焦化塔受热应力影响裙座结构研究

1. 研究背景及国内外现状

1.1研究背景

延迟焦化装置在石油化工中是常见的装置，它主要作用就是将常压和降压的渣油等重质油品通过加热裂化让其转化为具有更好的利用价值的的气液产品，焦化塔在延迟焦化装置中是核心设备之一，焦炭塔的使用寿命与经济效益密切相关。焦炭塔的工艺特点也特殊，它操作温度较高，最高温度可达到500℃并且温度变化频繁，在一个周期中温度都会从常温到高温的变化，生焦周期短，温度变化很快^【1】、。

在实际的生产过程中，焦化塔因为其操作条件特殊，也是最容易出现问题的部分。某公司炼油厂的焦炭塔，在2002年第一次压力容器定期检验过程中 , 通过MT检测发现所有焦化塔裙座角焊缝存在不同程度的裂纹随后经过修补以后再次投入使用2003年11月对下封头与裙座焊缝进行磁粉检测,又发现大量新裂纹, 再次修补以后2004年6月 ,又一次对使用不到8个月的裙座角焊缝检测，又发现了新的细微裂纹，见图1^【2】。在例行检查期间，对某厂4个焦炭塔进行检测，在四个鼓的裙部连接区域中移除了隔热层以进行厚度测量，之后检测到沿周向裙部连接处的裂缝，这些裂缝存在于裙座边缘的焊接接头处，进行修补以后不久以后也会反复出现。

可见在焦炭塔破坏中常见的破坏便是裙座连接部分的破坏，应该一系列的破坏现象和分析以后，他们也一致认为^{【3，4，5】}因为温差大从而温差膨胀导致循环应力的产生，循环热应力的影响下使得裙座产生裂纹最终导致破坏并且他们把在焦化塔操作阶段（加热载荷、淬火、放电）的裙座部分称作为热疲劳机构。对于焦炭塔裙座部分最主要的失效是由于热应力造成的。

图1裙座角焊缝裂纹外观 图2裙座的裂纹扩展

1.2国内外研究现状

根据API进行的调查发现，在焦化塔的破坏案例中，约80%是发生在塔体与裙座的焊缝接头附近的，国外在焦化塔破坏机理研究中，大部分都是对此连接结构进行研究的^【6,7】。文献^{【8，9,10】}通过有限元分析的方法，把机械荷载和温度变化引起的变形作了对比，结果表明了温度变化引起的应力要比机械荷载引起的大得多。因此他们一致认为连接处在应力和机械荷载的作用下产生了周期性变化的变形场和应力场，并通过大量的模拟后得出了塔体与裙座连接的部分破坏是由于周期性的温度变化而造成的。国内学者方子严^【11】从升温和降温两个方面，对裙座结构进行了应力的分析，并标明了温度的影响之下，在连接处有最大的应力值，从而对长期运行的焦炭塔裙座处造成了低循环热疲劳破坏。

从研究的方法上看，国内外为的思路大致是相同的，主要是用有限元方法。在应用的方面，主要是进行现场的实验而不是实验室进行模拟，这主要是因为设备大型化和焦炭塔的操作条件特殊，在实验室中很难模拟出焦炭塔的工作循环过程和温度载荷循环以及达到条件的要求。但由于焦炭塔的具体情况，也存在塔体不同部分和同一部分的不同时间所受的温度有差别分布不均，使得焦炭塔进行现场实验研究也有很大的不足、重现性很差，反映出不同部位所测出的温度都不同，这是对焦炭塔研究的一个难点^【12】。

针对上述的情况，目前国内外所做大部分的就是在实际测量的基础上，用测量的结果作为温度荷载历程曲线进行热瞬态分析^【5】，但是这一方法存在相当大的简化，使得结果具有不准确性。方子严为了规避上述方法的弊端，采用把实际温度简化成若干个线性和稳定状态将其组合成完整的温度历程，但是此方法的缺点在与只能模拟某一点的情况，点与点之间是不可能完全一致的。

在研究的内容上看，目前国内外已经深入都对连接结构的优化进行分析和设计同时对一些辅助措施进行改善和提高，但是作为加载曲线的理想化，完成整个应力温度场的模拟还是有一段距离的。国内外很多学者也对其作了热瞬态分析和热应力分析，但是很少有结构温度场和变形场的结果出现，这也反映了该问题有随机性，让测量和模拟的结果出现许多不吻合性。

2. 常见规范裙座连接结构

2.1常见规范中裙座结构和特点

在规范设计中，裙座与底封头的连接结构可以分为四类: 对接型，堆焊型，搭接型，整体锻焊型（见图3,4,5,6）^【13】。