焦炭塔熱應(yīng)力分析計(jì)算

趙志陽，欒江峰，謝騰騰, 崔明吉

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001; 2. 撫順遠(yuǎn)宏石化設(shè)備科技開發(fā)制造有限公司，遼寧 撫順 113008）

焦炭塔熱應(yīng)力分析計(jì)算

趙志陽1，欒江峰1，謝騰騰1, 崔明吉2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001; 2. 撫順遠(yuǎn)宏石化設(shè)備科技開發(fā)制造有限公司，遼寧 撫順 113008）

利用ABAQUS軟件模擬出了焦炭塔工作周期內(nèi)的溫度變化、應(yīng)力變化。采用順序耦合的方法分析焦炭塔所受的熱應(yīng)力。分析從新塔準(zhǔn)備直至老塔處理，其中共包括５個(gè)工作階段。結(jié)果顯示，幾個(gè)階段的溫度場(chǎng)分布對(duì)應(yīng)力結(jié)果有顯著影響。試壓、油氣預(yù)熱、生焦的初始階段比較類似，都處于溫度上升階段，最大應(yīng)力出現(xiàn)在裙座部位，分別為183.6、242.7、250.4 MPa，且焊縫處應(yīng)力大于筒體。吹汽階段塔體溫度下降，焊縫處應(yīng)力小于筒體應(yīng)力。水冷階段的應(yīng)力分布類似于溫度分布，存在一個(gè)隨冷焦水不斷移動(dòng)的高應(yīng)力截面，其中最大應(yīng)力可達(dá)400.4 MPa，已超過了材料的屈服極限，導(dǎo)致筒體出現(xiàn)了局部塑性變形。經(jīng)反復(fù)循環(huán)，會(huì)引發(fā)“熱應(yīng)力棘輪”現(xiàn)象，由于塑性變形的不斷積累，故造成焦炭塔的鼓脹現(xiàn)象。

焦炭塔；溫度；熱應(yīng)力；耦合分析

Abstract:Software ABAQUS was used to simulate the changes of temperature and stress of coke tower in the working period. The sequential coupling method was used to analyze the thermal stress of coke tower. Thermal stress analysis of the five periods was conducted firstly. The results showed that, the temperature field distribution obviously affected the thermal stress results. There was a temperature rising during the period of pressure test, oil preheating and coking,the thermal stress of these three periods was similar, the max stress located in the skirt and the maximum values were 183.6, 242.7 and 250.4 MPa, respectively. The stress of the weld was greater than that of the cylinder. The temperature reduced at the stage of steam blowing, and the stress of the weld was less than that of the cylinder. The stress distribution was similar to the temperature distribution during water cooling. There was a high stress gradient section which was moving with the water. The max stress was 400.4 MPa, which exceeded the yield limit of the material to cause the local plastic deformation. Thermal stress ratchet will occur after lots of process cycles. The plastic deformation will accumulate constantly, which can eventually lead to the distortion of the tower.

Key words:Coke tower; Temperature;Thermal stress;Coupling analysis

延遲焦化屬于煉廠二次加工方式，其工藝簡(jiǎn)單，成本低，被廣泛應(yīng)用在重質(zhì)油的加工中，同時(shí)也是提高煉油廠輕質(zhì)油收率的重要手段。作為延遲焦化裝置中核心設(shè)備的焦炭塔，向大型化發(fā)展是其必然趨勢(shì)。焦炭塔是典型的高應(yīng)力低周循環(huán)的壓力容器，操作工藝嚴(yán)格，具有很長的循環(huán)周期，并且循環(huán)過程中不斷承受著熱載荷與機(jī)械載荷的反復(fù)作用。只有焦炭塔保持平穩(wěn)安全的運(yùn)行，才能使整個(gè)焦化裝置連續(xù)生產(chǎn)。

1 焦炭塔的工藝特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

焦炭塔的工藝特點(diǎn)是間歇生產(chǎn)，操作順序固定，時(shí)間概念性強(qiáng)，溫度壓力隨生產(chǎn)周期性變化，溫度變化曲線見圖1所示。各個(gè)循環(huán)周期必將經(jīng)歷常溫加熱到最高操作溫度，由于生焦周期短，故溫度變化速度快[1]；原料在焦炭塔中發(fā)生裂解、縮合反應(yīng)，生成的焦炭也儲(chǔ)存在塔內(nèi)，操作不當(dāng)會(huì)影響后部系統(tǒng)的運(yùn)行。在生焦和除焦過程中塔體溫度變化不同。前者溫度基本不變，后者溫度由低到高變化[2]，這一過程也導(dǎo)致焦炭塔及其相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有些復(fù)雜。

焦炭塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是體型高，長徑比大，載荷重。焦炭塔由中間部位的直立圓柱殼及上部的球形或橢圓形封頭和下部的錐形封頭組成，屬于薄壁壓力容器。

圖１ 焦炭塔塔內(nèi)溫度變化曲線Fig.1 The temperature change in coke tower

直徑范圍通常為4.6～9.8 m，高約25～40 m，由多段筒節(jié)焊接而成。在頂部有直徑為φ600～φ 1500的盲板法蘭（即鉆焦口），底部有φ1600～φ 2000的盲板法蘭（即卸焦口），該盲板法蘭上有φ 150～φ300的渣油入口接管[3]。裙座位于連接殼體與錐體的焊縫區(qū)域，用來支撐塔體。通常焦炭塔是用碳鋼、C-1/2Mo、1Cr-1/2Mo、1 1/4Cr-1/2Mo和2 1/4Cr-1.0Mo鋼制造，其壁厚通常在14～42 mm之間。由于其工藝特點(diǎn)，最近幾年我國焦炭塔在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)了許多問題，例如塔體鼓凸變形以及裙座角焊縫、塔體環(huán)焊縫和堵焦閥接管部位出現(xiàn)裂紋等，其中裙座焊縫開裂現(xiàn)象最為嚴(yán)重[4]。

2 模型簡(jiǎn)化及有限元模型的建立

2.1 模型的簡(jiǎn)化

焦炭塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，為了便于計(jì)算需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。

（1）焦炭塔是圓筒形結(jié)構(gòu)，對(duì)稱性強(qiáng)，故只對(duì)其1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析；

（2）查閱資料得知，筒體上的縱焊縫幾乎不影響塔體的變形，忽略縱焊縫的影響；

（3）本文主要研究焦炭塔整個(gè)塔體的變形情況，由于塔體上的開孔接管只影響其附近處的應(yīng)力應(yīng)變情況，故將其忽略。

2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)以上簡(jiǎn)化，利用ABAQUS，通過繪制草圖然后旋轉(zhuǎn)成形的方式建立焦炭塔模型。焦炭塔的幾何模型如圖2所示。

焊縫和裙座連接處采用實(shí)體單元，對(duì)模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法和掃掠網(wǎng)格劃分的進(jìn)階算法相結(jié)合的方法[5]。

2.3 模擬計(jì)算方法與邊界條件

焦炭塔所受的應(yīng)力主要由溫度造成，且應(yīng)力狀態(tài)并不影響求解過程，即應(yīng)力取決于溫度，而溫度變化不取決于位移，這符合順序耦合的適用條件。

圖2 焦炭塔幾何模型Fig.2 Geometric model of the coke tower

對(duì)于以上建立的模型，需要施加合適的邊界條件以準(zhǔn)確進(jìn)行焦炭塔工作過程的仿真。邊界條件的施加，主要包括兩個(gè)方面：幾何邊界條件及熱邊界條件。準(zhǔn)確的幾何邊界條件應(yīng)能夠約束模型的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以防止出現(xiàn)不確定的剛體位移；而熱邊界條件則應(yīng)盡可能的接近于實(shí)際情況，力求正確反映焦炭塔及保溫層的溫度變化情況。具體方法不加以贅述。

3 模擬結(jié)果的分析

3.1 溫度場(chǎng)分析結(jié)果

利用5個(gè)瞬態(tài)分析步分析了焦炭塔從新塔準(zhǔn)備直至老塔處理五個(gè)階段的溫度場(chǎng)分布。利用ABAQUS的二次開發(fā)功能，通過定義子程序較為真實(shí)的模擬了焦炭塔及其保溫層在生產(chǎn)周期內(nèi)的溫度場(chǎng)變化。由計(jì)算結(jié)果可知，在焦炭塔的整個(gè)工作過程之中因金屬具有良好的導(dǎo)熱性能其徑向溫差不大，溫差范圍在1～4 ℃。

焦炭塔的軸向溫差與徑向溫差不同，在不同的工作階段軸向溫差差值很大，在蒸汽預(yù)熱階段塔體軸向溫度分布均勻，溫差保持在 10 ℃左右，生焦階段與此相同。但在油氣預(yù)熱階段，在塔的頂部通入高溫油氣，由塔底離開，這會(huì)加大焦炭塔的軸向溫差，塔頂溫度比塔底溫度高，最大差值接近 51℃。吹汽階段的進(jìn)氣方式與其相反，蒸汽從塔底進(jìn)入塔頂離開，軸向溫差為18 ℃。

水冷階段不同于其他階段，具有強(qiáng)烈的對(duì)流換熱，故將計(jì)算結(jié)果列出。結(jié)果如圖3所示。

不同時(shí)刻焦炭塔的溫度場(chǎng)分布也不同。隨著冷焦水的上升，焦炭塔沿軸向方向與冷焦水接觸的高度也增大。在焦炭塔與冷焦水接觸的部位，存在較強(qiáng)的對(duì)流換熱，而尚未接觸到冷焦水的塔體，則僅存在與塔內(nèi)空氣或焦炭的微弱的熱傳導(dǎo)。這將導(dǎo)致與冷焦水接觸的塔體溫度會(huì)迅速下降，尚未接觸的塔體部分溫度基本不變或者略有降低。因此，會(huì)有明顯的溫度梯度出現(xiàn)在冷焦水界面附近，，并且隨著冷焦水的上升而上升[6～10]。本文的模擬，準(zhǔn)確的反映了這一現(xiàn)象。

圖3 焦炭塔在水冷階段不同時(shí)期的溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature contour of coke tower at different moment of water cooling

由分析結(jié)果顯示，圖4與圖5為焦炭塔外壁溫度模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度的對(duì)比。

可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，能夠正確反映焦炭塔的溫度變化，為焦炭塔的熱應(yīng)力分析奠定了良好基礎(chǔ)。

圖4 完整計(jì)算結(jié)果Fig.4 Simulated result

圖5 實(shí)測(cè)結(jié)果[11]Fig.5 Measured results

3.2 應(yīng)力分析結(jié)果

應(yīng)用5個(gè)一般靜態(tài)分析步，通過讀入上節(jié)求得的溫度場(chǎng)，對(duì)焦炭塔進(jìn)行了不同階段的熱應(yīng)力分析。蒸汽預(yù)熱階段，最大應(yīng)力出現(xiàn)在裙座部位，最大值為183.6 MPa。焊縫連接處的應(yīng)力要高于筒節(jié)上的應(yīng)力，焊縫處的應(yīng)力在80～105 MPa之間，筒節(jié)上應(yīng)力在45～55 MPa之間。焊縫處的應(yīng)力較大是由于焊縫材料與筒節(jié)材料的線脹系數(shù)不同從而在連接處產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致的。油氣預(yù)熱及生焦階段的應(yīng)力分布類似于第一階段，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在裙座部位，最大值分別為242.7和250.4 MPa。焊縫處的應(yīng)力均大于筒節(jié)部位的應(yīng)力。油氣預(yù)熱階段，焊縫處的應(yīng)力在85～115 MPa之間，筒節(jié)上的應(yīng)力在50～65 MPa之間；生焦階段，焊縫應(yīng)力在150～170 MPa之間，筒節(jié)上的應(yīng)力在50～70 MPa之間。吹汽階段的最大應(yīng)力也出現(xiàn)在裙座部位，最大值為123 MPa。但與上兩個(gè)階段相反，焊縫處的應(yīng)力低于筒節(jié)上的應(yīng)力，這是由于有溫度產(chǎn)生的變形與由內(nèi)壓產(chǎn)生的變形想抵消導(dǎo)致的，焊縫處的應(yīng)力在30～60 MPa之間，筒節(jié)上的應(yīng)力在50～70 MPa之間。水冷結(jié)束時(shí)的應(yīng)力分布與吹汽階段類似，最大應(yīng)力出現(xiàn)在裙座部位，最大值為299.1 MPa。但水冷過程中，隨著冷焦水的上升，會(huì)存在一個(gè)隨冷焦水界面不斷上升的高應(yīng)力截面，最大應(yīng)力達(dá)400.4 MPa，超過了材料的屈服應(yīng)力，使得焦炭塔產(chǎn)生局部塑性形變。在此條件下經(jīng)過反復(fù)循環(huán)，將導(dǎo)致“熱應(yīng)力棘輪”現(xiàn)象的發(fā)生，塑性變形經(jīng)過不斷積累，最終造成焦炭塔的鼓脹現(xiàn)象。

圖6為冷焦階段4 000 s時(shí)的應(yīng)力圖。

圖6 4 000 s時(shí)的應(yīng)力分布Fig.6 Mises stress contour at 4 000 s

圖7 4 000 s等效塑性應(yīng)變Fig.7 The PEEQ contour at 4 000 s

可見，塔體可由某個(gè)截面分為兩部分，截面以下為接觸冷焦水部分，截面以上為未接觸冷焦水部分。下半部分筒體由于冷卻較快，直徑減小，而上半部分由于溫度較高還保持著較大直徑。截面附近形變量的差異直接造成了兩部分接觸的截面處出現(xiàn)很大應(yīng)力，最大應(yīng)力為400.4 MPa。由于這時(shí)的綜合應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度，塔體局部會(huì)產(chǎn)生塑性變形，圖7為模型的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。“熱應(yīng)力棘輪”現(xiàn)象就是在這種條件下經(jīng)過反復(fù)循環(huán)出現(xiàn)的，這也是焦炭塔鼓脹變形的主要原因[5]。

綜合上述分析知，五個(gè)階段的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在裙座部位，這也解釋了裙座開裂是焦炭塔最常見的缺陷形式這一現(xiàn)象。蒸汽預(yù)熱、油氣預(yù)熱、生焦、吹汽等階段筒體部位并未產(chǎn)生太大的應(yīng)力，材料沒有出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。但水冷階段，由于塔體溫度變化較快，出現(xiàn)了局部的塑性變形。塑性變形經(jīng)過反復(fù)循環(huán)的積累，會(huì)造成焦炭塔的鼓脹變形。

4 結(jié) 論

（1）焦炭塔整個(gè)工作過程中徑向溫差變化不大，對(duì)于軸向溫度梯度，除蒸汽預(yù)熱階段與生焦階段外，其它各階段都存在較大的溫度梯度。

（2）除吹汽階段外，焊縫處的應(yīng)力都高于筒節(jié)上的應(yīng)力，這是由于焊縫材料與筒節(jié)材料的線脹系數(shù)不同從而在連接處產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致焊縫處的應(yīng)力較大。但在吹起階段，溫度產(chǎn)生的變形與由內(nèi)壓產(chǎn)生的變形想抵消導(dǎo)致焊縫處的應(yīng)力低于筒節(jié)上的應(yīng)力。

（3）在水冷階段，隨著冷焦水的上升，會(huì)存在一個(gè)隨冷焦水界面不斷上升的高應(yīng)力截面，最大應(yīng)力達(dá)400.4 MPa，超過了材料的屈服應(yīng)力，使得焦炭塔產(chǎn)生局部塑性變形?！盁釕?yīng)力棘輪”現(xiàn)象就是在這種條件下經(jīng)過反復(fù)循環(huán)出現(xiàn)的，塑性變形經(jīng)過不斷積累，最終造成焦炭塔的鼓脹現(xiàn)象。

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Analysis on the Stress and Strain of Coke Tower

ZHAO Zhi-yang1,LUAN Jiang-feng1,XIE Teng-teng1,CUI Ming-ji2

（1. School of Mechanical Engineering,Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 113001, China;2. Fushun Yuanhong Petrochemical Equipment Technology Development Co.,Ltd., Liaoning Fushun 113008, China）

TQ 018

A

1671-0460（2017）09-1909-04

2016-08-09

趙志陽（1990-），男，吉林省集安市人，碩士研究生，2017年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，研究方向：壓力容器與結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)。E-mail：635109982@qq.com。

欒江峰（1974-），男，副教授，博士學(xué)位，研究方向: 化工過程機(jī)械。E-mail：ljfdd2001@126.com。