专利名称：焦炭塔鼓胀变形应力分析及鼓胀容限工程评定方法
技术领域：
本发明涉及焦炭塔鼓胀变形应力分析及鼓胀容限的一种工程评定方法。
焦炭塔是炼油工业二次加工工艺中延迟焦化装置的塔状反应器，每48小时(或更短的操作时间)在常温与约495℃之间循环操作。塔壁上存在一个与操作工艺相应循环的十分复杂的三维温度场，对应着一个循环的十分复杂的三维应力场，该温度场和应力场均是很不均衡和很不稳定的。
从国内外的调查报道看，无论是碳钢、碳钼钢或铬钼钢材质，也无论塔体衬里与否，焦炭塔在运行一定周期后都会出现变形，包括筒节的鼓胀变形、筒体的宝葫芦变形、塔壁的局部凹凸变形、塔体整体的倾斜变形或弯曲变形、筒体横截面的非圆形变形等六种。据调查，1988年秋对国内八家炼油厂的焦炭塔有五家的出现明显变形。变形的危害性主要表现在它最终会引起环焊缝的热疲劳开裂，其次是它可能会引起塔体的轴向失稳。只要出现了表面开裂，裂纹肯定会扩展直到穿透塔壁。如何控制环焊缝内凹角变形处的综合应力水平，使之不发生轴向失稳已成为安全性问题的关键之一。
由于筒体的鼓胀，内压在环焊缝处引起的应力除了薄膜应力外，还有边缘弯曲应力。除内压、介质重量、自重等引起的应力外，还有因周期性温度循环所造成的温度梯度(径向、周向、轴向)引起的热应力和制造时焊接的残余应力。因此，焦炭塔的受力是相当复杂的，必须对应力状况进行分析。现场应力测算法和有限元方法过程复杂，费用高，受应用者的个性影响，且测算法受现场条件限制，又存在不少技术问题，不便使用。问题的实际是一个包含三维温差和时间维的四维问题，要想从理论上给出受力的精确值是很困难的。
焦炭塔的鼓胀容限也就是其环焊缝内凹角变形大小的容限。由角变形及错口量造成的附加弯曲应力的计算问题，日本的木原博、矢田等人都曾采用如
图1所示的拉板模型作过研究，并提出相应的计算公式。该模型用以描述焦炭塔鼓胀形成的角变形力学模型时也有差异较大，具体如下(1)以条板模型描述类球壳结构，提高了结构的几何刚度。薄板与薄壳相比，在刚度和强度方面都较差；(2)以单一的条板端面拉力描述类球壳结构侧面的面力(压力)和端面的压力，简化了受力；(3)以每米长度偏离的距离描述角变形的程度，限制了对角变形的细结构对局部应力的重大影响；(4)应力集中系数式无法区别环焊缝与纵焊缝的受力差异，也无法区别内壁面与外壁面的受力差异，将导致结果的保守或危险。因此，拉板模型不适宜作为焦炭塔角变形力学模型进行应力分析。
本发明解决应力分析问题所采用的技术方案是首先根据焦炭塔塔体鼓胀变形和宝葫芦变形的情况，以“球壳”环焊缝内凹角变形力学模型作为焦炭塔环焊缝处鼓胀变形的力学模型(见图1及其符号说明)，同时考虑到轴向应力式的修正及半径在轴向取值与周向取值时的差异。其次，根据焦炭塔实际的操作过程确定相关工况，应用“球壳”模型应力解析解式分析计算了内压在焦炭塔角变形处引起的应力集中系数及其局部薄膜应力，根据传统解析法计算了稳态热应力、残余应力、自重和风载引起的弯曲应力等应力值。再分别考虑热膨胀差的轴向应力组合条件、考虑热油静压的轴向应力组合条件、考虑热膨胀差的周向应力组合条件、考虑热油静压的周向应力组合条件，求取了焦炭塔鼓胀引起的环焊缝角变形处在高温操作阶段的组合应力。进一步比较不同组合应力后，发现内凹角变形达到一定水平时，其外壁轴向的组合应力和环向组合应力大都超过20g材料甚至达到了以15CrMoR高温持久极限为基础的许用应力，塔体处于不安全状态。同时，外壁总是受拉应力作用，内壁总是受压应力作用。应力集中系数均随变形程度的增大而增大，但是轴向应力集中系数增大的程度较大，当角变形弯曲程度m＞4，轴向应力集中系数已较周向应力集中系数大一倍以上。必须同时考虑弯曲程度m与角变形单边宽a以及角变形深度e三个参数才能合理反映角变形的客观规律。
本发明解决焦炭塔鼓胀变形容限工程评定方法所采用的技术方案是通过对鼓胀引起的环焊缝角变形处在高温操作阶段的组合应力分析比较，利用焦炭塔鼓胀变形容限即是由其引起的角变形深度的许可容限[e]的关系，列出了以环焊缝角变形深度(e)及其弯曲程度(m)为控制对象的焦炭塔角变形容限条件式以及由该条件式计算的数据表(见表1)，还绘制了以环焊缝角变形深度(e)及其弯曲程度(m)为控制对象的焦炭塔角变形容限曲线图(见图2)。使工程技术人员利用数据表或曲线图就能迅速方便地判断某一台焦炭塔现实的内凹角变形是否在安全许可范围。
本发明关于焦炭塔鼓胀变形容限工程评定方法的应用及注意事项如下(一)根据对焦炭塔内凹角变形的实测数据，由(1)式计算弯曲程度m。
具体方法是参照图1按角变形测量单边宽度a值分别测量e、es和S值，再按式(1)计算出不同的m值(注意在计算时e和es均应加上环焊缝与筒体的热膨胀差)，最后通过对m值的分布分析，确定一个m值。
为提高准确性，应多应用一些组数据进行计算，确定合适的m值。注意在同一台塔体中不同的环焊缝很可能计算出不同的m值，因为各自的弯曲程度不同。在同一条环焊缝中，也有可能根据其上下两侧静态的不同、以及静态角变形深度再加上瞬态热胀冷缩量后计算出两侧不同的m值。
同理，在同一侧环焊缝的环向也很可能计算出不同的m值，鉴于焦炭塔多种变形状的特殊性，不要试图将各变形程度不同部位的m值通过平均统一化。但是，对于环向各处不同的m值，如果以最大角变形处的m值为应力计算基础，扩展成轴对称力学模型所得的应力场，两者相差不大，且略偏安全[11]。
如果使用数据表(表1)进行评定，则(二)在表1中根据实测数据时所用样板与角变形处测出的角变形单边宽度a值及测算得的m值，查出对应的角变形深度的许可容限[e]，若实测的e≤[e]，则该角变形是安全的，否则是危险的。
如果使用曲线图(图2)进行评定，则(三)在图2的横坐标上找出实测数据时所用样板与角变形处测出的角变形单边宽度a值的点A。
(四)由点A向上作垂直线与相应于m值的曲线交于点B。当没有相应m值曲线时，通过内插法确定曲线位置及其B点。
(五)由点B向左作水平线与垂直坐标轴交于C点。
(六)C点的垂直坐标值即是该角变形深度的许可容限[e]，若实测的e≤[e]，则该角变形是安全的，否则是危险的。
下面对图1中的标记作进一步的说明1.上筒节，2.环焊缝，3.下筒节；O为焦炭塔环焊缝高度处筒体横截面圆的中心；R为名义子午线半径，当R＞7000mm时取7000mm；S是所分析的点位置处离环焊缝中心的弧长距离；e为角变形深度；es是所分析的点位置处的角变形深度；2a为角变形的非标准子午线的弦长；t为壁厚；G为环焊缝承受的重量；ψ=/πR180S,]]>为环焊缝角变形应力分析点的区域角；ψ1为环焊缝角变形区域角；ψ2为环焊缝角变形下半区域角；m为角变形非标准子午线的弯曲程度，决定于幂函数式ese=(1-ψψ1-ψ2)m---------(1)]]>m值越大，弯曲程度越大，但是在极小值m＝1时上式为一直线。
这里，图1是环焊缝内凹角变形力学模型及自重产生弯曲应力的示意图。图2是不同弯曲程度的角变形容限曲线图。
表1 不同弯曲程度下的鼓胀容限(角变形深度的许可容限[e])表
权利要求
1.关于焦炭塔鼓胀变形应力分析及鼓胀容限的一种工程评定方法，应用球壳模型分析计算了内压在焦炭塔角变形处引起的局部薄膜应力，根据传统解析法计算了稳态热应力、残余应力、自重和风载引起的弯曲应力等应力值，通过对组合应力分析比较，列出以环焊缝角变形深度及其弯曲程度为控制对象的焦炭塔角变形容限条件式及数据表，绘制以环焊缝角变形深度及其弯曲程度为控制对象的焦炭塔角变形容限曲线图，使工程技术人员利用数据表或曲线图就能迅速方便地判断某一台焦炭塔现实的角变形是否在安全许可范围。
2.根据权利要求1所述的焦炭塔鼓胀变形应力分析方法，其特征是应用球壳模型分析计算了内压在焦炭塔角变形处引起的局部薄膜应力，根据传统解析法计算了稳态热应力、残余应力、自重和风载引起的弯曲应力等应力值，再分别考虑热膨胀差的轴向应力组合条件、考虑热油静压的轴向应力组合条件、考虑热膨胀差的周向应力组合条件、考虑热油静压的周向应力组合条件求取不同工况条件下的组合应。
3.根据权利要求1所述的焦炭塔鼓胀变形容限工程评定条件式法，其特征是通过对焦炭塔环焊缝角变形组合应力分析比较，列出了以焦炭塔环焊缝角变形深度及其弯曲程度为控制对象的焦炭塔角变形容限条件式，使工程技术人员利用条件式方便地判断某一台焦炭塔现实的角变形是否在安全许可范围。
4.根据权利要求1所述的焦炭塔鼓胀变形容限工程评定数据表法，其特征是通过对焦炭塔环焊缝角变形组合应力分析比较，列出了以焦炭塔环焊缝角变形深度及其弯曲程度为控制对象的焦炭塔角变形容限数据表，使工程技术人员利用数据表能迅速方便地判断某一台焦炭塔现实的角变形是否在安全许可范围。
5.根据权利要求1所述的焦炭塔鼓胀变形容限工程评定曲线图法，其特征是通过对焦炭塔环焊缝角变形组合应力分析比较，绘制了以焦炭塔环焊缝角变形深度及其弯曲程度为控制对象的焦炭塔角变形容限曲线图，使工程技术人员利用曲线图就能迅速方便地判断某一台焦炭塔现实的角变形是否在安全许可范围。
全文摘要
关于焦炭塔鼓胀变形应力分析及鼓胀容限的一种工程评定方法。为了既克服现场应变片应力测算法受现场条件限制和有限元分析法过程复杂的困难，也克服拉板模型描述焦炭塔鼓胀容限引起环焊缝角变形的存在问题，应用球壳模型分析计算内压在焦炭塔角变形处引起的局部薄膜应力，根据传统解析法计算稳态热应力、残余应力、自重和风载引起的弯曲应力等应力值，通过对组合应力分析比较，列出以环焊缝角变形深度及其弯曲程度为控制对象的焦炭塔角变形容限条件式及其数据表，绘制以环焊缝角变形深度及其弯曲程度为控制对象的焦炭塔角变形容限曲线图，使工程技术人员利用数据表或曲线图就能迅速方便地判断某一台焦炭塔现实的角变形是否在安全许可范围。
文档编号G01N3/00GK1521493SQ0310365
公开日2004年8月18日 申请日期2003年2月5日 优先权日2003年2月5日
发明者陈孙艺 申请人:陈孙艺