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1、引起垫片应力的分布状态同预紧状态和只有压力作 用时相比发生了明显的变化。垫片的应力不再以管 箱隔板中面为对称面对称分布。从总体上看,虽然 垫片应力值在径向的分布仍然是垫片外侧的压应力 值大于垫片内侧值,但垫片应力值沿周向分布的不 均匀程度远大于预紧状态和只有压力作用下的垫片 应力分布。在管程温度较低一侧对称地存在着A 和B2个区域,该区域垫片的压应力值急剧下降且 应力最低点总是位于两螺栓之间,因此,这2个区域 最容易发生介质泄漏。这种垫片的应力分布规律说 明,由温差和压力共同作用时所引起管箱法兰密封系 统各部件的的轴向变形沿圆周分布不均匀是引起垫 片上压紧力不均匀和导致密封面泄漏的主要原因。
2、4 结论 (1)考虑了垫片的非线性特性并将管箱法兰预 紧状态和操作状态紧密的联系起来,建立的三维有 限元模型,具有一定的完整性。 (2)将管箱密封系统作为一个整体来研究,考虑 各部件(管箱封头、 管箱筒体、 管箱法兰、 管板、 螺栓) 的变形和垫片的非线性特性对密封性能的影响,在 一定范围内可以真实模拟管箱的密封情况。 (3)通过分析只有压力作用下和压力与温差联 合作用下的2种工况的管箱法兰垫片应力可以得 出,当管程介质温差较大时,应充分考虑该温差对法 兰密封性能的影响。 参考文献: 1 GB 1511999 ,管壳式换热器S. 2 JB/ T 47002000 ,压力容器法兰分类与技术条件S
3、. 3 GB 1501998 ,钢制压力容器S. 4 黄 英.高温差换热器管箱法兰密封性能的研究D.东营:中 国石油大学(华东) ,2005. (杜编) 收稿日期: 2005211214 基金项目:中石化资助项目(303010) 作者简介:袁忠泽(19782 ) , 男(汉族 ) , 辽宁抚顺人,在读硕士研究生,从事过程设备的相关研究。 文章编号: 100027466(2006)0220019204 焦炭塔鼓凸变形应力测试与分析 袁忠泽1,孙 铁1,张素香1,王 正2,游 进2 (1. 辽宁石油化工大学 机械工程学院,辽宁 抚顺 113001 ; 2.大连理工大学 动力工程系,辽宁 大连 11
4、6024) 摘要:焦炭塔长期在高温及充焦、 除焦的冷热疲劳作用下运行,常出现塔体局部严重变形和母材焊 缝开裂问题。针对这一现象,对某厂焦化车间三号焦炭塔采用塔体表面贴应变片的方法,通过对其 一个工作循环周期(48 h)进行塔体表面应变和温度测量并计算塔体应力,对整个焦炭塔的应力状 况进行考察。结果表明,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。同时,焊缝处较高的强 度造成焊缝处变形较小而筒节中央变形较大,使焊缝热影响区应力较高也是塔体发生鼓凸变形的 原因。此结论可为焦炭塔的设计、 加工以及寻求解决鼓凸变形
5、问题的方法与对策提供可靠的理论 依据,对焦炭塔的操作也有一定的指导意义。 关键词:焦炭塔;变形;应变;温度;应力测试 中图分类号: TQ 05315 文献标识码: A Stress testing and analysis to distortion of the coker YUAN Zhong2ze1, SUN Tie1, ZHAN G Su2xiang1, WAN G Zheng2, YOU Jin2 (1. Mechanical Engineering Faculty , Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology
6、, Fushun 113001 , China ; 2. Dalian University of Technology , Dalian 116024 , China) 第35卷 第2期 石 油 化 工 设 备 Vol135 No12 2006年3月 PETRO2CHEMICAL EQUIPMENT Mar12006 Abstract: The coke towers are working under high temperature and coke in and out with hot and cold distress , and local severe distortion o
7、f the towers or dehiscence of welded seam appears fre2 quently. Aiming at this , used the method of affixing the strain gauges to the coke tower , meas2 ured the strain and temperature of the coke tower outer face during the whole operating cycle , and calculated the stress to investigate the stress
8、 of the whole outer face of the coke tower , and also tried to find the solution to the problem of the distortion of the coke tower. The analysis in2 dicates when the fluid level rise continuously , the strain where the inner circle of the coke tower contacting with the liquid level rises and falls
9、down rapidly , and the thermal stress it caused is the main reason of the residual stress and distortion. The higher intensity of the welded seam caused the bigger distortion at the middle of the vessel course and a smaller one at the welded seam , and the coke tower is distorted like a cucurbit. Th
10、is conclusion afforded reliable theoretical founda2 tion , and also gives directions to locale construction and operation. Key words: coke tower ;distortion ; strain ; temperature ; stress test 焦炭塔是炼油厂延迟焦化装置的关键设备之 一。美国、 前苏联等国已于上世纪50年代开始逐步 选取碳铝钢或铝钢作为发展型设备的主体材质,而 我国大部分焦炭塔设计、 制造开始于20世纪60 70年代,仍采用价格相对低廉
11、的20g作为主体材 料。因此,这些塔以较低的成本创造了巨大的经济 效益。但由于焦炭塔的操作温度是在常温与500 之间每48 h一个循环周期反复进行的,在如此苛刻 的操作条件下,这些碳钢塔体在投用78 a后就会 出现明显的筒体鼓胀变形,并由此引发塔体环焊缝沿 熔合线的裂纹,严重威胁着生产的安全1。为了深入 研究焦炭塔变形的原因,笔者对某厂焦化车间的三号 焦炭塔进行了一个工作周期内的应变测量与应力分 析,以寻求解决焦炭塔鼓凸变形问题的方法与对策。 1 焦炭塔简介 1. 1 焦炭塔结构与基本参数 焦炭塔规格为 “6 000 mm30 975 mm。操作 压力0. 23 MPa ,介质为减压渣油,下部
12、操作温度为 475,上部操作温度410420。塔体主要包括顶 部球形封头、 中部多节筒体和下部锥形封头,分为泡 沫段和生焦段2个区域。泡沫段筒体壁厚为28 mm , 生焦段筒体壁厚32 mm ,下筒体与锥形封头的过渡半 径为3 000 mm ,壁厚32 mm ,上封头为半球形,内半 径3 000 mm ,壁厚为28 mm。塔体主体材质为20g , 密度= 7 870 kg/ m3,E=2.127 6 105MPa。 1. 2 焦炭塔操作过程 2个焦炭塔轮换使用,当一个焦炭塔进料完成 时即进行切换。将原料通过四通阀切换进另一焦炭 塔。每个塔进料24 h ,除焦和辅助操作24 h ,循环 一次48
13、 h。具体过程为:蒸汽预热。250 的蒸 汽从塔底锥体进入焦炭塔,密闭试压至0. 23 MPa , 此时塔壁温度约200,时间为2 h。 油气预热。 430 的油气进入塔内,油气上升至塔顶经挥发线 进入分馏塔,冷凝下来的油经甩油线进甩油罐,时间 约为6 h。进油。当预热温度达到320 时,高 温油气停止进塔,490 的高温原料油从塔底进入 塔中生焦,生焦时间约为24 h。切换。当生焦时 间达24 h后,四通阀转到另一塔的进料线。 小量 吹气。在四通阀切换后立即吹入蒸汽,质量流量 2 000 kg/ h ,时间为1 h。 大量吹气。吹入240 的过热蒸汽,质量流量7 000 kg/ h ,时间为
14、4 h ,主要 是为进一步将焦炭中的残余油气吹入放空系统,同 时把焦炭塔内的温度降至330,起到冷焦的作用。 进水冷焦。将小量冷焦水引入塔底,待温度压力 降低后,再缓慢加大水量。直到冷焦水装满,塔内冷 焦水不再汽化,停泵进入泡焦阶段,此过程时间为 4 h。放水。在除焦前1. 5 h打开塔顶挥发线上 的呼吸阀,开始向沉降池放水。除焦。水放完 后,卸掉塔顶、 底盖,启动高压泵除焦,时间为2 h。 除焦后,上好顶、 底盖,试压后进入下一生产周期2。 1. 3 焦炭塔工艺特点 间歇操作,一个循环周期需48 h。 反复进 行加压和卸压,其压力呈周期性波动,波动范围为 00. 23 MPa。 操作温度发生
15、周期性大幅度变 化,在冬天尤甚,波动范围从常温到415。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, 对设备受力不利,易造成塔体倾斜,各方向壁面受力 不均。塔上部为泡沫段,约67 m高为空塔。 塔内反应是一相变过程,从进料时液态到吹汽冷 02 石 油 化 工 设 备 2006年 第35卷 却,介质从液态变成固态焦炭。因此,焦炭塔的塔壁 受力情况是十分复杂的3。 2 焦炭塔外壁应变、 温度测量与应力计算 按以上分析,本次测试仅对某厂焦化车间的三 号焦炭塔进行了一个工作周期(48 h)的温度和应变 测量。通过对塔体表面关键点的应变和温度测量, 对
16、整个塔体的应力分布情况进行计算,进而分析影 响焦炭塔鼓凸变形的因素。 采用在塔体表面贴应变片的方法测量应变,根 据以前塔壁的变形情况,有针对性地选择测点。测 点分布于塔体与裙座焊缝、 下封头与筒体焊缝、 筒节 间焊缝和筒节中央等应力集中点和关键点,测点分 布及序号见图1。 图1 测点分布及序号图 由于测点很多,选择有代表性的焊缝附近的第 2点(图 1) 的测量数据做应变随时间变化的曲线。 根据测试的应变值按广义胡克定律计算可得应力随 时间变化的曲线,见图2。 其它各点的应变、 应力随时间变化的曲线与第 2点相似,只是发生的时间和峰值与第2点略有不 同。第2点在时间为36. 5 h ,即开始进水
17、冷却后 015 h ,应变与应力曲线发生急剧上升与下降,整个 过程约为2 h ,这一现象在其它点也有发生,即开始 进水冷却后,液面上升到某点时,该点壁面应变与应 力发生突变。20个测点的突变发生时间、 极值、 残 余应变和应力见表1。 图2 第2测点应变随时间变化的曲线 图3 第2测点应力随时间变化的曲线 表1 测点峰值与残余应变、 应力 测点 序号 时间 / h 峰值应变 /10 - 6 z 峰值应力 / MPa z 残余应变 /10 - 6 z 残余应力 / MPa z 136 :00 1 620 1 24045839760- 370- 12- 81 236 :30 1 540 1 120
18、43436475- 260- 1- 55 336 :40 1 440 1 02040233470- 2201- 46 436 :50 1 850 1 08050037690- 2404- 49 536 :00 1 14078031625865- 250- 3- 53 636 :00 1 32090036629850- 250- 6- 54 737 :10 1 17090033128830- 230- 9- 51 837 :10 1 32096037031270- 235- 1- 49 937 :50 1 240860345283125- 27010- 54 1037 :50 1 2808903
19、56293125- 24012- 47 1139 :1084060023519625- 180- 7- 40 1239 :1090063025020730- 170- 5- 37 1340 :2090066025321430- 160- 4- 35 1440 :20 1 14078031625828- 160- 5- 34 1539 :10 1 14090032428655- 185- 1- 39 1637 :50 1 860 1 380523446100- 2903- 60 1737 :10 1 59099043433770- 2301- 48 1836 :50 1 260900352294
20、35- 205- 6- 45 1936 :40 1 11069030323545- 235- 6- 51 2036 :30 1 410 1 11040135330- 265- 12- 59 注:、z、z分别表示周向应变、 轴向应变、 周向应力和轴向 应力。 12 第2期 袁忠泽,等:焦炭塔鼓凸变形应力测试与分析 3 应力分析与变形影响因素 3. 1 塔体应力分析 通过对焦炭塔整塔的应力测试及分析,可以得 出以下结论: (1)在焦炭塔的一个工作周期内,任意一点在 开始冷却以前,塔壁的应力随着时间的延长与温度 的上升而缓慢上升。从进蒸汽冷却开始,应力开始 下降。水冷开始以后,当液面到达塔壁某一点时
21、,该 点应力会发生突然上升,此后又快速下降,这个突变 过程大约经历2 h。此后该点的应力又以较低的速 度下降至冷却过程结束。 (2)整个塔从下至上应力逐渐降低,拉应力变 化较为平缓,由于塔自身质量与物料质量的作用,压 应力沿塔体高度上的差距较明显。 (3)由于焊缝强度高于母材,导致焊缝热影响 区的应力较高 (9 、10、16点)。 3. 2 影响变形的因素 根据以上测试结果及计算分析可知,焦炭塔塔 体经一个周期的运行以后,周向残余应变为正(受 拉 ) , 轴向残余应变为负(受压)。因此,导致焦炭塔 鼓凸变形的主要影响因素为: (1)由于冷却水进入塔体的时候塔壁温度仍然 在300 以上,导致焦炭
22、塔壁温度变化剧烈、 迅速, 产生屈服和塑性变形。在较高的温差应力作用下, 每经过一个循环周期的操作,塔体都会产生一定的 残余应力与塑性变形,经过不断积累,导致塔壁整体 鼓凸变形46。 (2)焊条的强度高于母材且焊缝一般有4 mm 的增强高度,使其强度和刚度都比母材高得多,因 此,限制塔体鼓胀变形而使其在此处出现 “腰带” 。 经历多次反复升降温和多次变形,塑性变形不断积 累,就形成了焊缝处变形小而远离焊缝的区域变形 大的鼓凸变形7。 (3)周期性的压力波动也是影响塔体变形的一 个因素。塔内压在每个操作周期中经历从0 MPa 0. 23 MPa0 MPa的过程,在温度、 压力最高时,也 是塔壁强
23、度最低的时候,这也在一定程度上加剧了 塔体的鼓凸变形。 4 防止焦炭塔鼓凸变形措施 针对以上对焦炭塔鼓凸损伤现象与塔壁应力分 析,建议采取如下措施降低和防止焦炭塔的变形和 局部的应力集中现象: 增加通蒸汽冷却的时间,并 采取两阶段、 不同温度蒸汽冷却的方法,使焦炭塔壁 的温度在进水冷却前降得更低。 适当提高冷却水 的温度,降低塔内、 外壁的温差。 适当加大开始冷 焦时的冷却水流量,降低塔体轴向应力6。 增加 保温层厚度,尽量保持保温层的完整性,降低温差应 力4。 采用和母材化学成分及强度等级的焊材, 采用对称的X形坡口,适当降低焊缝增强高度。 严格控制焊接时的几何形状误差、 焊前预热与焊 后热
24、处理8。采用疲劳强度更高的优质材料, 内部安装衬套,改变受力对象,改善焦炭塔外壁受 力情况。 参考文献: 1 陈孙艺.焦炭塔鼓胀的各种变形机理的探讨J .中国锅炉压 力容器安全, 1996 , 12(5) : 427. 2 杨开春.浅谈焦炭塔的热应力分析及初步改造措施J .化工 设备与管道, 2002 , 39(1) : 22225. 3 陈吉成.防止焦炭塔筒体 “糖葫芦变形” 的方法J .炼油, 1998 , 3( 1) : 59263. 4 赵 莹,周 鸿.焦炭塔的鼓凸损伤分析J .西安石油学院 院报, 1998 , 13(6) : 38241. 5 陈孙艺,林建鸿,吴东棣,等.焦炭塔塔壁
25、温度场特性的研究 (一) 塔壁二维瞬态温度场及热弹性有限元计算分析J . 压力容器, 2001 ,18(4) : 16221. 6 陈孙艺.焦炭塔冷焦水流量的分析J .石油化工高等学校学 报, 2004 , 17(4) : 65268. 7 陈吉成.焦炭塔筒体的鼓胀变形及其防止方法J .石油化工 设备, 1998 , 27(5) : 49251. 8 李一玮.焦炭塔变形及开裂原因浅析J .石油炼制, 1989 , 19(7) :1211. (杜编) 浙江新政策支持民资投资能源行业 浙江省政府正式发布的 关于鼓励支持和引导个体私营 等非公有制经济发展的实施意见 明确规定,凡是法律法规 没有明确禁
26、入的行业和领域,非公有资本都可以进入。从而 为浙江民资投资电、 油、 煤行业提供了政策支持。根据 实施 意见,对非公经济进入垄断行业和领域将给予平等准入、 公 平待遇的原则,这表明民资进入垄断行业已经解除了非公平 竞争的政策环境。按 实施意见,凡国有企业可以做的,民 营企业同样可以做。 实施意见 明确支持该省非公企业可 投资发电行业及其辅业;鼓励参与铁路建设经营;允许非公 资本按照政府规划投资建设加油站及仓储设施,从事成品油 零售业务;允许非公资本按照我国加入世贸组织承诺的时间 进入成品油批发业务领域。这表明除了国家明确规定民营 企业不能进入的部分模块,例如成品油炼制业务外,凡是在 政策上模棱两可的能源领域,民营企业都可以涉足,并且是 平等竞争。 (天木) 22 石 油 化 工 设 备 2006年 第35卷