專利名稱：焦炭塔鼓脹變形應(yīng)力分析及鼓脹容限工程評定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焦炭塔鼓脹變形應(yīng)力分析及鼓脹容限的一種工程評定方法。
焦炭塔是煉油工業(yè)二次加工工藝中延遲焦化裝置的塔狀反應(yīng)器，每48小時(或更短的操作時間)在常溫與約495℃之間循環(huán)操作。塔壁上存在一個與操作工藝相應(yīng)循環(huán)的十分復(fù)雜的三維溫度場，對應(yīng)著一個循環(huán)的十分復(fù)雜的三維應(yīng)力場，該溫度場和應(yīng)力場均是很不均衡和很不穩(wěn)定的。
從國內(nèi)外的調(diào)查報道看，無論是碳鋼、碳鉬鋼或鉻鉬鋼材質(zhì)，也無論塔體襯里與否，焦炭塔在運行一定周期后都會出現(xiàn)變形，包括筒節(jié)的鼓脹變形、筒體的寶葫蘆變形、塔壁的局部凹凸變形、塔體整體的傾斜變形或彎曲變形、筒體橫截面的非圓形變形等六種。據(jù)調(diào)查，1988年秋對國內(nèi)八家煉油廠的焦炭塔有五家的出現(xiàn)明顯變形。變形的危害性主要表現(xiàn)在它最終會引起環(huán)焊縫的熱疲勞開裂，其次是它可能會引起塔體的軸向失穩(wěn)。只要出現(xiàn)了表面開裂，裂紋肯定會擴展直到穿透塔壁。如何控制環(huán)焊縫內(nèi)凹角變形處的綜合應(yīng)力水平，使之不發(fā)生軸向失穩(wěn)已成為安全性問題的關(guān)鍵之一。
由于筒體的鼓脹，內(nèi)壓在環(huán)焊縫處引起的應(yīng)力除了薄膜應(yīng)力外，還有邊緣彎曲應(yīng)力。除內(nèi)壓、介質(zhì)重量、自重等引起的應(yīng)力外，還有因周期性溫度循環(huán)所造成的溫度梯度(徑向、周向、軸向)引起的熱應(yīng)力和制造時焊接的殘余應(yīng)力。因此，焦炭塔的受力是相當(dāng)復(fù)雜的，必須對應(yīng)力狀況進行分析?，F(xiàn)場應(yīng)力測算法和有限元方法過程復(fù)雜，費用高，受應(yīng)用者的個性影響，且測算法受現(xiàn)場條件限制，又存在不少技術(shù)問題，不便使用。問題的實際是一個包含三維溫差和時間維的四維問題，要想從理論上給出受力的精確值是很困難的。
焦炭塔的鼓脹容限也就是其環(huán)焊縫內(nèi)凹角變形大小的容限。由角變形及錯口量造成的附加彎曲應(yīng)力的計算問題，日本的木原博、矢田等人都曾采用如

圖1所示的拉板模型作過研究，并提出相應(yīng)的計算公式。該模型用以描述焦炭塔鼓脹形成的角變形力學(xué)模型時也有差異較大，具體如下(1)以條板模型描述類球殼結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)的幾何剛度。薄板與薄殼相比，在剛度和強度方面都較差；(2)以單一的條板端面拉力描述類球殼結(jié)構(gòu)側(cè)面的面力(壓力)和端面的壓力，簡化了受力；(3)以每米長度偏離的距離描述角變形的程度，限制了對角變形的細(xì)結(jié)構(gòu)對局部應(yīng)力的重大影響；(4)應(yīng)力集中系數(shù)式無法區(qū)別環(huán)焊縫與縱焊縫的受力差異，也無法區(qū)別內(nèi)壁面與外壁面的受力差異，將導(dǎo)致結(jié)果的保守或危險。因此，拉板模型不適宜作為焦炭塔角變形力學(xué)模型進行應(yīng)力分析。
本發(fā)明解決應(yīng)力分析問題所采用的技術(shù)方案是首先根據(jù)焦炭塔塔體鼓脹變形和寶葫蘆變形的情況，以“球殼”環(huán)焊縫內(nèi)凹角變形力學(xué)模型作為焦炭塔環(huán)焊縫處鼓脹變形的力學(xué)模型(見圖1及其符號說明)，同時考慮到軸向應(yīng)力式的修正及半徑在軸向取值與周向取值時的差異。其次，根據(jù)焦炭塔實際的操作過程確定相關(guān)工況，應(yīng)用“球殼”模型應(yīng)力解析解式分析計算了內(nèi)壓在焦炭塔角變形處引起的應(yīng)力集中系數(shù)及其局部薄膜應(yīng)力，根據(jù)傳統(tǒng)解析法計算了穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、自重和風(fēng)載引起的彎曲應(yīng)力等應(yīng)力值。再分別考慮熱膨脹差的軸向應(yīng)力組合條件、考慮熱油靜壓的軸向應(yīng)力組合條件、考慮熱膨脹差的周向應(yīng)力組合條件、考慮熱油靜壓的周向應(yīng)力組合條件，求取了焦炭塔鼓脹引起的環(huán)焊縫角變形處在高溫操作階段的組合應(yīng)力。進一步比較不同組合應(yīng)力后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)凹角變形達(dá)到一定水平時，其外壁軸向的組合應(yīng)力和環(huán)向組合應(yīng)力大都超過20g材料甚至達(dá)到了以15CrMoR高溫持久極限為基礎(chǔ)的許用應(yīng)力，塔體處于不安全狀態(tài)。同時，外壁總是受拉應(yīng)力作用，內(nèi)壁總是受壓應(yīng)力作用。應(yīng)力集中系數(shù)均隨變形程度的增大而增大，但是軸向應(yīng)力集中系數(shù)增大的程度較大，當(dāng)角變形彎曲程度m＞4，軸向應(yīng)力集中系數(shù)已較周向應(yīng)力集中系數(shù)大一倍以上。必須同時考慮彎曲程度m與角變形單邊寬a以及角變形深度e三個參數(shù)才能合理反映角變形的客觀規(guī)律。
本發(fā)明解決焦炭塔鼓脹變形容限工程評定方法所采用的技術(shù)方案是通過對鼓脹引起的環(huán)焊縫角變形處在高溫操作階段的組合應(yīng)力分析比較，利用焦炭塔鼓脹變形容限即是由其引起的角變形深度的許可容限[e]的關(guān)系，列出了以環(huán)焊縫角變形深度(e)及其彎曲程度(m)為控制對象的焦炭塔角變形容限條件式以及由該條件式計算的數(shù)據(jù)表(見表1)，還繪制了以環(huán)焊縫角變形深度(e)及其彎曲程度(m)為控制對象的焦炭塔角變形容限曲線圖(見圖2)。使工程技術(shù)人員利用數(shù)據(jù)表或曲線圖就能迅速方便地判斷某一臺焦炭塔現(xiàn)實的內(nèi)凹角變形是否在安全許可范圍。
本發(fā)明關(guān)于焦炭塔鼓脹變形容限工程評定方法的應(yīng)用及注意事項如下(一)根據(jù)對焦炭塔內(nèi)凹角變形的實測數(shù)據(jù)，由(1)式計算彎曲程度m。
具體方法是參照圖1按角變形測量單邊寬度a值分別測量e、es和S值，再按式(1)計算出不同的m值(注意在計算時e和es均應(yīng)加上環(huán)焊縫與筒體的熱膨脹差)，最后通過對m值的分布分析，確定一個m值。
為提高準(zhǔn)確性，應(yīng)多應(yīng)用一些組數(shù)據(jù)進行計算，確定合適的m值。注意在同一臺塔體中不同的環(huán)焊縫很可能計算出不同的m值，因為各自的彎曲程度不同。在同一條環(huán)焊縫中，也有可能根據(jù)其上下兩側(cè)靜態(tài)的不同、以及靜態(tài)角變形深度再加上瞬態(tài)熱脹冷縮量后計算出兩側(cè)不同的m值。
同理，在同一側(cè)環(huán)焊縫的環(huán)向也很可能計算出不同的m值，鑒于焦炭塔多種變形狀的特殊性，不要試圖將各變形程度不同部位的m值通過平均統(tǒng)一化。但是，對于環(huán)向各處不同的m值，如果以最大角變形處的m值為應(yīng)力計算基礎(chǔ)，擴展成軸對稱力學(xué)模型所得的應(yīng)力場，兩者相差不大，且略偏安全[11]。
如果使用數(shù)據(jù)表(表1)進行評定，則(二)在表1中根據(jù)實測數(shù)據(jù)時所用樣板與角變形處測出的角變形單邊寬度a值及測算得的m值，查出對應(yīng)的角變形深度的許可容限[e]，若實測的e≤[e]，則該角變形是安全的，否則是危險的。
如果使用曲線圖(圖2)進行評定，則(三)在圖2的橫坐標(biāo)上找出實測數(shù)據(jù)時所用樣板與角變形處測出的角變形單邊寬度a值的點A。
(四)由點A向上作垂直線與相應(yīng)于m值的曲線交于點B。當(dāng)沒有相應(yīng)m值曲線時，通過內(nèi)插法確定曲線位置及其B點。
(五)由點B向左作水平線與垂直坐標(biāo)軸交于C點。
(六)C點的垂直坐標(biāo)值即是該角變形深度的許可容限[e]，若實測的e≤[e]，則該角變形是安全的，否則是危險的。
下面對圖1中的標(biāo)記作進一步的說明1.上筒節(jié)，2.環(huán)焊縫，3.下筒節(jié)；O為焦炭塔環(huán)焊縫高度處筒體橫截面圓的中心；R為名義子午線半徑，當(dāng)R＞7000mm時取7000mm；S是所分析的點位置處離環(huán)焊縫中心的弧長距離；e為角變形深度；es是所分析的點位置處的角變形深度；2a為角變形的非標(biāo)準(zhǔn)子午線的弦長；t為壁厚；G為環(huán)焊縫承受的重量；ψ=/πR180S,]]>為環(huán)焊縫角變形應(yīng)力分析點的區(qū)域角；ψ1為環(huán)焊縫角變形區(qū)域角；ψ2為環(huán)焊縫角變形下半?yún)^(qū)域角；m為角變形非標(biāo)準(zhǔn)子午線的彎曲程度，決定于冪函數(shù)式ese=(1-ψψ1-ψ2)m---------(1)]]>m值越大，彎曲程度越大，但是在極小值m＝1時上式為一直線。
這里，圖1是環(huán)焊縫內(nèi)凹角變形力學(xué)模型及自重產(chǎn)生彎曲應(yīng)力的示意圖。圖2是不同彎曲程度的角變形容限曲線圖。
表1 不同彎曲程度下的鼓脹容限(角變形深度的許可容限[e])表
權(quán)利要求
1.關(guān)于焦炭塔鼓脹變形應(yīng)力分析及鼓脹容限的一種工程評定方法，應(yīng)用球殼模型分析計算了內(nèi)壓在焦炭塔角變形處引起的局部薄膜應(yīng)力，根據(jù)傳統(tǒng)解析法計算了穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、自重和風(fēng)載引起的彎曲應(yīng)力等應(yīng)力值，通過對組合應(yīng)力分析比較，列出以環(huán)焊縫角變形深度及其彎曲程度為控制對象的焦炭塔角變形容限條件式及數(shù)據(jù)表，繪制以環(huán)焊縫角變形深度及其彎曲程度為控制對象的焦炭塔角變形容限曲線圖，使工程技術(shù)人員利用數(shù)據(jù)表或曲線圖就能迅速方便地判斷某一臺焦炭塔現(xiàn)實的角變形是否在安全許可范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦炭塔鼓脹變形應(yīng)力分析方法，其特征是應(yīng)用球殼模型分析計算了內(nèi)壓在焦炭塔角變形處引起的局部薄膜應(yīng)力，根據(jù)傳統(tǒng)解析法計算了穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、自重和風(fēng)載引起的彎曲應(yīng)力等應(yīng)力值，再分別考慮熱膨脹差的軸向應(yīng)力組合條件、考慮熱油靜壓的軸向應(yīng)力組合條件、考慮熱膨脹差的周向應(yīng)力組合條件、考慮熱油靜壓的周向應(yīng)力組合條件求取不同工況條件下的組合應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦炭塔鼓脹變形容限工程評定條件式法，其特征是通過對焦炭塔環(huán)焊縫角變形組合應(yīng)力分析比較，列出了以焦炭塔環(huán)焊縫角變形深度及其彎曲程度為控制對象的焦炭塔角變形容限條件式，使工程技術(shù)人員利用條件式方便地判斷某一臺焦炭塔現(xiàn)實的角變形是否在安全許可范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦炭塔鼓脹變形容限工程評定數(shù)據(jù)表法，其特征是通過對焦炭塔環(huán)焊縫角變形組合應(yīng)力分析比較，列出了以焦炭塔環(huán)焊縫角變形深度及其彎曲程度為控制對象的焦炭塔角變形容限數(shù)據(jù)表，使工程技術(shù)人員利用數(shù)據(jù)表能迅速方便地判斷某一臺焦炭塔現(xiàn)實的角變形是否在安全許可范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦炭塔鼓脹變形容限工程評定曲線圖法，其特征是通過對焦炭塔環(huán)焊縫角變形組合應(yīng)力分析比較，繪制了以焦炭塔環(huán)焊縫角變形深度及其彎曲程度為控制對象的焦炭塔角變形容限曲線圖，使工程技術(shù)人員利用曲線圖就能迅速方便地判斷某一臺焦炭塔現(xiàn)實的角變形是否在安全許可范圍。
全文摘要
關(guān)于焦炭塔鼓脹變形應(yīng)力分析及鼓脹容限的一種工程評定方法。為了既克服現(xiàn)場應(yīng)變片應(yīng)力測算法受現(xiàn)場條件限制和有限元分析法過程復(fù)雜的困難，也克服拉板模型描述焦炭塔鼓脹容限引起環(huán)焊縫角變形的存在問題，應(yīng)用球殼模型分析計算內(nèi)壓在焦炭塔角變形處引起的局部薄膜應(yīng)力，根據(jù)傳統(tǒng)解析法計算穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、自重和風(fēng)載引起的彎曲應(yīng)力等應(yīng)力值，通過對組合應(yīng)力分析比較，列出以環(huán)焊縫角變形深度及其彎曲程度為控制對象的焦炭塔角變形容限條件式及其數(shù)據(jù)表，繪制以環(huán)焊縫角變形深度及其彎曲程度為控制對象的焦炭塔角變形容限曲線圖，使工程技術(shù)人員利用數(shù)據(jù)表或曲線圖就能迅速方便地判斷某一臺焦炭塔現(xiàn)實的角變形是否在安全許可范圍。
文檔編號G01N3/00GK1521493SQ0310365
公開日2004年8月18日 申請日期2003年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月5日
發(fā)明者陳孫藝 申請人:陳孫藝