转化为节点等效力。这样 就建立起了单元体力、面力和单元节点位移之间的关系。 以上是对一个单独的单元进行分析，最终目的是要将离散的单元通过所有节 点几集合起来成为原系统进行整体分析。对于一个已编排好节点号的系统，按照 节点号叠加单元刚度矩阵就可得到总体刚度矩阵k 】，再引入一定的边界条件就 可求解弹性力学问题。 扩) = k ( 2 7 ) 2 2 有限元法在传热学中的运用 2 2 1 导热和对流传热的数学描述h o 4 l j ( 1 ) 导热 1 3 第2 章有限元的热结构求解 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子 的热运动而产生的热量传递称为导热( 或称热传导) 。 导热现象的规律己经总结为傅里叶定律，可表达为：单位时间内传递的热量 与温度梯度及垂直于导热方向的截面积彳成正比，即： = 旯g r 口订彳( 2 8 ) 式中的单位为形；g 朋订为温度梯度：五称为导热系数，单位为矿如k ) ， 它与物体的材质和温度等因素有关。对单位面积而言： g = 以删 ( 2 9 ) g = 佛罟r 口盯lu y j g 称为热流密度，单位为形所2 。 导热问题完整的数学描述包括导热微分方程及定解条件。根据傅里叶导热定 律和能量守恒定律，导热微分方程可表示为： 伊鲁= 昙( 旯罢 + 导( 名等 + 尝( 旯警) + 击 c 2 一。， 这就是在直角坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般形式。对非稳态导热问 题，定解条件有两个方面，即结出初始时刻温度分布的初始条件，以及给出导热 物体边界上温度或换热情况的边界条件。 初始条件，即初始温度场的分布； r i ，暑o = 丁g ，y ，z ) ( 2 1 1 ) 第一类边界条件，即任何时刻边界面上的温度分布规律； 丁= 丁b ，y ，x ，) ( 2 一1 2 ) 第二类边界条件，即任何时刻边界面上的热流密度分布规律： g =