焦炭塔热机棘轮效应的安定性分析.pdf

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1、化工机械2010年焦炭塔热机棘轮效应的安定性分析李国成+张文吴娜(中国石油大学(华东))摘要利用常用的安定性分析和有限元安定性分析两种方法对焦炭塔进行安定性分析，结果表明，焦炭塔塔壁存在径向、轴向和周向的应力，且热应力占主要成分，影响较大。采用安定性准则进行评价，得出焦炭塔满足安定性条件的结论。并对两种方法进行了比较，得出有限元安定性分析法是一种较好的安定性校核方法。关键词焦炭塔安定性分析有限元中图分类号TQ053．5文献标识码A文章编号0254_6094(2010)04-04“七4焦炭塔是延迟焦化装

2、置的重要设备，其操作条件苛刻，是承受热循环和机械应力循环的压力容器。频繁的加热、冷却使焦炭塔筒体与裙座连接处产生很高的应力强度，容易出现强度问题引起的多种失效形式。当热应力的值已经超过材料的屈服强度时，局部高应力区分为塑性区和弹性区两部，热箱顶部的两侧位置应力较大，鉴于焦炭塔变温操作的复杂性，为了增加其结构的安全性，有不少人对焦炭塔进行安定性分析¨’21。文献[3]对某公司炼油厂在役焦炭塔进行塔体变形安定性分析、脆断评定以及疲劳评定等，得出了现役焦炭塔可安全运行的结论。文献[4]得出了所研究的在役焦炭

3、塔材质并未劣化并对其进行了寿命估算，为以后的安全运行做出了科学的评价。文献[5，6]则使用数值分析的方法模拟在役焦炭塔的热过程。棘轮效应是循环载荷的一种失效形式，笔者将针对焦炭塔的热机棘轮效应使用常用和有限元安定评析方法进行焦炭塔的安定性分析，判定焦炭塔的安全状态，并比较得到有限元安定评析方法的正确性和优越性。1有限元模型的建立1．1几何模型的简化由于建模和分析计算的复杂性，因此在建立分析模型前对焦炭塔实体模型进行简化。考虑到边界效应影响区域的大小，将模型下部包括裙座、锥形封头以及锥形封头上下相连的部

4、分简体单独划出来，形成所用的分析实体模型，然后将其简化为轴对称几何模型，同时采用部分裙座结构，考虑到模型的复杂性，暂时忽略材料性质不同所带来的问题，把焊缝看成与母材性质一样的材料来处理，将保温层视为一层简单的复合硅酸盐材料，并且要单独建模，从而构建热箱。基于上述几何结构的简化，采用自底向上法和自顶向下法相结合的方法建立焦炭塔实体模型。其几何模型如图1所示。·李国成，男，1951年11月生，副教授。山东省东营市，257061。图1焦炭塔几何模型第37卷第4期化工机械4451．2计算模型的基本参数焦炭塔的

5、直径为8400mm，高度为35528mm。其主体材料为15CrMo钢，裙座材料为Q235．A，保温材料主体材料是复合硅酸盐。焦炭塔的具体设计参数如下：设计压力0．35MPa设计温度450—490℃工作介质渣油、油气、水蒸气、焦炭塔体规格曲8400mm×35528mm×34／30／28／26mm保温材料复合硅酸盐保温层厚度140mm材料15CrMoR1．3边界条件传热模型的边界条件表示如图2，其中数据见表1。图2传热模型边界条件图示表1传热模型边界条件数据1．4网格划分由于笔者提到的塔壁、裙座和保温层等

6、大部分都是规则图形，因此采用映射网格划分。对于整体锻件，其几何模型不规则，采用自由网格划分。利用APDL语言建立模型，得到的焦炭塔有限元模型如图3所示。图3有限元模型及局部放大图2结果及讨论2．1常用安定性方法综合分析机械载荷和热载荷产生的应力，发现机械载荷的最大应力位置在封头内壁处，如图4中的点1373；热应力的最大值对应于不同的阶段，主要出现在裙座与简体连接处的内部凹面的左右两侧，如图4中的点1305和点2475。趋于保守性考虑，对这3个位置分别进行应力分析。图4热应力及线性化处理的路径示意图塔壁

7、温度在整个生产周期中随着时间一直发生变化，所以所承受的热应力也不断地改变，笔者利用后处理器／POST26分别读取这3个节点的热应力值，在整个周期的变化曲线中确定出各点最大应力的时刻，对各点该时刻的应力按照图4所示的路径进行线性化处理。施加0．35NPa的内压等边界条件后，求得机械应力场。比较得知，热446化工机械2010焦应力占应力成分中的绝大部分。趋于保守性考虑，将各部分的最大值进行组合，焦炭塔操作过程中各阶段的组合应力计算结果见表2。表2应力组合结果采用安定性准则对塔壁进行强度校核，选择安全系数为

8、n．=1．6，由15CrMoR材料的屈服强度值计算求解所用温度下的许用应力。由公式，r[Or]=∑分别得出180、290。C以及70。C时的许用n‘应力。对各个位置的最大组合应力结果进行安定性分析如下：点2475处，温度为180℃，Or=344．289<3[矿]=3×195．625=586．875MPa；点1305处，温度为290℃，盯=298．476<3[盯]=3×180．625=541．875MPa；点1373处，温度为70℃，Or=343．5<3[