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某廠焦化車間的三號(hào)焦炭塔長(zhǎng)期在高溫、充焦、除焦的冷熱疲勞作用下運(yùn)行，導(dǎo)致塔體局部變形和母材焊縫開裂，嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)的安全。為了深入研究焦炭塔變形的原因，廠家采用應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)三號(hào)焦炭塔進(jìn)行一個(gè)工作周期內(nèi)的應(yīng)變測(cè)量與應(yīng)力分析，以尋求解決焦炭塔鼓凸變形問題的方法與對(duì)策。

結(jié)構(gòu)與參數(shù)

焦炭塔規(guī)格為Φ6000mm*30975mm。操作壓力0.23MPa，介質(zhì)為減壓渣油，下部操作溫度為475℃，上部操作溫度410-420℃。塔體主要包括頂部球形封頭、中部多節(jié)筒體和下部錐形封頭，分為泡沫段和生焦段2個(gè)區(qū)域。泡沫段筒體壁厚為28mm，生焦段筒體壁厚32mm，下筒體與錐形封頭的過渡半徑為3000mm，壁厚32mm。上封頭為半球形，內(nèi)半徑3000mm，壁厚為28mm。塔體主體材質(zhì)為20g，密度ρ=7870kg/m³，E=2.1276*10⁵MPa。

焦炭塔外壁應(yīng)變、溫度測(cè)量與應(yīng)力計(jì)算

本次測(cè)試僅對(duì)三號(hào)焦炭塔進(jìn)行一個(gè)工作周期（48h）的溫度和應(yīng)變測(cè)量。通過對(duì)塔體表面關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變和溫度測(cè)量，對(duì)整個(gè)塔體的應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而分析影響焦炭塔鼓凸變形的因素。

本次測(cè)試儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHYC靜態(tài)應(yīng)變，采用電阻應(yīng)變法測(cè)量，需在塔體表面粘貼應(yīng)變片。根據(jù)以前塔壁的變形情況，有針對(duì)性地選擇測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)分布于塔體與裙座焊縫、下封頭與筒體焊縫、筒節(jié)間焊縫和筒節(jié)*央等應(yīng)力集中點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布及序號(hào)見圖。

由于測(cè)點(diǎn)較多，選擇具有代表性的焊縫附近第2點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)做應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線。根據(jù)廣義胡克定律計(jì)算得到應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線。

其它各點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線與第2點(diǎn)相似，只是發(fā)生的時(shí)間和峰值與第2點(diǎn)略有不同。第2點(diǎn)在時(shí)間為36.5h，即開始進(jìn)水冷卻后0.5h，應(yīng)變與應(yīng)力曲線發(fā)生急劇上升與下降，整個(gè)過程約為2h，這一現(xiàn)象在其它點(diǎn)也有發(fā)生，即開始進(jìn)水冷卻后，液面上升到某點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)壁面應(yīng)變與應(yīng)力發(fā)生突變。

應(yīng)力分析與變形影響因素

塔體應(yīng)力分析

通過對(duì)焦炭塔整塔的應(yīng)力測(cè)試和分析，可以得出以下結(jié)論；

1. 在焦炭塔的一個(gè)工作周期內(nèi)，任意一點(diǎn)在開始冷卻以前，塔壁的應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的上升而緩慢增加。從進(jìn)蒸汽冷卻開始，應(yīng)力開始下降。水冷開始以后，當(dāng)液面達(dá)到塔壁某一點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的應(yīng)力會(huì)突然升高，然后又迅速下降，這個(gè)突變過程大約經(jīng)歷2h，然后該點(diǎn)的應(yīng)力又以較低的速度下降至冷卻過程結(jié)束。

2. 整個(gè)塔從下至上應(yīng)力逐漸降低，拉應(yīng)力變化較為平緩，由于塔自身質(zhì)量與物料質(zhì)量的作用，壓應(yīng)力沿塔體高度上的差距較明顯。

3. 由于焊縫強(qiáng)度高于母材，焊縫熱影響區(qū)的應(yīng)力較高（9、10、16點(diǎn)）。

影響變形的因素

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果及計(jì)算分析可知，焦炭塔塔體經(jīng)一個(gè)周期的運(yùn)行以后，周向殘余應(yīng)變?yōu)檎ㄊ芾?，軸向殘余應(yīng)變?yōu)樨?fù)（受壓）。因此，導(dǎo)致焦炭塔鼓凸變形的主要影響因素是：

1. 由于冷卻水進(jìn)入塔體的時(shí)候塔壁溫度仍然在300℃以上，導(dǎo)致焦炭塔壁溫度變化劇烈、迅速，產(chǎn)生屈服和塑性變形。在較高的溫度應(yīng)力作用下，每經(jīng)過一個(gè)循環(huán)周期的操作，塔體都會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力與塑性變形，經(jīng)過不斷積累，導(dǎo)致塔壁整體鼓凸變形。

2. 焊條的強(qiáng)度高于母材且焊縫一般有4mm的增強(qiáng)高度，使其強(qiáng)度和剛度都比母材高得多。因此，限制塔體膨脹變形而使其在此處出現(xiàn)“腰帶”。經(jīng)歷多次反復(fù)升降溫和多次變形，塑性變形不斷積累，就形成了焊縫處變形小而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域變形大的鼓凸變形。

3. 周期性性壓力波動(dòng)也是影響塔體變形的一個(gè)因素。塔內(nèi)壓在每個(gè)操作周期中經(jīng)歷從0MPa~0.23MPa~0MPa的過程，當(dāng)溫度、壓力*高時(shí)，也是塔壁強(qiáng)度*低的時(shí)候，這也在一定程度上加劇了塔體的鼓凸變形。

防止焦炭塔鼓凸變形措施

針對(duì)以上對(duì)焦炭塔鼓凸損傷現(xiàn)象與塔壁應(yīng)力分析，建議采取如下措施降低和防止焦炭塔的變形和局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象：

1.增加通蒸汽冷卻的時(shí)間，并采取兩階段、不同溫度蒸汽冷卻的方法，使焦炭塔壁的溫度在進(jìn)水冷卻前降的更低。

2.適當(dāng)提高冷卻水的溫度，降低塔內(nèi)、外壁的溫差。

3.適當(dāng)加大開始冷焦時(shí)的冷卻水流量，降低塔體軸向應(yīng)力。

4.增加保溫層厚度，盡量保持保溫層的完整性，降低溫差應(yīng)力。

5.采用和母材化學(xué)成分及強(qiáng)度等級(jí)的焊材，采用對(duì)稱的X形坡口，適當(dāng)降低焊縫增強(qiáng)高度，嚴(yán)格控制焊接時(shí)的幾何形狀誤差、焊前預(yù)熱與焊后熱處理。

6.采用疲勞強(qiáng)度更高的優(yōu)質(zhì)材料，內(nèi)部安裝襯套，改變受力對(duì)象，改善焦炭塔外壁受力情況。