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1、静设备 石油化工设备技术 , 一 焦炭塔裙座局部更新 俞立波 镇海炼油化工股份有限公司 , 浙江宁波 摘要采用应力计算法分析优化塔裙连接结构及柔性槽 尺 寸 , 改进了焦炭塔塔裙连接结构设计 。 采用 局部更换裙座的现场施工方 法 , 解决了在役焦炭塔塔裙连接部 位的疲 劳裂纹问题 , 延长了焦炭塔的使用寿 命 , 使安全生产得到了有效保证 。 关键词焦炭塔塔裙连接结构柔性槽局部更新 疲 劳裂纹 中图分类号文 献标识码文章编 号 一一一 前言 镇海炼化股份有限公司焦化装 置台焦炭塔 于年月建 成 并 投 人生产 , 其主要参 数 为设 计压 力 , 设 计 温 度 上 、 下 , 规 格笋一
2、, 塔体材质为 , 裙座材质为 一, 裙座壁厚 , 净重 。 塔体与 裙座 的连接结构如图所示 。 诱 厂了而刘 厂一 灭元一 , 口目州 甲少少少 一 西乡 条槽沿 圆周均布 夕 喇 曰 拜 且 。叭代叫 丝 份公 呀 图一原塔裙结构示 意 年月大修改造期 间对 、 、 进行全面检测 时 , 首次发现在裙座柔性 槽上部出现大量贯穿性微裂纹 。 由于柔性槽数量 大 , 开 工时 间 紧 张 , 且因裂 纹 尚未 触 及塔裙 环 焊 缝 , 为此决定暂不全面处理裂 纹 , 只对的 个孔进行堵 孔 、 扩 径等试 验 性 修 补 。 同年月 发现修补过的裂 纹 均依 然 有 所 扩展 , 证 明修
3、补 方 案基本无效 。 而后 在年月对塔进行 更 全面的检测发现塔裙环焊缝下熔合线 部 位有处 产生裂 纹 , 裂 纹 沿 焊 缝 方 向 长 一 塔裙环焊缝下熔 合线部位有处 产生裂纹 , 裂纹沿焊缝方 向长 一 塔裙环焊缝下熔合线部 位有处产生裂纹 , 裂 纹沿焊缝方 向长 一 塔裙环焊缝 下熔合线部位有处产生裂纹 , 裂纹沿焊缝方向 长一柔性槽上部号一号 、 号 、 号裂纹比年月检 测 的长大一 , 柔性槽上部号裂纹已进 入塔裙 焊缝 , 柔性槽下部也发现裂纹 。 从金相检查结果看 , 裙座柔性槽裂纹 、塔裙环 焊缝裂纹均为沿 晶开裂 , 呈热疲劳裂纹特征 。 裂纹产生原 因分析及对 策
4、 结合生产实 际情 况 分析认为 , 台焦炭塔塔 体与裙座连接区域产生裂纹 , 除了与其苛刻 的工 作条件有关外 , 还与设备使用工况 的变更有关 。 焦炭塔操作条件呈现两个特点一是 冷热交 替温度变化 二是周期性生产小 时 周期 , 一台塔一年循环约次 , 使得设备承 受频繁而较大的热应力冲击 。 塔体与裙座连接区 域除了承受上述交变热应 力冲击外 , 还承受整塔 的重量 , 加之风载 、 内压等载荷作用 , 使得该区域 成为开裂最敏感部位 。 另外 , 由于年后装置 处 理 量 的逐年 增 加 , 焦炭塔操 作压 力 由原来的 增至 , 焦高由原 来 的增 收稿日期 一一 修改稿收到日期
5、一一 作者简介俞立 波一 , 男 , 浙江慈溪人 。 。年 毕业 于浙江大学化工设备与 机械专业 , 获 学士学 位 。 年在 北 京化工大学获工学硕士学位 。 现从事设备设计工作 。 石油化工设备技术 年 至 , 使得连接区域 的负荷比原设计大大增加 , 导致该区域产生大量热疲劳裂纹 。 虽然对部分柔性 槽 裂 纹采 取了堵孔 、 扩径修 补处理 , 对熔合线 裂 纹 采取了打磨清除再 补焊等 手段 , 但效果均不佳 。 从历年裂纹发展状况看 , 该 区域裂纹有不断增加并加剧扩展的趋势 。 从 对国内焦炭 塔使用情 况 的调研 看 , 通常 材质的焦炭塔使用 寿命为年左 右 , 而镇海 炼化
6、股份有 限公司的焦 炭塔 投用 仅年 , 从节约 投资考虑 , 应 尽量 避 免更新 。 经过 反 复磋商和调 研 , 最 终决定 , 在不吊离焦炭塔 的前 提下 , 对裙座 上半部分进行局部更 新 , 从而解 决目前裂 纹不 断 加剧的状况 , 以确保装置 的安全生产 , 同时为下 一 步扩能改造打好基础 。 优化设计 材料选择 本 次改造 内容为现场更换座塔的塔体与裙 座连接环 焊 缝以下一的裙座 筒体 , 塔体和裙座螺栓 座不变 。 裙座材料 采 用原 为 一 。 与 一 材 料 相比 , 、 含 量低 , 韧性储备高 , 抗热疲 劳裂纹能力较强 。 塔体 与裙座连接焊缝的优化 原来塔体
7、与裙座 连 接结构 简单 , 内外 焊缝 均 无 圆滑过渡 , 焊接应 力集 中程度高 。 本次更新采 用改进型结构 , 但受限于现场施工条件 , 无法进行 焊缝 内表面处理 , 因此最终采用 外 表面圆滑过渡 以减少应力集 中 , 如 图所示 。 柔性槽结构优化 柔性槽优 化是 本 次裙座优 化设 计 的主 要 工 作 。 应用有限元应力计算 软 件 , 通过对 裙座模型的瞬态热应力分析 , 找 到热梯度最大的 时间点 。 以该 时 间点的节 点 温 度载 荷作 为体载 荷 , 再叠加 内压 、 介质静压和重力载荷 , 作用于结 构模型中进行热 一结构藕合分析, 从而求得裙座连 接结构 中最
8、大的名义应 力强度值及其作用部位 。 表柔性槽各种尺寸组合条件 下的计算结果 槽顶 至裙座环焊缝的距离对应力强度的影 响 槽槽顶至裙座座槽顶处最大大裙座三叉处内内 环环焊缝的距距应力强度表面最大应力力 离离强度 槽长度对应 力强度的影 响 槽槽长度槽顶处 最大大裙座三又处内内 应应应力强度表面最大应 力力 强度 , 槽宽度对应力强度 的影响 勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺 卜卜里丝 一 ,一一一一州 州州州 厂厂 冬冬 鑫鑫鑫 一一 ”厂“ 几 。条槽沿 一一一一一一一 二 一一 圆周均布 气气气 几 “ 今 多 , ,互 馨馨馨 艺艺 了了了了了了了 槽槽宽度槽顶处最大大裙座 三叉处 内内
9、 应应应 力强度表面最大应 力力 强度 槽沿圆周分布 的密度对应力强度的影响 槽槽沿圆周均均槽顶处最大大裙座三叉 处内内 布布数量 条条应 力强度表面最大应 力力 强度 应力释放孔半径对应力强度的影响 一 不按比例 一 小按比例 塔体与裙座连接焊缝 铸 辱 哥 禅 勺 三十 、一 气一 一 梦 引 刃 、 一 孔孔半径槽顶处最大大裙座三叉处 内内 应应应力强度表面最大应 力力 强度 , , , 图优化后塔裙结构示意 柔性槽的优化是选择不同的开槽尺寸及位置 第卷第期俞立 波 焦炭塔裙座 局部更新 了 分别进行有限元计算 , 对比计算结果 , 确定最佳开 槽位置和尺寸 。 优化尺寸包括槽顶至裙座
10、环焊缝 的距离 、 槽 的长度及宽度 、槽沿裙 座 圆周分布的密 度 、 应力释放孔 的半径等 。 计算结果如表所示 。 综合计算结果 , 在保证裙座稳定性 的基础上 , 最终确定柔性槽尺寸 如 下 槽 顶至裙座 环焊缝 的 距离 , 槽长 , 槽 宽 , 槽 沿 圆周 均布条 , 应力释放孔 半 径 。 另外 , 为减 小柔性槽边缘的应 力集 中 , 柔性 槽 两侧边缘应圆 滑过渡消除锐角 , 如图所示 。 精细施工 本次裙座局部更新在塔体不吊离 的情况下进 行 , 施工难 度 较 大 , 故 要 求 施工单 位 制定 周密方 案 , 经多方会 审和 可行性讨论后方付诸实施 。 主 要 内容
11、如下 裙座切割前 , 先在各割去部位垂直方向设 支撑柱 根据各 塔 实测 周长 , 分瓣预制 , 开好柔 性槽 , 并检 验合格为减小 缺 口敏感性 , 柔性槽用 钻孔和自动切割 机开设 , 并 用 内磨 机将 两侧磨出 圆滑倒 角 为 防止失稳 , 整圈分瓣 逐 次更新 , 其中 第一块更换板 与未 更 换 部 位 间纵缝 须焊接两遍 , 最后再将其割开 , 修磨坡口并焊接 按换 板尺寸在原 裙座上 号线 、 切割 , 并进 行坡 口修理 , 打磨光滑 。 其中 , 塔裙焊缝用气刨从 外侧逐层去除 , 直至高出母 材左右 , 防止损 伤锥形封头余高打磨去除 , 锥形封头表面作抛光 处理 ,
12、不得 有 任 何沟槽 等 缺 陷 , 并按 。一 作磁粉检测 , 工级合格 焊接采用氢弧焊加手工 电弧焊 , 焊条牌号 为 , 焊丝为 。 焊接时 , 先 焊环焊 缝后焊纵焊缝 。 塔体与裙座连接环焊缝和裙板 间 对接环缝 同时焊接 , 并采用分段退步跳焊 , 以减小 焊接应 力和焊接变形 所有 焊缝采用全 焊透结构 。 为减小缺口 敏感性 , 塔体与裙座连接环焊缝 及裙座 板纵焊缝 要求用氢弧焊打底 , 以保证背面成形良好 , 手工焊 采用小电流多道焊 , 使得表面成 形良好 塔体与裙座 连接环焊缝裙座侧 坡口表面 应作磁粉检测 , 焊接完后 , 焊缝表面应打磨 圆滑 为降低塔体与裙座 环焊
13、缝 的应力水平 , 软 化接 头 , 提 高其稳定性 , 焊接完成并检验合格后 , 需对焊接接头进行焊后消除应力热处理 。 热处理 完后 , 再对该接头按 一 进行表 面检测 , 工级合格 。 从对更新后塔裙 部 位的检 验 结果 看 , 目前 塔裙座已恢复到新建状况 , 完全有 能力保证焦炭 塔的长期稳定运行 。 结束语 在役焦炭塔塔裙连接区域产生裂纹是普遍现 象 , 国内传 统 的修 补措施 为打磨去除 、 再 补焊磨 平 , 但效果不 佳 , 屡补 屡裂 , 安 全生产 无法保 证 。 镇海炼化股份有限公司通 过优化裙座结构尺寸 、 采用裙座局部更新 的方式对该问题的处理进行了 一种新
14、的尝试 , 有效提高了焦炭塔的使用寿命 。 技术信息 我国第一台 卜 钢焦炭 塔投用 年月 日 , 茂名石 化分公司延迟焦 化装置 一次 投 产 成 功 。 其核心设备焦炭 塔 直径为 , 材 质为钢国内牌 号 为 , 其上段 为复合 钢板 , 下段 为钢板 , 为国内首例 。 该 塔由 中国石 化 工 程 建设公司设计 , 茂名石化建设公司制造及安装 。 钢 与 一 钢国内牌号 为 相比 , 虽 然铬 含量仅增加了 , 但 高温性 能更好 、许用 应力更高 , 见表 。 从金相组织上看 , 钢的成 分主 要是 珠 光体 , 而 一 。 钢主要 是 贝氏体 , 钢 板冲击功值 更高且稳定 。 抗高温 蠕变 能 力 更 强 , 更适宜焦 炭塔的热 疲劳工况 , 其寿命将会更长 。 钢板国内钢厂已 能批量 生产 , 能达到的性能指标 , 并能满 足设计提出 的一些附加要求 , 焊接材料也能国产化 。 表 卜 钢 、 卜 钢 对比 材材料料 卜卜三 , 备注注 许许用应力力按姗姗 篇第一分篇篇 高高温屈服强度度按 入卫、 篇分篇篇 中国石化工程建设公司贾桂茹顾一 天供稿 一 、 夕 一, , , 一 , , , 一, 饥执 艺艺艺乞 , , , 泛人 夕 夕 , , 夕 少 , 一 一 , , 。 , , 艺 五 。艺 , , 可 , 一 , 。 , , 叹 夕 , 一 , 、