整体锻件型焦炭塔的应力分析

论文摘要

为了提高产品收率和进一步降低成本,世界上许多石油炼制公司对目前的延迟焦化技术做了大量的革新和改造。实际上,人们真正关心的问题是焦炭塔的可靠性问题。焦炭塔在操作过程中是否可靠,不仅仅是个安全问题,焦炭塔的频繁修补将直接影响装置的经济性。实际操作中,最常见的是焦炭塔筒体和裙座连接部位出现的鼓胀和开裂问题。为此一些石化企业和科研单位相继投入大量资金研究和寻找引起焦炭塔失效的原因和解决办法,以便改善它的可靠性。但到目前为止,在该领域的研究工作虽然取得了一定进展,但是离解决问题还有很大距离。目前,对于焦炭塔的应力的研究主要是针对对接结构,还没有人对整体锻件型结构的焦炭塔的应力情况进行系统的分析。只是国外资料显示整体锻焊结构从抗疲劳破坏方面讲具有相当大的优势。我国新建的焦炭塔,已经采用了这种新的结构。由于投入运行的时间不长,还没有出现裂纹等缺陷的报道。但是有必要对这种结构焦炭塔的应力进行系统的分析。因此本课题通过理论计算、ANSYS有限元分析和实际应力测量确定应力集中部位的应力在各个阶段的分布情况,考虑导致各个阶段应力变化的原因,并提出一些改进的方法来降低这些应力,从而对实际的生产有所帮助。本论文的研究主要包括以下内容:一、通过建立二维动态坐标进行焦炭塔筒体应力的理论计算;二、通过ANSYS应力分析获得焦炭塔整体应力的分布情况,找出应力集中的部位;三、在应力集中部位进行实际应力测试,根据有限元计算结果设置应力测点,通过测量获得实际的应力变化情况,再与理论结果和有限元计算结果对比,得出结论。通过对焦炭塔塔壁组合应力的计算,ANSYS有限元分析和应力集中点的实际应力测试,得出以下结论:1.理论计算结果表明:进油生焦和进水冷却两个阶段的温差应力最大,且由轴向温度梯度产生的温差应力要比径向温差产生的温差应力大的多。ANSYS有限元计算结果也体现了轴向温差远大于径向温差,最大的轴向温差为100℃,温差最大的时间出现在降温阶段。2.ANSYS应力分析获得轴向、环向、Mises等效应力在焦炭塔筒体和裙座连接部位应力出现两个峰值,最大值出现在裙座与整体锻件的连接位置,次大值位于整体锻件与第六筒节的连接处。裙座与整体锻件连接处的测点通过有限元计算获得的轴向应力和环向应力与相应实际应力测试结果的变化趋势基本上是相同的,轴向应力的峰值均出现在降温阶段,环向应力的峰值均出现在升温阶段。锻件与第六筒节连接处的测点通过有限元计算的环向应力的变化趋势与实际应力测试结果基本上也是相同的,有限元计算的轴向应力和实际应力测试结果在预热阶段变化趋势不一致;有限元计算的环向应力峰值在降温阶段,实际应力测试环向应力峰值在升温阶段,轴向应力有限元计算和实际应力测试获得的应力峰值的位置相同均在降温阶段。3.通过分析获得温差载荷引起的环向应变在升温阶段占主导地位,但是在降温阶段优势很小;温差载荷引起的轴向应变在整个周期也都占主导地位,降温阶段尤其明显。因此,要减少应力主要是结合各个阶段载荷的特点,着重从减小温差入手。主要是通过严格执行工艺操作要求,焦炭塔各升降温阶段要达到工艺指标,避免升降温过快。特别需要控制进油生焦和进水冷却两个阶段的升降温速度。4.实际应力测试获得的应力值明显低于理论计算的结果,这表明实际情况比理论假设复杂的多,但在设计上是相对安全的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出的背景
• 1.2 焦炭塔的概述
• 1.2.1 焦炭塔的地位和作用
• 1.2.2 焦炭塔塔体材质的选择
• 1.2.3 焦炭塔的操作特点和受力分析
• 1.2.4 焦炭塔存在的问题
• 1.2.5 降低应力的主要措施
• 1.2.6 筒体与裙座的连接结构进展
• 1.3 国内外的应用和研究现状
• 1.3.1 焦炭塔在国内外的应用现状
• 1.3.2 焦炭塔在国内外的研究现状
• 1.4 本课题的目的和意义
• 1.5 本课题的主要内容
• 第二章 焦炭塔应力的理论计算
• 2.1 二维温度场模型建立
• 2.2 理论计算的方法
• 2.2.1 理论分析的计算参数
• 2.2.2 塔壁组合应力分析
• 2.3 组合应力计算过程
• 2.3.1 主体和附件的重量产生的压应力
• 2.3.2 内压产生的薄膜应力
• 2.3.3 径向温差产生的热应力
• 2.3.4 轴向温差产生的热应力
• 2.4 组合应力计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 整体锻件型焦炭塔有限元应力分析
• 3.1 ANSYS 软件简介
• 3.2 建立有限元模型
• 3.2.1 模型的简化
• 3.2.2 模型的分析类型
• 3.2.3 计算模型的参数
• 3.2.4 计算模型的网格划分
• 3.3 加载及求解
• 3.3.1 加载分析
• 3.3.2 求解
• 3.4 ANSYS 计算结果评价及其分析
• 3.4.1 温度结果分析
• 3.4.2 应变结果分析
• 3.4.3 应力结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 整体锻件型焦炭塔的试验应力分析
• 4.1 测试方法和仪器
• 4.1.1 高温应变片及测试仪器
• 4.1.2 应力测试方法
• 4.2 布片方案
• 4.3 数据处理
• 4.3.1 测点应变计算
• 4.3.2 应力计算
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 压力和温度测试结果分析
• 4.4.2 应变结果分析
• 4.4.3 应力结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结果分析和存在的问题
• 5.1 结果比较分析
• 5.1.1 温度结果比较分析
• 5.1.2 应变结果比较分析
• 5.1.3 应力结果比较分析
• 5.2 存在的问题分析
• 5.2.1 理论计算中存在的问题
• 5.2.2 ANSYS 有限元分析中存在的问题
• 5.2.3 实际应力测试中存在的问题
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 6.2.1 操作过程中的注意事项
• 6.2.2 模型改进措施
• 6.2.3 实际应力测试改进措施
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文