延迟焦化装置焦炭塔典型损伤机理分析及修复

焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备，对焦炭塔进行科学有效的定期检验，保障其长期安全稳定的运行是炼油厂取得高收益的前提。由于工作条件复杂恶劣，焦炭塔普遍存在着焊缝裂纹、开裂、鼓凸，甚至塔体变形等问题。采用内外部表面检查、壁厚和硬度测定、金相检验、无损检测及三维激光扫描等方式对焦炭塔进行全面内检，发现焦炭塔存在筒体环焊缝开裂、鼓凸和接管焊缝裂纹等损伤。通过对焦炭塔设备结构和工艺特点、生焦周期及定期检验等研究分析，认为操作温度的剧烈变化、生焦周期缩短及未有效定期内检是产生内部缺陷的主要原因。通过补焊、消氢和焊后热处理等工序，缺陷得到有效修补，返修后装置运行良好，为焦炭塔长周期运行打下了良好基础。     

焦炭塔裙座焊缝裂纹分析及修复

焦炭塔长期运行在高温及充焦、除焦的冷热疲劳操作条件下,出现了塔体与裙座焊缝裂纹或穿透,尤以T101C塔的裂纹最为严重,其穿透的裂纹内侧长度达30 mm,外表面裂纹长度已近3 m,其余三塔外表面裂纹长度也有1～2 m,均集中表现在除焦阀下方焊缝位置。文章通过对焦炭塔的使用状况及应力分析,指出了裙座焊缝裂纹产生的原因。同时对焦炭塔返修和操作中应注意的问题进行了总结。     

焦炭塔堵焦阀接管部位在各种载荷和不同补强条件下的应力计算

对焦炭塔堵焦阀接管部位分别进行了在塔顶馏出管线所作用的管端推力（矩）以及塔体轴、径向温差和接管与塔体连接区域温差载荷下的应力计算。结果表明，管端推力（矩）对该部位的应力起着重要作用。并将新塔堵焦阀部位的整体接管补强与旧塔的补强圈补强进行了应力对比，证明新塔接管焊缝处应力数值减小。     

全站仪在焦炭塔几何尺寸测量中的应用

介绍了一种用于已经产生塔体鼓凸变形及塔体倾斜的焦炭塔几何尺寸测量的仪器——全站仪。采用全站仪可对已长期使用的焦炭塔的所有几何尺寸进行测量以评定其变形或倾斜的程度。全站仪采用统一的测量方法与标准,解决了以前对焦炭塔几何尺寸测量方法不统一、不规范和测量结果不准确的缺陷,从而使测量数据具有可比性、可追溯性。     

基于三维数值模拟的焦炭塔塔体失效研究

建立了结构上完整的焦炭塔三维有限元分析模型,考虑了塔内焦炭对塔体受力的影响以及内压边界随时间变化等因素,对焦炭塔整个工作过程进行瞬态温度-结构耦合分析,模拟应力、应变场,并与塔体失效的实际检测结果进行对比分析。采用间接耦合方法进行焦炭塔结构分析,选用Solid 45单元。分析结果表明,周期变化的温差应力是焦炭塔产生高应力的根本原因,尤其是水冷阶段焦炭塔温度迅速降低,产生了较高的热应力;焦炭塔1个工作周期内,下部筒体环焊缝和裙座搭接焊缝等开裂部位承受着大幅值的循环热应力作用。     

焦炭塔裙座隐患分析及改造

根据焦炭塔长期在高温、充焦及除焦的冷热疲劳作用下运行容易出现裙座与筒体焊缝局部开裂、裙座变形、塔体倾斜等问题,对抚顺石化公司石油一厂T-4焦炭塔裙座存在的隐患进行了分析,介绍了设备的改造过程,可供其他同类企业借鉴.     

焦炭塔工作过程仿真计算

对延迟焦化装置的焦炭塔工作过程进行仿真,采用5个瞬态分析步分析了焦炭塔从新塔准备直至老塔处理5个阶段的温度场分布,进而综合考虑温度、压力、重力作用进行应力分析。模拟计算结果表明,工作周期内,裙座连接处的应力较高。水冷过程中,随着冷却水的注入,液面附近筒体存在高局部应力,产生微小塑性变形,经循环累积,会导致塔体鼓胀变形。     

延迟焦化装置焦炭塔安全评估与剩余寿命预测方法

延迟焦化装置中的焦炭塔长期受到温差和机械载荷的共同作用,在这些交变载荷的作用下,焦炭塔体中部易产生鼓胀变形,裙座角焊缝也容易萌生裂纹。因此,如何评估焦炭塔的安全性,并对其疲劳寿命进行预测一直是工程界和学术界的研究难点。运用有限元技术,针对焦炭塔容易产生失效的两个部位,分别位于塔体中部鼓胀位置和塔体下部裙座焊接接头位置进行风险评估,得到整个周期内焦炭塔出现最大应力的危险时间点,再运用ASME VIII-2中相关技术校核危险部位的安定性,最后运用Manson-Coffin公式和S-N曲线方法分别预测焦炭塔的剩余寿命。方法的建立为炼油装置中类似设备的风险评估和寿命预测工作提供了技术支撑。     

焦炭塔水冷倾斜过程的有限元模拟、安全评价与应对措施

针对焦炭塔发生的水冷倾斜现象,基于ANSYS软件,建立含分枝孔道焦炭的焦炭塔有限元模型,模拟了焦炭塔在水冷阶段的瞬态温度场,进一步求得了热应力、应变场及焦炭塔发生倾斜变形的过程。结果表明:水冷阶段形成冷点,其轴向、周向温度场分布不均产生的温差应力和冷热收缩不均产生的弯曲应力共同作用使塔体在该处发生弯曲变形,进而诱发塔体的整体倾斜。塔体倾斜使得裙座部分区域所受薄膜应力远高于屈服强度。针对裙座强度不足问题,实施了加筋弧板补强方案,验算表明该方案能有效降低裙座薄膜应力。含分枝孔道焦炭模型和对裙座的加筋弧板补强方案对焦炭塔的倾斜分析及其应对措施具有参考价值。     

在用焦炭塔塔体变形安定性分析与脆裂评定

对茂名石油化工公司炼油厂延迟焦化装置的焦炭塔进行了内外表面检查、壁厚测定、磁粉检测、渗透检测、超声波检测、硬度测定、金相分析和水压试验等分析检测 ,并结合我国有关科研院所和高等学校对国内焦炭塔进行的温度场、应变场现场测试及有限元计算结果 ,按照安定性准则 ,对焦炭塔塔体变形做了安定性评定 ,评定结果认为塔体目前的应力水平满足安定性条件准则。根据CVDA— 1 984《压力容器缺陷评定规范》 ,对超声波检测出的 78处裂纹做了脆裂评定 ,结果认为 78处裂纹可以保留 ,焦炭塔可以继续安全运行     

ф9800mm焦炭塔裂纹应力分析

某石化公司ф9800mm焦炭塔是国内最大的焦炭塔,塔裙连接处采用一种新型焊接结构,投入使用8个月,在塔裙连接处的应力槽部位出现裂纹,文章针对裂纹产生部位建立有限元模型,进行应力分析及评定。结果表明,由于温度变化产生的热应力是导致出现裂纹的主要原因。     

拘束度耦合模型计算管道焊接残余应力

焊接残余应力是造成焊缝开裂失效的主要原因,因而精确描述应力对于管道安全输送极为重要,而外加拘束是影响焊接应力分布的众多因素之一。为此,应用ANSYS仿真软件,采用实体—壳单元耦合建模方法,建立了拘束度与焊接过程的温度场和应力场耦合仿真模型,研究了拘束对油气管道焊缝应力的影响。同时,还基于自建的1套自拘束焊接试验装置,实现了不同拘束状态下管道的焊接,并通过应变仪采集焊接过程中的应力应变数据,与模拟结果进行对比,进而证明了ANSYS 仿真耦合模型的有效性。结果表明：①对于两端约束的钢管焊接对接接头,随着管长增加,焊缝处的轴向应力减小,在距离焊缝230 mm处的轴向应力亦减小;②焊趾处的塑性应变亦减小,整体焊接结构的拘束度降低;③焊接的管道残余应力随着拘束度的上升而增大,拘束情况对焊接残余应力的影响明显;④拘束度最大的0.5 m×0.5 m管子,其焊接残余拉应力最大可达140 MPa,高残余拉应力会严重削弱管道的整体性能。进而提出建议：加强管道建设期间的焊接施工管理,避免产生管道焊接时的强拘束。     

焦炭塔过渡段区域的热应力有限元分析

应用Ansys有限元软件,以茂名石化分公司的焦炭塔原始数据为条件,建立了焦炭塔有限元模型,分析了焦炭塔各个操作阶段塔简体和锥体的过渡段(锻件)的应力分布情况.结果表明:焦炭塔的过渡段的应力在升温阶段和降温阶段分别达到最大值和最小值.环向应力、轴向应力和Mises等效应力在简体与过渡段连接焊缝附近和过渡段与裙座连接焊缝附近达到峰值.     

焦炭塔防变形设计的数值分析方法及应用

通过动态坐标系利用有限元法模拟了恒速上升的液体介质在焦炭塔内沿塔壁爬升的动态边界工况 ,对其在塔壁中引起的径向和轴向二维瞬态温度场进行了计算分析 ,计算中可考虑塔壁材料物性随温度的变化关系。由计算分析首先证明冷焦水在塔壁上造成的径向温差和轴向温度梯度均明显大于进油过程 ,确定了焦炭塔的防变形设计重点应该在如何控制冷焦阶段的热应力。其次把焦炭塔防变形设计骤冷因数的原理与动态模型结合一起 ,建立了能直观反映进料流量、界面升速、塔壁温度场、塔壁热应力、塔体塑性应变变形等前因后果定量关系的研究模型 ,使防变形骤冷因数有了清晰的理论基础。该模型及方法可用于壁厚的设计选优或类似问题的处理     

大型焦炭塔的设计及其改进

主要介绍上海石化股份有限公司1．0Mt/a延迟焦化装置中直径8400mm的大型焦炭塔的设计情况。对塔体材质的选择、塔体裙座的结构形式进行了分析。该塔泡沫层以上采用(15CrMoR OCr13Al)复合板，简体下部采用15CrMoR。按疲劳容器的要求设计该塔，采取措施防止裙座与筒体焊缝处出现裂纹和塔底座螺栓松动。概括介绍了该公司1．4Mt／a延迟焦化装置中直径8800mm焦炭塔的设计情况。     

焦炭塔顶颈部筒体减薄及油气出口接管焊缝开裂原因分析

广州分公司延迟焦化装置焦炭塔运行8年后发现塔顶颈部与油气出口接管连接处焊缝产生了裂纹,分析其原因:(1)接管处是几何不连续区域,应力水平偏高;(2)焦炭塔的操作是循环往复式的,构成了疲劳载荷,进而产生了循环应力应变;(3)介质中的H2S和HCl对塔壁造成腐蚀。针对产生的原因,采取了在焦炭塔上部及塔顶颈部衬一层0Cr13Al和更换塔顶筒体和油气出口接管等措施,为焦化装置的长周期运行奠定了基础。     

DN1 200 mm钢管螺旋焊缝焊接温度场及应力场有限元分析

为了研究X80管线钢在焊接过程中温度场及应力场的分布情况,以DN 1 200 mm X80螺旋焊管为研究对象,采用有限元分析软件Abaqus分别沿着管道的内螺旋线和外螺旋线进行焊接模拟。结果表明,焊接过程中热源中心最高温度可达1 650 ℃。在焊接内圈时,温度场对称分布;而在焊接外圈时,温度场分布不对称。在焊接完内圈的瞬间,接头最高温度约1 200 ℃,管道内侧的应力峰值为850 MPa。在焊接完外圈的瞬间,接头最高温度为1 300 ℃左右,管道内侧的应力峰值约为620 MPa。管道内侧焊接完成后,在对管道外侧焊接过程中,外侧焊缝处产生的应力场不仅使峰值应力降低,还使应力分布变得更加均匀。试验表明,通过分析内外螺旋焊缝的温度场和应力场分布以及形变情况,对于在焊接过程中内焊裂纹的预防有重要意义。     

液压顶紧器螺纹联接强度变形分析

液压顶紧器是焦炭塔底卸盖机中起密封作用的主要设备之一。鉴于液压顶紧器的工作环境温度高、承受栽荷强度大等特点,对其与底盖装配处容易失效的螺纹进行强度与变形计算。利用ANSYS传热分析给出螺纹部分的温度进而确定材料在该温度下的力学性能,并施加预紧力及外载荷,采用非线性接触分析得出应力应变变化情况,此计算结果可为类似设备的改进设计提供一定的理论依据。