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焦化塔鼓包缺陷的極限載荷分析

2021-10-28 08:47唐夏燾葉宇峰蔡剛毅宋宇軒
化工機(jī)械 2021年5期
關(guān)鍵詞:鼓包焦化焊縫

唐夏燾 葉宇峰 項(xiàng) 智 蔡剛毅 宋宇軒

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院 浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

焦化塔是將減壓后的渣油加工成輕質(zhì)燃油,并同時(shí)得到石油焦的一種裝置。 石化物料在加熱爐中被加熱到500 ℃左右后,輸送到焦化塔進(jìn)行焦化反應(yīng)。 作為焦化工藝中的核心設(shè)備——焦化塔是煉油廠(chǎng)所有壓力容器中使用環(huán)境最?lèi)毫拥脑O(shè)備之一。焦化過(guò)程中,焦炭塔要完成周期性的工作,需要反復(fù)冷卻和加熱,所受載荷也反復(fù)變化,同時(shí)還要承受高壓水沖擊等苛刻的工況條件,這就導(dǎo)致焦炭塔在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)塔體腐蝕、變形和鼓包,甚至有焊縫開(kāi)裂、塔體傾斜等情況[1,2]。

目前,認(rèn)為焦炭塔鼓脹變形和開(kāi)裂的主要原因是在初始預(yù)熱和急冷階段存在嚴(yán)重的熱梯度,導(dǎo)致產(chǎn)生超過(guò)屈服極限的熱應(yīng)力,引起塑性變形和淺裂紋萌生,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,兩項(xiàng)缺陷加強(qiáng)為鼓脹和開(kāi)裂[3,4]。另外,冷焦過(guò)程中,液面逐漸上升,與塔壁相交圓周處的應(yīng)力發(fā)生迅速升高與回落,由此產(chǎn)生的溫差應(yīng)力是導(dǎo)致塔體殘余應(yīng)力和鼓包變形的主要因素[5,6]。 因此,如何提高焦化塔的完整性和可靠性一直是個(gè)難題。 筆者按ASME—2015鍋爐與壓力容器規(guī)范計(jì)算焦化塔的極限載荷,又根據(jù)API 579—2016維護(hù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則校核焦化塔的整體不圓度,判斷該設(shè)備能否滿(mǎn)足操作工況下的要求。

1 焦化塔概況

焦化塔的主要技術(shù)參數(shù)如下:

介質(zhì) 油氣

設(shè)計(jì)壓力 350 kPa

設(shè)計(jì)溫度 430 ℃

工作壓力 100 kPa

工作溫度 104 ℃(塔頂)/415 ℃(塔底)

耐壓試驗(yàn)壓力 813 kPa

承壓元件材料 Q345R+S11306(襯里)

焦化塔塔體內(nèi)徑為6 400 mm,上筒體公稱(chēng)厚度為18.0 mm+3.0 mm(襯里),缺陷最薄處的厚度20.9 mm。 缺陷位置如圖1所示, 橫縫是塔體頂部第2道環(huán)焊縫,A1、A2焊縫對(duì)稱(chēng)位于吊耳處,1#~3#鼓包缺陷均在其附近,內(nèi)壁上的鼓包呈非規(guī)則橢圓形(圖2),具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 缺陷尺寸參數(shù) mm

圖1 缺陷位置示意圖

圖2 缺陷現(xiàn)場(chǎng)照片

2 有限元模型

采用ANSYS軟件,對(duì)焦化塔進(jìn)行極限載荷分析。 將3個(gè)鼓包的形狀都簡(jiǎn)化為橢圓形,根據(jù)其分布形式劃分為兩種結(jié)構(gòu) (含1#鼓包缺陷和含2#、3#兩個(gè)相近的鼓包缺陷)分別進(jìn)行分析,由此建立局部結(jié)構(gòu)的有限元模型和網(wǎng)格模型(圖3、4)。

圖3 含1#鼓包缺陷的設(shè)備局部結(jié)構(gòu)模型

圖4 含2#、3#鼓包缺陷的設(shè)備局部結(jié)構(gòu)模型

其中,三維實(shí)體模型采用SOLID95單元(20節(jié)點(diǎn)),上法蘭模型包括的單元數(shù)為105 105個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)量529 928個(gè);邊界條件為模型下部截面施加全約束,模型內(nèi)表面施加內(nèi)壓。

3 極限載荷計(jì)算結(jié)果分析

有限元計(jì)算模型材料屬性采用理想彈塑性材料,Q345R在設(shè)計(jì)溫度430 ℃下的許用應(yīng)力Sm取值為93 MPa。 按照ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范[7]進(jìn)行焦化塔結(jié)構(gòu)的極限載荷分析,材料的屈服極限應(yīng)為1.5Sm,即140 MPa,取結(jié)構(gòu)失效時(shí)應(yīng)變最大處的106998#節(jié)點(diǎn)為考察點(diǎn), 在不同的子步下,該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變與內(nèi)壓的關(guān)系如圖5所示,升壓至277 kPa后,有限元計(jì)算不再收斂,故極限載荷為277 kPa,此時(shí)觀(guān)察點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?.016 7。

圖5 106998#節(jié)點(diǎn)應(yīng)變與內(nèi)壓的關(guān)系

在極限載荷277 kPa下,提取塔體兩處缺陷的SEQV應(yīng)力云圖(圖6)。

圖6 塔體兩處缺陷的SEQV應(yīng)力云圖

由圖6可看出:1#鼓包的應(yīng)力主要集中在缺陷上下兩端且上下對(duì)稱(chēng), 而最大應(yīng)力位于上端附近,左右兩側(cè)的應(yīng)力較?。粌蓚€(gè)相近缺陷(2#和3#鼓包) 的應(yīng)力覆蓋兩個(gè)缺陷及其之間的部位,呈蝴蝶狀,左右對(duì)稱(chēng),最大應(yīng)力位于兩個(gè)缺陷之間的部位。

在極限載荷277 kPa下,提取塔體兩處缺陷的應(yīng)變?cè)茍D(圖7)。由圖7可看出:1#鼓包的應(yīng)變分布與其應(yīng)力分布基本對(duì)應(yīng),即主要集中在缺陷上下兩端且上下對(duì)稱(chēng),而最大應(yīng)變發(fā)生在缺陷上端附近,左右兩側(cè)的應(yīng)變幾乎為零;兩個(gè)相近的缺陷(2#和3#鼓包)的應(yīng)變主要集中在兩個(gè)缺陷的邊緣及其之間的部位,左右基本對(duì)稱(chēng),最大應(yīng)變發(fā)生在右側(cè)缺陷的中心部位。

圖7 塔體兩處缺陷的應(yīng)變?cè)茍D

4 整體不圓度的極限承載能力分析

根據(jù)API 579-1—2016 維護(hù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[8]對(duì)焦化塔圓筒形殼體的整體不圓度進(jìn)行評(píng)定, 在殼體產(chǎn)生損傷后的剩余強(qiáng)度因子RSF應(yīng)該大于標(biāo)準(zhǔn)推薦值0.9。

式中 Hf——形狀偏差應(yīng)力系數(shù);

Rb、Rbs——偏移量系數(shù);

Sm——設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力;

σm——設(shè)備的薄膜應(yīng)力;

σms——附加載荷。

剩余強(qiáng)度因子RSF先取0.9(推薦值),附加載荷σms=0、Hf=3.0、Rb=5.31,反推設(shè)備的薄膜應(yīng)力σm為41.3 MPa。

根據(jù)API 579-1—2016附錄A中的薄膜應(yīng)力計(jì)算方法可知:

式中 E——焊縫系數(shù);

Rc——標(biāo)準(zhǔn)半徑;

tc——構(gòu)件現(xiàn)有壁厚;

tci——構(gòu)件過(guò)渡厚度。

焊縫系數(shù)E取0.7、Rc=3225 mm、tc=20.9 mm,tci=4.1 mm,反推該設(shè)備的極限載荷P=222 kPa。

5 結(jié)論

5.1 按照ASME—2015鍋爐與壓力容器規(guī)范進(jìn)行分析, 得到焦化塔結(jié)構(gòu)的極限載荷為277 kPa。根據(jù)API 579-1—2016維護(hù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)焦化塔圓筒形殼體的整體不圓度進(jìn)行評(píng)定,得到該設(shè)備的極限載荷為222 kPa。

5.2 通過(guò)ANSYS分析,單獨(dú)鼓包缺陷(1#鼓包)的應(yīng)力、應(yīng)變主要集中在缺陷上下兩端,最大值均位于缺陷上端附近。 兩個(gè)相近的鼓包缺陷(2#和3#鼓包)的應(yīng)力覆蓋整個(gè)缺陷以及兩缺陷之間的部位,最大應(yīng)力位于兩個(gè)缺陷之間的部位,發(fā)生應(yīng)變的部位主要在兩個(gè)缺陷的邊緣及其之間,最大應(yīng)變發(fā)生在右側(cè)缺陷的中心部位。

5.3 兩種方法得到的極限載荷相差不多,都未超過(guò)設(shè)計(jì)壓力350 kPa, 能滿(mǎn)足工作壓力100 kPa的工況要求,但整體不圓度評(píng)定結(jié)果相對(duì)保守。

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