两种焦炭塔裙座连接结构应力对比分析_安朋亮

第46卷第1期 当 代 化 工 Vol.46，No.1 2017年1月 Contemporary Chemical Industry January，2017

两种焦炭塔裙座连接结构应力对比分析

安朋亮，刘 峰*，赵志阳

（辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 1130011）

摘 要：以某石化公司焦炭塔为研究对象，首先分析焦炭塔受力情况，进而对比新型板焊结构和整体锻件结构的优劣性，为此后大型焦炭塔裙座连接部位的结构设计提供参考。两种结构的对比主要围绕结构内应力分布的对比。运用有限元分析软件ANSYS 建立新型板焊结构以及整体锻件的二维模型，对结构只受重力和内压、升温、降温三种工况分别进行分析，分别得出在三种工况下结构内的机械应力和热应力。根据分析结果，对比两种结构的等效应力强度大小和应力集中点的位置。通过对比，可以得出以下结论：新型板焊结构在三种工况下的最大应力均出现在上部角焊缝上方的塔体上，最大值达到371.5 MPa，是焦炭塔开裂的主要原因；整体锻件的最大应力出现在裙座与塔体连接的圆弧过渡处，最大值为273.3 MPa，应力分布状况要优于新型板焊结构。 关 键 词：焦炭塔；裙座；板焊技术；应力分析

中图分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）01-0119-04

Stress Analysis on Two Kinds of Connection Structures of Coke Tower Skirt

DOI:10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2017.01.036

AN Peng-liang, LIU Feng*, ZHAO Zhiyang

（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001, China）

Abstract : Taking the coke tower in a Fushun petrochemical company as the research object, stress situation of the coke tower was analyzed. Then the new plate welding structure and the overall forgings structure were compared to find their superiority and inferiority, which could provide a reference for the design of coke tower in future. The comparison was carried out from the aspect of stress distribution within the structure. The finite element analysis software ANSYS was used to establish the two dimensional model of the new plate welding structure and the overall forgings structure. Under these three conditions of gravity and pressure, heating stage and cooling stage, the structures were analyzed to obtain the mechanical stress and thermal stress. According to the results, the stress intensity and location of the maximum stress of the two structures were compared. By contrast, the following conclusions were drawn: The maximum stress of the new plate welding structure under three conditions was all found in the cylinder over the upper welded joint, the maximum stress was 371.5 MPa. It was the main reason for the cracks. The maximum stress of the overall forgings structure was found in the circular arc transfers of the connection between the tower and the skirt. The maximum stress was 273.3 MPa. It was better than the new structure. Key words: coke tower; skirt; plate welding technology; stress analysis

中国石油某石化分公司240万t/a

延迟焦化装置，在焦炭塔设计中，采用板焊结构裙座，如图1所示。

体锻焊结构如图2所示。

图1 板焊结构示意

Fig.1 Plate welding structure diagram

图2 整体锻焊结构示意

Fig.2 Overall forge welding structure diagram

裙座与下封头连接型式制造难度大，在满足焦炭塔疲劳寿命要求的前提下，方便运输，节省投资。但在运行过程中，于2011年7月在焦炭塔上发现裂

纹，针对此，主要研究板焊新型结构对大型焦炭塔的适用性，以及其与整体锻焊结构的对比分析，整

1 常见裙座结构型式

裙座结构的好坏，直接影响着焦炭塔的寿命。裙座结构的设计，也就成为了焦炭塔设计的难点和重点。以往广泛采用的结构形式主要有如下四种：

一般对接类型：结构比较简单，但在焊接部位

收稿日期： 2016-08-08 作者简介： 安朋亮（1990-），男，河北省廊坊市人，硕士，研究方向：过程装备新型材料与腐蚀防护。E-mail：[email protected]。 通讯作者： 刘峰（1971-），男，教授，博士后，研究方向：材料腐蚀与防护技术。E-mail：[email protected]。

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容易产生应力的集中；

搭接型：该类型结构相对简单，但也易产生应力的集中和裂纹，从而引发焦炭塔塔体下沉；

堆焊型：堆焊型的应力集中系数比较小，因此其产生裂纹的可能性小，但他的制造更复杂，焊接的工作量很大。裙座开槽孔（即膨胀缝），有利于应

[1]

力释放，防止焊缝开裂。但槽孔处易开裂。

整体锻焊型：采用整体锻件，应力集中系数小，产生裂纹的可能性最小，疲劳寿命最长，但加工困难，加工周期长，且价格昂贵。

在1995年由ASME石油化工设备与服务部发布的

[2]

一份报告比较了这四种结构的应力分析结果。结果表

[3]

明第四种型式的疲劳寿命最长，第三种型式次之。

2 两种结构裙座应力分析

2.1 薄膜应力

焦炭塔属于低压容器，设计压力0.35 MPa，下部塔体受到的力分为两部分，一部分是由于上部塔体的重力产生的压应力，另一部分是由内压产生的

[4]

轴向拉应力以及径向应力。

抚顺焦炭塔共10节，自下而上质量分别为15 291，15 291，23 049，23 049，20 614，20 614，15 518，15 518，14 545，14 545 kg，总重17 8034 kg。上部椭圆形封头质量为38 144 kg。因此，在裙座截面处由于重力产生的轴向压应力(MPa)为

σφ=

4G 4⨯216178⨯9.8

==-1.63 π(D -d ) 3.14（9884-9800）

由于焦炭塔工作时温度周期比较长，所以本文

仅对其进行稳态温度场分析。焦炭塔塔体过大，所以利用其结构的对称性简化计算，建立包含筒体、裙座、封头在内的二维模型，他们的长度均远大于

[7]

2.5倍的应力衰减长度。焦炭塔塔裙焊接结构的应力分布情况为我们主要的研究目标，故忽略封头下部与裙座的开孔接管。

参照CAD 模型，利用ANSYS 的前处理模块，建立截面模型。单元类型采用Thermal Solid 中的Quad 8node77，并分别设置其轴对称选项。分别设置主体结构(包括塔体、封头、裙座)和保温层的导

22

热系数为35 W/(m·K)和0.114 W/(m·K)。采用混合网格划分：面A 1、A 2、A 3三个面形状规则，用map 方式进行划分，面A 4为非规则形状面，采用free 方式进行划分。整个计算模型共划分2 717个单元。

在同等条件下建立整体结构计算模型。 2.3 两种结构塔裙截面温度及应力场分布 2.3.1 新型裙座连接结构焦炭塔升温过程分析

图3为焦炭塔升温过程过好的后的温度分布图。由图3（a）、图3（b）可见，保温层外侧因与空气进行对流换热达到平衡，温度较低，在40 ℃左右。由于保温层的作用，塔体部位保持较高温度，在490 ℃左右，但在保温层、塔裙连接处及裙座本身则存在较大温度梯度。因为保温层膨松、材料间隙大等结构的特殊性，大的温度梯度并不能在其内部引起较大热应力。塔体和裙座则由于支座、管线以及其自身的约束产生很大热应力。可以预测，由于变形不均匀产生的热应力会在结构突变部位集

中，对结构的完整性形成威胁。

（1）

焦炭正常工作时内部介质压力在0.2 MPa 左右，根据无力矩理论，由于内压在筒体内部产生的应力分别为：

σφ=

Pd 0.2⨯9800

==11.67 4t 4⨯42

（２）（３）

σθ=

Pd 0.2⨯9800==23.34 2t 2⨯42

由计算结果得出在筒体内部作用的纯机械载荷

产生的应力远小于材料的屈服强度。循环温度载荷是破坏塔体结构完整性的主要原因，故塔体受到的热应力为主要分析对象。

2.2 建立裙座有限元模型

某石化公司采用的直径9.8 m 的焦炭塔是我国

[5]

目前中石油炼化项目中直径最大的焦炭塔。选用14Cr1MoR 作为焦炭塔的主体材质，单塔总高度为37 m，板的厚度范围为30～42 mm，设计温度500 ℃，设计压力为0.35 MPa，采用披挂式保温结构,保温厚度为200 mm。如图1所示裙座连接处采用了一种新

[6]

型焊接结构。

图（a） 整体结构温度分布

(b) 主体结构温度分布

图3 升温结束后的温度云图

Fig.3 The temperature cloud after warming

第46卷第1期 安朋亮，等：两种焦炭塔裙座连接结构应力对比分析 121

温度梯度引起的热应力计算结果如图4

所示。

可见，最大应力出现在图示的路径1-1部位，最大应力值达到371.5 MPa。这与焦炭塔裂纹发生位置相符合.根据标准JB-4732，在450 ℃下材料14Cr1MoR 的设计应力强度S m 为130 MPa，焊缝上缘的筒体上最大应力为371.5 MPa 小于3倍的许用

[7]

应力，满足要求。

表1 升温过程的应力分类结果(一)

T able 1 The results of the stress classification during

heating process(1)

路径 1-1 1-2 1-3

图4 升温过程主体结构应力云图

Fig.4 Stress cloud of the main structure during heating

process

P m /MPa 49.7 33.71 20.74

P L +P b +Q /MPa 371.5≦3S m 207.4≦3S m

86.80≦3S m

温度升高会导致物体膨胀，由于各部分温度不同，各个部位膨胀程度也不同，从图中可以明显的观察到结构的膨胀变形状况。膨胀的不连续性受到结构的连续性制约，同时由于管线、支座等其他约束，导致热应力的产生。由分析结果知，裙座和上部塔体均处于较高应力水平下，在两者的连接部位，即塔裙连接的焊缝处出现了明显的应力集中现象，热应力达到300 MPa以上。在远离焊缝的部位，存在明显的应力衰减。

利用ANSYS 后处理模块，显示出结构二次应力与峰值应力的分布。由变形不协调产生的二次应力在焊缝处叠加，有明显的集中现象，峰值应力整体较小，仅在焊缝处出现。为精确分析焊缝附近的应力分布情况，找出最大应力强度所在位置，需要对关键部位进行线性化处理，线性化路径如图5、图6所示。处理结果见表

1。

2.3.2 整体锻件型焦炭塔升温过程分析

所得温度场分布见图7和图8。

图7 整体结构温度分布

Fig.7 The temperature distribution of overall

structure

图8

主体结构温度分布

Fig.8 The temperature distribution of main structure

图5 焊缝附近的温度梯度

Fig.5 Temperature gradient near the weld

图6 应力线性化路径 Fig.6 Linear stress path

由分析结果得，保温层外侧与空气进行充分对流换热，温度较低，在30 ℃左右；裙座中下部温度较低，与保温层温度相当；塔体温度较高，在490～500 ℃之间；保温层内和裙座内存在较大温度梯度。

重新设定边界条件，读入求得的温度场作为载荷施加在模型上，进行热应力的求解（图9）。

可见，塔体以及封头部位应力很小，仅在锻件的圆弧过渡处出现一定程度的应力集中，最大应力约在160 MPa左右；裙座部位则出现严重的应力集中现象，最大应力出现在圆弧过渡处，约为300 MPa，

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此部位以外均出现不同程度的应力衰减现象。按照

Table 3 The comparison of stress of the two structures

图10所示的路径对计算结果进行应力线性化处理，

找出最大应力位置，分析结构安全性。

新型结构 整体锻件

机械应力/MPa

124.6 107.7

升温/MPa 371.5 273.3

降温/MPa 207.0 123.7

显然，无论是由于重力和内压产生的纯机械应力，还是升温或降温过程产生的热应力，新型结构内的应力峰值均大于整体锻件内的应力。所以就受到应力大小而言，整体锻件结构要优于新型结构。

图9 升温过程应力分布

Fig.9 The stress distribution during heating process

3 结 论

总体来说，两种结构各有优缺点，整体锻件结构的成本比较高，制造、安装难度比较大，但是结构内部的应力分布情况更为理想，寿命也更长。新型结构的成本相对较低，结构内的应力分布较差，相对更容易产生缺陷。选用何种塔裙连接方式，需要按具体情况而定。两种结构的对比具体体现在以下几个方面。

（1）就结构内的应力分布而言，无论是由于内压和塔体重力产生的纯机械应力，还是由于升温或降温导致的热应力，整体锻件内的应力峰值都要小于新型结构中的应力。即整体锻件结构的应力分布要优于新型结构，新型结构在正常工作时的应力集中状况不甚理想，抚顺焦炭塔的开裂正说明了这一点。

（2）整体锻件结构的最大应力产生在塔裙连接部位圆弧过渡处的裙座上，新型结构的最大应力产生在塔裙焊接结构上部角焊缝上方的塔体上。相对来说，裙座的承受能力更弱一些，即新型结构的应力集中位置相对比较理想。

（3）整体锻件的制造更加困难，需要专门订货，先将钢锭锻造成坯料，然后进行机加工，为留出加工余量，使得坯料尺寸大于所需尺寸，造成原材料的浪费，并且机加工量大，加工周期长。

参考文献：

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计技术的进步[J]. 石油化工设备技术, 2007, 28(2): 1-5.

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［6］ 邢玲, 孙铁, 谢腾腾, 郑大智, 张丽. Φ9800 mm 焦炭塔结构的模

态分析和振型研究[J]. 压力容器, 2012, 29(2): 17-21. ［7］ 谢腾腾, 孙铁, 邢玲, 郑大智. Φ9800 mm焦炭塔裂纹应力分析[J].

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［8］ 余伟炜, 高炳军. ANSYS在机械与化工装备中的应用[M]. 第二版.

北京: 中国水利水电出版社, 2006.

得到应力分类结果见表2。最大应力出现在图示的路径2-3部位。即，裙座与塔体连接部位的圆

弧过渡处为危险截面。

图10 应力线性化处理路径 Fig.10 Stress linearization path

表2 升温过程的应力分类结果（二）

Table 2 The results of the stress classification during heating

process(2)

路径 ２-1 ２-2 ２-3

P m /MPa 17.84 35.41 57.02

P L +P b +Q /MPa

41.49 123.14 273.3

降温过程与升温过程类似只需调整对应温度，本文不再赘述。只在下文给出相应的结果。 2.4 两种结构应力分布的对比分析 2.4.1 危险截面对比

新型塔裙连接结构的危险截面出现在焊缝上方的塔体上，而整体锻件结构的危险截面出现在裙座上部与塔体连接处的过渡圆弧部位。相比较而言，由于塔体厚度较大，能够比裙座更好的承担应力，裙座则由于承受更大的机械应力成为薄弱部位。所以在相同应力水平下，前一种结构通过形成新的应力集中点能够改善应力分布状况。 2.4.2 应力大小对比