焦炭塔温度场、应力场分析及裙座优化设计

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AWH-8-7A-2-11.0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ANSYS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。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Mises等效应力分别下降了42.1％和57.5％，取得了比较好的优化效果。