焦化塔鼓包缺陷的極限載荷分析

唐夏燾 葉宇峰 項 智 蔡剛毅 宋宇軒

（1.浙江省特種設備科學研究院 浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室；2.浙江工業大學機械工程學院）

焦化塔是將減壓后的渣油加工成輕質燃油，并同時得到石油焦的一種裝置。 石化物料在加熱爐中被加熱到500 ℃左右后，輸送到焦化塔進行焦化反應。 作為焦化工藝中的核心設備——焦化塔是煉油廠所有壓力容器中使用環境最惡劣的設備之一。焦化過程中，焦炭塔要完成周期性的工作，需要反復冷卻和加熱，所受載荷也反復變化，同時還要承受高壓水沖擊等苛刻的工況條件，這就導致焦炭塔在使用一段時間后會出現塔體腐蝕、變形和鼓包，甚至有焊縫開裂、塔體傾斜等情況［1，2］。

目前，認為焦炭塔鼓脹變形和開裂的主要原因是在初始預熱和急冷階段存在嚴重的熱梯度，導致產生超過屈服極限的熱應力，引起塑性變形和淺裂紋萌生，隨著循環次數的增加，兩項缺陷加強為鼓脹和開裂［3，4］。另外，冷焦過程中，液面逐漸上升，與塔壁相交圓周處的應力發生迅速升高與回落，由此產生的溫差應力是導致塔體殘余應力和鼓包變形的主要因素［5，6］。 因此，如何提高焦化塔的完整性和可靠性一直是個難題。 筆者按ASME—2015鍋爐與壓力容器規范計算焦化塔的極限載荷，又根據API 579—2016維護適應性評價準則校核焦化塔的整體不圓度，判斷該設備能否滿足操作工況下的要求。

1 焦化塔概況

焦化塔的主要技術參數如下：

介質 油氣

設計壓力 350 kPa

設計溫度 430 ℃

工作壓力 100 kPa

工作溫度 104 ℃（塔頂）/415 ℃（塔底）

耐壓試驗壓力 813 kPa

承壓元件材料 Q345R+S11306（襯里）

焦化塔塔體內徑為6 400 mm，上筒體公稱厚度為18.0 mm+3.0 mm（襯里），缺陷最薄處的厚度20.9 mm。 缺陷位置如圖1所示， 橫縫是塔體頂部第2道環焊縫，A1、A2焊縫對稱位于吊耳處，1#～3#鼓包缺陷均在其附近，內壁上的鼓包呈非規則橢圓形（圖2），具體尺寸見表1。

表1 缺陷尺寸參數 mm

圖1 缺陷位置示意圖

圖2 缺陷現場照片

2 有限元模型

采用ANSYS軟件，對焦化塔進行極限載荷分析。 將3個鼓包的形狀都簡化為橢圓形，根據其分布形式劃分為兩種結構 （含1#鼓包缺陷和含2#、3#兩個相近的鼓包缺陷）分別進行分析，由此建立局部結構的有限元模型和網格模型（圖3、4）。

圖3 含1#鼓包缺陷的設備局部結構模型

圖4 含2#、3#鼓包缺陷的設備局部結構模型

其中，三維實體模型采用SOLID95單元（20節點），上法蘭模型包括的單元數為105 105個，節點數量529 928個；邊界條件為模型下部截面施加全約束，模型內表面施加內壓。

3 極限載荷計算結果分析

有限元計算模型材料屬性采用理想彈塑性材料，Q345R在設計溫度430 ℃下的許用應力Sm取值為93 MPa。 按照ASME鍋爐與壓力容器規范［7］進行焦化塔結構的極限載荷分析，材料的屈服極限應為1.5Sm，即140 MPa，取結構失效時應變最大處的106998#節點為考察點， 在不同的子步下，該節點的應變與內壓的關系如圖5所示，升壓至277 kPa后，有限元計算不再收斂，故極限載荷為277 kPa，此時觀察點的應變為0.016 7。

圖5 106998#節點應變與內壓的關系

在極限載荷277 kPa下，提取塔體兩處缺陷的SEQV應力云圖（圖6）。

圖6 塔體兩處缺陷的SEQV應力云圖

由圖6可看出：1#鼓包的應力主要集中在缺陷上下兩端且上下對稱， 而最大應力位于上端附近，左右兩側的應力較小；兩個相近缺陷（2#和3#鼓包） 的應力覆蓋兩個缺陷及其之間的部位，呈蝴蝶狀，左右對稱，最大應力位于兩個缺陷之間的部位。

在極限載荷277 kPa下，提取塔體兩處缺陷的應變云圖（圖7）。由圖7可看出：1#鼓包的應變分布與其應力分布基本對應，即主要集中在缺陷上下兩端且上下對稱，而最大應變發生在缺陷上端附近，左右兩側的應變幾乎為零；兩個相近的缺陷（2#和3#鼓包）的應變主要集中在兩個缺陷的邊緣及其之間的部位，左右基本對稱，最大應變發生在右側缺陷的中心部位。

圖7 塔體兩處缺陷的應變云圖

4 整體不圓度的極限承載能力分析

根據API 579-1—2016 維護適應性評價準則［8］對焦化塔圓筒形殼體的整體不圓度進行評定， 在殼體產生損傷后的剩余強度因子RSF應該大于標準推薦值0.9。

式中 Hf——形狀偏差應力系數；

Rb、Rbs——偏移量系數；

Sm——設計溫度下許用應力；

σm——設備的薄膜應力；

σms——附加載荷。

剩余強度因子RSF先取0.9（推薦值），附加載荷σms=0、Hf=3.0、Rb=5.31，反推設備的薄膜應力σm為41.3 MPa。

根據API 579-1—2016附錄A中的薄膜應力計算方法可知：

式中 E——焊縫系數；

Rc——標準半徑；

tc——構件現有壁厚；

tci——構件過渡厚度。

焊縫系數E取0.7、Rc=3225 mm、tc=20.9 mm，tci=4.1 mm，反推該設備的極限載荷P=222 kPa。

5 結論

5.1 按照ASME—2015鍋爐與壓力容器規范進行分析， 得到焦化塔結構的極限載荷為277 kPa。根據API 579-1—2016維護適應性評價準則對焦化塔圓筒形殼體的整體不圓度進行評定，得到該設備的極限載荷為222 kPa。

5.2 通過ANSYS分析，單獨鼓包缺陷（1#鼓包）的應力、應變主要集中在缺陷上下兩端，最大值均位于缺陷上端附近。 兩個相近的鼓包缺陷（2#和3#鼓包）的應力覆蓋整個缺陷以及兩缺陷之間的部位，最大應力位于兩個缺陷之間的部位，發生應變的部位主要在兩個缺陷的邊緣及其之間，最大應變發生在右側缺陷的中心部位。

5.3 兩種方法得到的極限載荷相差不多，都未超過設計壓力350 kPa， 能滿足工作壓力100 kPa的工況要求，但整體不圓度評定結果相對保守。