焦炭塔塔体失效及寿命评估研究

论文摘要

延迟焦化是发展最快、应用最为广泛的石油焦化工艺之一,而焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备,其可靠性和完整性关系到整个延迟焦化系统的安全运行。本文首先对焦炭塔整个完整循环的工作过程进行瞬态热分析以及热-结构耦合分析,基于有限元分析结果,探讨焦炭塔焊缝开裂及塔体鼓胀机理。为了实现全过程的瞬态仿真分析,建立结构上相对完整的焦炭塔三维有限元模型,考虑了各工艺阶段变化的内边界对流换热系数,随时间和高度变化的动态对流换热温度边界条件,采用生死单元法实现焦炭逐渐生成的动态过程,得到仿真度较高的循环温度场以及应力、应变场变化情况。瞬态热分析以及热-结构耦合分析结果表明：给水冷焦阶段塔壁各节点温度及温度梯度变化情况复杂,温度梯度的极值水平都较高,而该阶段被焦炭覆盖的下部塔体区域等效应力平均水平可达280MPa,远大于相应温度下塔体材质的屈服强度,出现大面积屈服,给水冷焦阶段是焦炭塔应力、应变场发展的关键阶段。且第一道筒体焊缝、裙座焊缝、裙座本身、锥形封头以及下部筒体区域是焦炭塔受力和塑性屈服的关键部位。基于数值模拟的塔体失效研究表明：水冷阶段由于焦炭的存在阻碍了被焦炭覆盖的下部塔体区域的收缩,使得下部塔体区域的应力水平急剧上升,又由于材料不连续性以及几何不连续性,造成焊缝热影响区的局部应力集中,所以往往在被焦炭覆盖的下部塔体区域的焊缝处裂纹扩展最为迅速；而进油生焦时塔体的热胀沿轴向不均匀,造成生成的焦炭沿轴向也不均匀,焦炭本身的不均匀必将导致下部塔体收缩后塑性变形沿轴向也是不均匀的,在经历多年的工作循环后,塔体沿轴向不均匀的塑性应变逐渐累积放大,最终导致塔体不可恢复的鼓胀变形。再通过对在役焦炭塔取材的光滑圆柱形缺口试样的热机械疲劳寿命试验,结合该试样的有限元分析结果,依据Manson-Coffin公式采用等效塑性应变范围法,拟合得到该塔体损伤材料20g的剩余寿命评价方程。将焦炭塔工作过程仿真得到的循环最大等效塑性应变范围带入剩余寿命评价方程,并考虑寿命预测的安全系数,预测得到该在役焦炭塔的剩余寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 焦炭塔概况
• 1.2.1 焦炭塔设计制造现状
• 1.2.2 焦炭塔操作工艺现状
• 1.2.3 焦炭塔延寿及检测修复技术
• 1.3 塔体失效及寿命评估研究现状
• 1.3.1 鼓胀和开裂机理研究
• 1.3.2 焦炭塔的寿命评估方法
• 1.4 研究内容及创新
• 1.4.1 课题来源及研究内容
• 1.4.2 主要技术难点及创新
• 2 焦炭塔的工作过程仿真
• 2.1 焦炭塔工作过程简介
• 2.2 焦炭塔的结构参数
• 2.3 有限元模型的建立
• 2.3.1 ANSYS及相关单元简介
• 2.3.2 焦炭塔的有限元模型
• 2.4 材料的物性参数
• 2.5 耦合分析的实现
• 2.6 焦炭塔的瞬态热分析
• 2.6.1 热分析的边界条件
• 2.6.2 预热阶段温度场模拟
• 2.6.3 进油生焦阶段温度场模拟
• 2.6.4 蒸汽冷却阶段温度场模拟
• 2.6.5 给水冷焦阶段温度场模拟
• 2.7 焦炭塔的瞬态热-结构耦合分析
• 2.7.1 耦合分析的边界条件
• 2.7.2 预热阶段应力应变场模拟
• 2.7.3 进油生焦阶段应力应变场模拟
• 2.7.4 蒸汽冷却阶段应力应变场模拟
• 2.7.5 给水冷焦阶段应力应变场模拟
• 3 基于数值模拟的塔体失效研究
• 3.1 焦炭塔循环工作过程温度场分析
• 3.2 焦炭塔循环工作过程应力应变场分析
• 3.2.1 循环工作过程应力分析
• 3.2.2 循环工作过程应变分析
• 3.3 塔体失效研究
• 3.3.1 焊缝开裂机理研究
• 3.3.2 塔体鼓胀机理研究
• 4 焦炭塔寿命评估研究
• 4.1 寿命评估方法
• 4.2 焦炭塔材料热机械疲劳寿命评价
• 4.2.1 焦炭塔材料热机械疲劳寿命试验
• 4.2.2 圆柱形缺口试样的有限元分析
• 4.2.3 焦炭塔材料剩余寿命评价方程
• 4.3 焦炭塔剩余寿命预测
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢