兩種焦炭塔裙座連接結構應力對比分析

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，進而對比新型板焊結構和整體鍛件結構的優劣性，為此后大型焦炭塔裙座連接部位的結構設計提供參考。兩種結構的對比主要圍繞結構內應力分布的對比。運用有限元分析軟件ANSYS建立新型板焊結構以及整體鍛件的二維模型，對結構只受重力和內壓、升溫、降溫三種工況分別進行分析，分別得出在三種工況下結構內的機械應力和熱應力。根據分析結果，對比兩種結構的等效應力強度大小和應力集中點的位置。通過對比，可以得出以下結論：新型板焊結構在三種工況下的最大應力均出現在上部角焊縫上方的塔體上，最大值達到371.5MPa，是焦炭塔開裂的主要原因；整體鍛件的最大應力出現在裙座與塔體連接的圓弧過渡處，最大值為273.3MPa，應力分布狀況要優于新型板焊結構。

關鍵詞：焦炭塔；裙座；板焊技術；應力分析

中圖分類號：TQ 052 文獻標識碼：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，在焦炭塔設計中，采用板焊結構裙座，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，方便運輸，節省投資。但在運行過程中，于2011年7月在焦炭塔上發現裂紋，針對此，主要研究板焊新型結構對大型焦炭塔的適用性，以及其與整體鍛焊結構的對比分析，整體鍛焊結構如圖2所示。

1 常見裙座結構型式

裙座結構的好壞，直接影響著焦炭塔的壽命。裙座結構的設計，也就成為了焦炭塔設計的難點和重點。以往廣泛采用的結構形式主要有如下四種：

一般對接類型：結構比較簡單，但在焊接部位容易產生應力的集中；

搭接型：該類型結構相對簡單，但也易產生應力的集中和裂紋，從而引發焦炭塔塔體下沉；

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

整體鍛焊型：采用整體鍛件，應力集中系數小，產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石油化工設備與服務部發布的一份報告比較了這四種結構的應力分析結果。結果表明第四種型式的疲勞壽命最長，第三種型式次之。

2 兩種結構裙座應力分析

2.1 薄膜應力

焦炭塔屬于低壓容器，設計壓力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生的壓應力，另一部分是由內壓產生的軸向拉應力以及徑向應力。

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

（1）焦炭正常工作時內部介質壓力在0.2MPa左右，根據無力矩理論，由于內壓在筒體內部產生的應力分別為：

（2）

（3）

由計算結果得出在筒體內部作用的純機械載荷產生的應力遠小于材料的屈服強度。循環溫度載荷是破壞塔體結構完整性的主要原因，故塔體受到的熱應力為主要分析對象。

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目中直徑最大的焦炭塔。選用14CrlMoR作為焦炭塔的主體材質，單塔總高度為37m，板的厚度范圍為30～42mm，設計溫度500℃，設計壓力為0.35MPa，采用披掛式保溫結構，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構。

由于焦炭塔工作時溫度周期比較長，所以本文僅對其進行穩態溫度場分析。焦炭塔塔體過大，所以利用其結構的對稱性簡化計算，建立包含筒體、裙座、封頭在內的二維模型，他們的長度均遠大于2.5倍的應力衰減長度。焦炭塔塔裙焊接結構的應力分布情況為我們主要的研究目標，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，并分別設置其軸對稱選項。分別設置主體結構（包括塔體、封頭、裙座）和保溫層的導熱系數為35W/（m²·K）和0.114W/（m²·K）。采用混合網格劃分：面A₁、A₂、A₃三個面形狀規則，用map方式進行劃分，面A₄為非規則形狀面，采用free方式進行劃分。整個計算模型共劃分2717個單元。

在同等條件下建立整體結構計算模型。

2.3 兩種結構塔裙截面溫度及應力場分布

2.3.1 新型裙座連接結構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，保溫層外側因與空氣進行對流換熱達到平衡，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。因為保溫層膨松、材料間隙大等結構的特殊性，大的溫度梯度并不能在其內部引起較大熱應力。塔體和裙座則由于支座、管線以及其自身的約束產生很大熱應力?？梢灶A測，由于變形不均勻產生的熱應力會在結構突變部位集中，對結構的完整性形成威脅。溫度梯度引起的熱應力計算結果如圖4所示。

溫度升高會導致物體膨脹，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構的膨脹變形狀況。膨脹的不連續性受到結構的連續性制約，同時由于管線、支座等其他約束，導致熱應力的產生。由分析結果知，裙座和上部塔體均處于較高應力水平下，在兩者的連接部位，即塔裙連接的焊縫處出現了明顯的應力集中現象，熱應力達到300MPa以上。在遠離焊縫的部位，存在明顯的應力衰減。

利用ANSYS后處理模塊，顯示出結構二次應力與峰值應力的分布。由變形不協調產生的二次應力在焊縫處疊加，有明顯的集中現象，峰值應力整體較小，僅在焊縫處出現。為精確分析焊縫附近的應力分布情況，找出最大應力強度所在位置，需要對關鍵部位進行線性化處理，線性化路徑如圖5、圖6所示。處理結果見表1。

可見，最大應力出現在圖示的路徑1-1部位，最大應力值達到371.5MPa。這與焦炭塔裂紋發生位置相符合.根據標準JB-4732，在450℃下材料14CrlMoR的設計應力強度S_m為130MPa，焊縫上緣的筒體上最大應力為371.5MPa小于3倍的許用應力，滿足要求網。

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。

由分析結果得，保溫層外側與空氣進行充分對流換熱，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；塔體溫度較高，在490～500℃之間；保溫層內和裙座內存在較大溫度梯度。

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

可見，塔體以及封頭部位應力很小，僅在鍛件的圓弧過渡處出現一定程度的應力集中，最大應力約在160MPa左右；裙座部位則出現嚴重的應力集中現象，最大應力出現在圓弧過渡處，約為300MPa，此部位以外均出現不同程度的應力衰減現象。按照圖10所示的路徑對計算結果進行應力線性化處理，找出最大應力位置，分析結構安全性。

得到應力分類結果見表2。最大應力出現在圖示的路徑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整對應溫度，本文不再贅述。只在下文給出相應的結果。

2.4 兩種結構應力分布的對比分析

2.4.1 危險截面對比

新型塔裙連接結構的危險截面出現在焊縫上方的塔體上，而整體鍛件結構的危險截面出現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應力，裙座則由于承受更大的機械應力成為薄弱部位。所以在相同應力水平下，前一種結構通過形成新的應力集中點能夠改善應力分布狀況。

2.4.2 應力大小對比

顯然，無論是由于重力和內壓產生的純機械應力，還是升溫或降溫過程產生的熱應力，新型結構內的應力峰值均大于整體鍛件內的應力。所以就受到應力大小而言，整體鍛件結構要優于新型結構。

3 結論

總體來說，兩種結構各有優缺點，整體鍛件結構的成本比較高，制造、安裝難度比較大，但是結構內部的應力分布情況更為理想，壽命也更長。新型結構的成本相對較低，結構內的應力分布較差，相對更容易產生缺陷。選用何種塔裙連接方式，需要按具體情況而定。兩種結構的對比具體體現在以下幾個方面。

（1）就結構內的應力分布而言，無論是由于內壓和塔體重力產生的純機械應力，還是由于升溫或降溫導致的熱應力，整體鍛件內的應力峰值都要小于新型結構中的應力。即整體鍛件結構的應力分布要優于新型結構，新型結構在正常工作時的應力集中狀況不甚理想，撫順焦炭塔的開裂正說明了這一點。

（2）整體鍛件結構的最大應力產生在塔裙連接部位圓弧過渡處的裙座上，新型結構的最大應力產生在塔裙焊接結構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，即新型結構的應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，然后進行機加工，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，并且機加工量大，加工周期長。