基于三维数值模拟的焦炭塔塔体失效研究.pdf

《基于三维数值模拟的焦炭塔塔体失效研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、石油机械2012年第40卷第2期CHINAPETR0I正UMMACHINERY●专题研究基于三维数值模拟的焦炭塔塔体失效研究王正茅庆飞郑静王璐(大连理工大学能源与动力学院)摘要建立了结构上完整的焦炭塔三维有限元分析模型，考虑了塔内焦炭对塔体受力的影响以及内压边界随时间变化等因素，对焦炭塔整个工作过程进行瞬态温度一结构耦合分析，模拟应力、应变场，并与塔体失效的实际检测结果进行对比分析。采用间接耦合方法进行焦炭塔结构分析，选用Solid45单元。分析结果表明，周期变化的温差应力是焦炭塔产生高应力的根本原因，尤其是水冷阶段焦炭塔温度迅速降低，产生了较高的热应力；焦炭塔1个工

2、作周期内，下部筒体环焊缝和裙座搭接焊缝等开裂部位承受着大幅值的循环热应力作用。关键词焦炭塔鼓凸变形开裂生死单元热应力数值模拟中图分类号：TE962文献标识码：A文章编号：1001—4578(2012)02—0007—04建立的焦炭塔模型有12道简体环焊缝，从下0引言向上依次编号1～12，塔体与裙座采用搭接连接方式(搭接焊缝)。分析中涉及5种材料：焦炭塔主焦炭塔是石化行业延迟焦化装置的关键设备，体材料Q245R；简体焊缝及裙座搭接焊缝材料长期在常温至490oC的周期交变温度和循环载荷下E43；塔体外3层保温层，里层为超轻硅酸铝连续运行，塔体失效形式主要为下部筒体的鼓凸变

3、形以毡，中层及外层为岩棉缝板；塔内为焦炭。将保温及焊缝开裂¨I2。针对塔体产生开裂及鼓凸变形，层之间以及其与塔壁之间的连接方式简化为粘结。已有学者提出多种理论解释，如热应力棘轮效应、塑性加蠕变作用和局部塑性变形等J。单纯的理论分析不能确定焦炭塔发生应力集中鼓凸变形的具体部位，因此借助有限元计算软件，模拟焦炭塔在操作周期内的温度、应力及应变的分布和发展规律，从而研究其对塔体鼓凸、开裂等失效形式的影响。与多数将焦炭塔简化为二维结构进行分析不同，笔者建立了结构上完整的焦炭塔三维有限元分析模型，考虑了塔内焦炭对塔体受力的影响以及内压边界随时问变化等因素，对焦炭塔整个工作过程进

4、行瞬态温度一结构耦合分析，模拟应力、应变场，并与塔体失效的实际检测结果进行对比分析。图1焦炭塔有限元分析模型采用间接耦合方法进行焦炭塔结构分析，即将1有限元模型及边界条件温度场分析结果作为体载荷施加在结构分析中。分析选用Solid45单元，该单元是一种三维实体结构焦炭塔为圆筒形容器，由多个筒节焊接而成，分析单元，具有3个方向的位移及旋转自由度，适可以简化为轴对称结构，取其建模分析。焦炭塔用于存在塑性、大应变等情况的模拟计算j。由有限元分析模型如图1所示。于焦炭塔在整个工作循环经历了大幅度的温度变$基金项目：中石化总公司资助项目“焦炭塔安全运行与寿命评估技术研究”(30

5、8046)。一lO一石油机械2012年第40卷第2期于三维有限元模型的数值模拟在研究塔体鼓凸变形凸的关键阶段。时不违背工程实际，具有可行性与科学性。(2)焦炭塔1个工作周期内，下部简体环焊缝和裙座搭接焊缝等开裂严重部位承受着大幅值的循环热应力作用。(3)常年运行的焦炭塔由于塑性应变积累出现鼓胀量沿轴向不均匀分布的鼓凸变形。鼓胀量最大的第3个筒节也是1个工作周期内塑性应变最为严重的区域。参考文献MasaakiOka-Initiationofbulgesinacokedrumsubjec—tedtocyclicheatingandcoolingalsocyclicmech

6、anicalloads[J]．JournalofThermalStresses，2010，33(10)：964—976．南东北西南ChurchJM．LimLB．Crackgrowthmodelingandprob—a．实测鼓凸1J]j]J1J]J1J]]1J)abihsticlifeassessmentofcokedrumsoperatingunderfatigueconditions[J]．InternationalJournalofPres．sureVesselsandPiping，2001，78：1011—1020．赵莹，周鸿．焦炭塔的鼓凸损伤分析[J]．西安石

7、油大学学报，1998，13(6)：38—41．刘人怀，宁志华．焦炭塔鼓胀与开裂变形机理及疲劳断裂寿命预测的研究进展[J]．压力容器，2007，24(2)：1—8．胡海龙，陈宝忠，阎慧菊．焦炭塔失效形式分析[J]．机械强度，1996，18(1)：66—68．ob．塑性应变模拟陈孙艺．焦炭塔鼓胀的各种变形机理的探讨[J]．图7焦炭塔实测鼓凸情况及塑性应变分布图中国锅炉压力容器安全，1996，12(5)：4—7．由焦炭塔各阶段应力分布可以看出，焦炭塔下荣晓瑞．焦炭塔筒体热应力的理论分析[J]．炼油部被焦炭覆盖的筒体在给水冷却阶段等效应力均值与化工，2010