焦炭塔膨胀变形机理分析

　　摘要：理论上解释了焦炭塔的变形规律：塔体下锥体环焊缝以上第二道至第四道圈板之间变形最大。塔体环焊缝处变形较小，多年来基本无变化。塔体变形每个筒节有“C”形的，也有“ε”形的，前者居多。从宏观上解释了焦炭塔在使用一定时间后有较大变形的机理。
　　关键词：焦炭塔，膨胀变形。
　　
　　焦炭塔的膨胀变形是一个普遍的现象。变形部位多在塔体下部，塔壁径向鼓凸，呈糖葫芦状。塔壁的鼓凸变形过程如图1所示【1】。

　　图1焦炭塔膨胀变形示意图
　　Fig1ExpansionDeformationofCoketower
　　
　　塔体变形的规律如下：
　　(1)塔体下锥体环焊缝以上第二至第四道圈板之间变形最大。
　　(2)塔体环焊缝处变形较小，多年来基本无变化。
　　(3)塔体变形每个筒节有“C”形的，也有“ε”形的，前者居多【2】。
　　对焦炭塔的变形机理，国内外研究者持不同意见。针对此现状，我们通过多年来实践和理论研究，并结合已有的研究成果，对焦炭塔变形机理作如下分析：
　　(1)首先建立研究模型，取下锥体上数第二筒节为研究对象。取筒体的一小部分进行分析，将其等效为一直杆如图2中a)所示。若直杆两端受到较大的轴向压应力，则只要在径向存在较小的径向应力就可以使筒壁弯曲。此时的弯曲变形为弹性变形，且变形外形应为一个半波，在筒节中心鼓凸最大。焦炭塔在从塔底预热时，塔壁由于受热膨胀向外鼓凸（据有关资料介绍，焦炭塔进料时筒体从常温升到475℃，热膨胀引起轴向伸长，整个塔体可伸长119mm，直径鼓胀30mm），但由于受到约束，筒壁上产生了很大的应力。
　　(2)在升温以及进油阶段，筒体轴向的温差很大，尤其是在初始阶段，筒体下部第一、二筒节的温度最高，其轴向膨胀量很大，而筒体承受自重及物料、保温砖等重量，管线、平台等限制筒体的轴向位移，因此焦炭塔筒体轴向的膨胀受到约束，筒壁上存在较大的轴向压缩应力；由于环焊缝比塔壁要厚一些，环焊缝的温度梯度要小一些，所受热应力要小一些，其单位长度的膨胀量比筒壁的要小，因而塔体径向的膨胀受到环焊缝和加强圈的约束，在其内部产生了较大的径向应力，而且预热时塔内外壁温差最大，此时产生的热应力也最大。由
　　于径向热应力是由于筒体的径向热膨胀受到约束而产生的，因此在约束越大

　　图2厚壁单个半波膨胀变形的形成示意图
　　Fig2SingleHalf-waveBallooningDeformationofThick-wall
　　的地方，径向热应力也越大。所以在靠近环焊缝附近的筒体母材所受的应力较远离焊缝区的母材所受的热应力为大。靠近焊缝处的母材由于所受热应力较大，而且焊接热影响区材料的力学性能较差，该应力易超过其屈服极限，必将首先在焊接热影响区产生屈服变形，如图2中b)所示白色部分所示；筒节的中间部位仍保持弹性，它们在径向热应力及内压的作用下发生弹性弯曲变形，如图2中b)黑色部分所示。随着时间的延长，筒壁温度升高，热应力由于温差的减小而有所下降，但在径向热应力和内压作用下，筒节仍有弹性弯曲变形。温度升高时材质的屈服强度下降，弹性变形所储存的能量有部分将以塑变的形式释放。由于发生了塑性变形，必然产生塑变硬化，使得材料的高温屈服强度有所升高。同时热应力由于得到部分释放，就不足以继续使筒壁发生塑变。随后在除焦时间段随着温度降低，由于筒壁的热膨胀系数比焦炭的要大，筒壁的收缩程度比焦炭的要大，这样形成了一个热套管，也会使筒体在较大范围内产生压缩塑性变形（实际上，相对于常温状态仍为拉伸变形--即膨胀）这样在宏观上筒节就向外产生了一个半波的鼓凸，（如图2中c)所示。在以后的工作循环中，热应力不会增加，因而难以再使发生了塑变的筒壁在高温下屈服，变形量不会增加。但随着使用时间的延长，材质中强化相珠光体发生球化后，使得屈服强度，尤其是高温屈服强度下降。即经过一段时间以后，筒壁材质又会发生塑性变形，使得变形得以进一步的发展。随着循环次数的增加以及材质老化程度的加剧，塑性变形累积的结果，最终使得筒壁变形愈加严重。实际上，由于焦炭塔在高温的停留时间长，约为24小时（以48小时的生产周期计），焦炭塔同时也受高温蠕变变形的影响。蠕变变形的程度和材质的老化程度、应力载荷、工作温度有关。由于这一部分筒节所承受的应力较大，相应的蠕变变形的程度也较大。同时，由于使用过程中，下部筒节材料的高温屈服强度因塑变强化而暂时升高，而没有产生塑性鼓凸变形的上部筒节高温屈服强度的降低，上部筒节逐渐成为新的有利于鼓胀变形的部位，从而鼓胀变形得以向上部的筒节发展。对于“ε”形变形，在这里也可以给合理的解释。当焦炭塔筒节宽度较大时或综合应力水平较低时或材料弹性性能较好时，筒节中部就会以弹性形变作周期性变化，而焊缝附近在不断产生塑性变形，这样就形成了“ε”形变形【3】。
　　锦西炼油厂的焦炭塔，不仅将壁厚加厚为34mm，而且使用了15CrMo作为下筒体和下锥体的衬底。运行8年后，焦炭的第二及第三筒节仍然产生了明显鼓胀变形，最大变形量（在文中均指沿径向鼓凸高度）为47mm，最大变形宽度为1220mm。而且变形均为一个半波形式的鼓凸，与本模型相符合【4】。
　　参考文献
　　[1]陈吉成.焦炭塔筒体“糖葫芦变形”的方法[J].炼油技术,1998(1).
　　[2]陈孙艺.焦炭塔鼓胀的各种变形机理的探讨[J].中国锅炉压力容器,2000,12(5).
　　[3]胡海龙,陈宝忠.焦炭塔失效形式分析.机械强度[J]，1996，18(1).
　　[4]赵莹,周鸿.焦炭塔的鼓凸损伤变形.西安石油学院学报[J],1998，13.
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