安朋亮　劉峰　趙志陽

摘要：以某石化公司焦炭塔為研究對象，首先分析焦炭塔受力情況，進(jìn)而對比新型板焊結(jié)構(gòu)和整體鍛件結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性，為此后大型焦炭塔裙座連接部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。兩種結(jié)構(gòu)的對比主要圍繞結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力分布的對比。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立新型板焊結(jié)構(gòu)以及整體鍛件的二維模型，對結(jié)構(gòu)只受重力和內(nèi)壓、升溫、降溫三種工況分別進(jìn)行分析，分別得出在三種工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。根據(jù)分析結(jié)果，對比兩種結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力強(qiáng)度大小和應(yīng)力集中點(diǎn)的位置。通過對比，可以得出以下結(jié)論：新型板焊結(jié)構(gòu)在三種工況下的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在上部角焊縫上方的塔體上，最大值達(dá)到371.5MPa，是焦炭塔開裂的主要原因；整體鍛件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在裙座與塔體連接的圓弧過渡處，最大值為273.3MPa，應(yīng)力分布狀況要優(yōu)于新型板焊結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：焦炭塔；裙座；板焊技術(shù)；應(yīng)力分析

中圖分類號：TQ 052 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0119-04

中國石油某石化分公司240萬t/a延遲焦化裝置，在焦炭塔設(shè)計中，采用板焊結(jié)構(gòu)裙座，如圖1所示。

裙座與下封頭連接型式制造難度大，在滿足焦炭塔疲勞壽命要求的前提下，方便運(yùn)輸，節(jié)省投資。但在運(yùn)行過程中，于2011年7月在焦炭塔上發(fā)現(xiàn)裂紋，針對此，主要研究板焊新型結(jié)構(gòu)對大型焦炭塔的適用性，以及其與整體鍛焊結(jié)構(gòu)的對比分析，整體鍛焊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1 常見裙座結(jié)構(gòu)型式

裙座結(jié)構(gòu)的好壞，直接影響著焦炭塔的壽命。裙座結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也就成為了焦炭塔設(shè)計的難點(diǎn)和重點(diǎn)。以往廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式主要有如下四種：

一般對接類型：結(jié)構(gòu)比較簡單，但在焊接部位容易產(chǎn)生應(yīng)力的集中；

搭接型：該類型結(jié)構(gòu)相對簡單，但也易產(chǎn)生應(yīng)力的集中和裂紋，從而引發(fā)焦炭塔塔體下沉；

堆焊型：堆焊型的應(yīng)力集中系數(shù)比較小，因此其產(chǎn)生裂紋的可能性小，但他的制造更復(fù)雜，焊接的工作量很大。裙座開槽孔（即膨脹縫），有利于應(yīng)力釋放，防止焊縫開裂。但槽孔處易開裂。

整體鍛焊型：采用整體鍛件，應(yīng)力集中系數(shù)小，產(chǎn)生裂紋的可能性最小，疲勞壽命最長，但加工困難，加工周期長，且價格昂貴。

在1995年由ASME石油化工設(shè)備與服務(wù)部發(fā)布的一份報告比較了這四種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果。結(jié)果表明第四種型式的疲勞壽命最長，第三種型式次之。

2 兩種結(jié)構(gòu)裙座應(yīng)力分析

2.1 薄膜應(yīng)力

焦炭塔屬于低壓容器，設(shè)計壓力0.35MPa，下部塔體受到的力分為兩部分，一部分是由于上部塔體的重力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，另一部分是由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力以及徑向應(yīng)力。

撫順焦炭塔共10節(jié)，自下而上質(zhì)量分別為15291，15291，23049，23049，20614，20614，15518，15518，14545，14545kg，總重178034kg。上部橢圓形封頭質(zhì)量為38144kg。因此，在裙座截面處由于重力產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力（MPa）為

（1）焦炭正常工作時內(nèi)部介質(zhì)壓力在0.2MPa左右，根據(jù)無力矩理論，由于內(nèi)壓在筒體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力分別為：

（2）

（3）

由計算結(jié)果得出在筒體內(nèi)部作用的純機(jī)械載荷產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。循環(huán)溫度載荷是破壞塔體結(jié)構(gòu)完整性的主要原因，故塔體受到的熱應(yīng)力為主要分析對象。

2.2 建立裙座有限元模型

某石化公司采用的直徑9.8m的焦炭塔是我國目前中石油煉化項(xiàng)目中直徑最大的焦炭塔。選用14CrlMoR作為焦炭塔的主體材質(zhì)，單塔總高度為37m，板的厚度范圍為30～42mm，設(shè)計溫度500℃，設(shè)計壓力為0.35MPa，采用披掛式保溫結(jié)構(gòu)，保溫厚度為200mm。如圖1所示裙座連接處采用了一種新型焊接結(jié)構(gòu)。

由于焦炭塔工作時溫度周期比較長，所以本文僅對其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場分析。焦炭塔塔體過大，所以利用其結(jié)構(gòu)的對稱性簡化計算，建立包含筒體、裙座、封頭在內(nèi)的二維模型，他們的長度均遠(yuǎn)大于2.5倍的應(yīng)力衰減長度。焦炭塔塔裙焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況為我們主要的研究目標(biāo)，故忽略封頭下部與裙座的開孔接管。

參照CAD模型，利用ANSYS的前處理模塊，建立截面模型。單元類型采用Thermal Solid中的Quad 8node77，并分別設(shè)置其軸對稱選項(xiàng)。分別設(shè)置主體結(jié)構(gòu)（包括塔體、封頭、裙座）和保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為35W/（m²·K）和0.114W/（m²·K）。采用混合網(wǎng)格劃分：面A₁、A₂、A₃三個面形狀規(guī)則，用map方式進(jìn)行劃分，面A₄為非規(guī)則形狀面，采用free方式進(jìn)行劃分。整個計算模型共劃分2717個單元。

在同等條件下建立整體結(jié)構(gòu)計算模型。

2.3 兩種結(jié)構(gòu)塔裙截面溫度及應(yīng)力場分布

2.3.1 新型裙座連接結(jié)構(gòu)焦炭塔升溫過程分析

圖3為焦炭塔升溫過程過好的后的溫度分布圖。由圖3（a）、圖3（b）可見，保溫層外側(cè)因與空氣進(jìn)行對流換熱達(dá)到平衡，溫度較低，在40℃左右。由于保溫層的作用，塔體部位保持較高溫度，在490℃左右，但在保溫層、塔裙連接處及裙座本身則存在較大溫度梯度。因?yàn)楸貙优蛩?、材料間隙大等結(jié)構(gòu)的特殊性，大的溫度梯度并不能在其內(nèi)部引起較大熱應(yīng)力。塔體和裙座則由于支座、管線以及其自身的約束產(chǎn)生很大熱應(yīng)力?？梢灶A(yù)測，由于變形不均勻產(chǎn)生的熱應(yīng)力會在結(jié)構(gòu)突變部位集中，對結(jié)構(gòu)的完整性形成威脅。溫度梯度引起的熱應(yīng)力計算結(jié)果如圖4所示。

溫度升高會導(dǎo)致物體膨脹，由于各部分溫度不同，各個部位膨脹程度也不同，從圖中可以明顯的觀察到結(jié)構(gòu)的膨脹變形狀況。膨脹的不連續(xù)性受到結(jié)構(gòu)的連續(xù)性制約，同時由于管線、支座等其他約束，導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。由分析結(jié)果知，裙座和上部塔體均處于較高應(yīng)力水平下，在兩者的連接部位，即塔裙連接的焊縫處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，熱應(yīng)力達(dá)到300MPa以上。在遠(yuǎn)離焊縫的部位，存在明顯的應(yīng)力衰減。

利用ANSYS后處理模塊，顯示出結(jié)構(gòu)二次應(yīng)力與峰值應(yīng)力的分布。由變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的二次應(yīng)力在焊縫處疊加，有明顯的集中現(xiàn)象，峰值應(yīng)力整體較小，僅在焊縫處出現(xiàn)。為精確分析焊縫附近的應(yīng)力分布情況，找出最大應(yīng)力強(qiáng)度所在位置，需要對關(guān)鍵部位進(jìn)行線性化處理，線性化路徑如圖5、圖6所示。處理結(jié)果見表1。

可見，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圖示的路徑1-1部位，最大應(yīng)力值達(dá)到371.5MPa。這與焦炭塔裂紋發(fā)生位置相符合.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB-4732，在450℃下材料14CrlMoR的設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度S_m為130MPa，焊縫上緣的筒體上最大應(yīng)力為371.5MPa小于3倍的許用應(yīng)力，滿足要求網(wǎng)。

2.3.2 整體鍛件型焦炭塔升溫過程分析

所得溫度場分布見圖7和圖8。

由分析結(jié)果得，保溫層外側(cè)與空氣進(jìn)行充分對流換熱，溫度較低，在30℃左右；裙座中下部溫度較低，與保溫層溫度相當(dāng)；塔體溫度較高，在490～500℃之間；保溫層內(nèi)和裙座內(nèi)存在較大溫度梯度。

重新設(shè)定邊界條件，讀入求得的溫度場作為載荷施加在模型上，進(jìn)行熱應(yīng)力的求解（圖9）。

可見，塔體以及封頭部位應(yīng)力很小，僅在鍛件的圓弧過渡處出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力約在160MPa左右；裙座部位則出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓弧過渡處，約為300MPa，此部位以外均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力衰減現(xiàn)象。按照圖10所示的路徑對計算結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，找出最大應(yīng)力位置，分析結(jié)構(gòu)安全性。

得到應(yīng)力分類結(jié)果見表2。最大應(yīng)力出現(xiàn)在圖示的路徑2-3部位。即，裙座與塔體連接部位的圓弧過渡處為危險截面。

降溫過程與升溫過程類似只需調(diào)整對應(yīng)溫度，本文不再贅述。只在下文給出相應(yīng)的結(jié)果。

2.4 兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的對比分析

2.4.1 危險截面對比

新型塔裙連接結(jié)構(gòu)的危險截面出現(xiàn)在焊縫上方的塔體上，而整體鍛件結(jié)構(gòu)的危險截面出現(xiàn)在裙座上部與塔體連接處的過渡圓弧部位。相比較而言，由于塔體厚度較大，能夠比裙座更好的承擔(dān)應(yīng)力，裙座則由于承受更大的機(jī)械應(yīng)力成為薄弱部位。所以在相同應(yīng)力水平下，前一種結(jié)構(gòu)通過形成新的應(yīng)力集中點(diǎn)能夠改善應(yīng)力分布狀況。

2.4.2 應(yīng)力大小對比

顯然，無論是由于重力和內(nèi)壓產(chǎn)生的純機(jī)械應(yīng)力，還是升溫或降溫過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力，新型結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力峰值均大于整體鍛件內(nèi)的應(yīng)力。所以就受到應(yīng)力大小而言，整體鍛件結(jié)構(gòu)要優(yōu)于新型結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

總體來說，兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，整體鍛件結(jié)構(gòu)的成本比較高，制造、安裝難度比較大，但是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況更為理想，壽命也更長。新型結(jié)構(gòu)的成本相對較低，結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力分布較差，相對更容易產(chǎn)生缺陷。選用何種塔裙連接方式，需要按具體情況而定。兩種結(jié)構(gòu)的對比具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）就結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力分布而言，無論是由于內(nèi)壓和塔體重力產(chǎn)生的純機(jī)械應(yīng)力，還是由于升溫或降溫導(dǎo)致的熱應(yīng)力，整體鍛件內(nèi)的應(yīng)力峰值都要小于新型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。即整體鍛件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布要優(yōu)于新型結(jié)構(gòu)，新型結(jié)構(gòu)在正常工作時的應(yīng)力集中狀況不甚理想，撫順焦炭塔的開裂正說明了這一點(diǎn)。

（2）整體鍛件結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力產(chǎn)生在塔裙連接部位圓弧過渡處的裙座上，新型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力產(chǎn)生在塔裙焊接結(jié)構(gòu)上部角焊縫上方的塔體上。相對來說，裙座的承受能力更弱一些，即新型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中位置相對比較理想。

（3）整體鍛件的制造更加困難，需要專門訂貨，先將鋼錠鍛造成坯料，然后進(jìn)行機(jī)加工，為留出加工余量，使得坯料尺寸大于所需尺寸，造成原材料的浪費(fèi)，并且機(jī)加工量大，加工周期長。