针状焦焦炭塔水冷倾斜对塔顶油气管线的安全影响评估

针状焦焦炭塔水冷倾斜对塔顶油气管线的
安全影响评估
许乃宁1，李正亮2，王和慧2
（1.宝钢股份设备资材采购中心， 上海 200942）
（2.华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室， 上海 200237）
[摘 要] 针对生产针状焦的焦炭塔在水冷阶段发生周期性大幅倾斜导致的塔顶油气管线安全问题，基于管道有限元分析软件CAESAR II建立塔顶复杂油气管线的有限元模型，计算出管线在焦炭塔水冷阶段最大倾斜量时的一次应力和二次应力。

依据ASME B31.3工艺管道规范，对油气管线中的若干危险点进行应力分类评定。

结果表明：塔顶管线在焦炭塔最大倾斜时仍能安全使用，但在部分弯头和三通处的二次应力相对较大，建议后续运维中给予关注。

本文为焦炭塔倾斜导致塔顶油气管线的安全评估及其运维提供了参考依据。

[关键词] 焦炭塔水冷倾斜；油气管线；ASME B31.3；应力分类评定
作者简介：许乃宁（1982—），女，辽宁鞍山人，硕士研究生学
历。

现在宝钢股份设备资材采购中心从事化工和能源类设备策划、采购与管理工作。

某化工公司针对焦炭双塔R-4101A/B 开展针状焦改造项目，由原来生产的沥青焦（属于海绵焦）改变为生产针状焦，不仅切焦器的水射流压力必须增大，而且伴随着焦炭塔水冷阶段的周期性倾斜同样加大，给设备安全造成极大的潜在危险。

主要特征为：水冷阶段焦炭塔逐渐开始倾斜，进水2h 完毕，倾斜量基本达到最大160mm ，倾斜方向具有随机性。

达到最大值后，不再发生变化，一直保持最大倾斜量。

冷却完毕后水力除焦，在出焦前期，焦化塔一直保持最大变形量，直到接近除焦完毕，塔内出现焦炭大块塌方时，塔体分几次恢复到初始状态。

在焦炭塔倾斜过程中，油气管线、安全阀管线被拉或被推发生相应位移和变形。

如此周期性反复。

运行一段时间后，发现固定裙座的地脚螺栓全都有所松动，紧固后继续运行的最大倾斜量下降到90mm 内。

一般焦层高度为塔高的2/3，其直径与塔内径相等。

从取出的焦炭中可以看见大焦炭块内具有直径为50-70mm 的大小和方位随机分布的孔道[1]。

结构松散的针状焦，内部分布有大量的空隙和微细裂缝，与结构紧密、区段均匀的沥青焦相比，针状焦孔隙度更高，分枝孔道数目更多，而且大小和方位在每次水冷阶段中随机分布，所以当生产针状焦时，塔体在水冷阶段的倾斜量比生产沥青焦时更大、更明显。

塔体周期性的随机倾斜不仅危害塔体自身安全和寿命，而且可能导致塔顶上方油气管线发生失效和泄漏事故。

因此，对焦
炭塔的水冷倾斜现象进行研究和治理，对倾斜导致顶部油气管线位移的安全评估具有重要意义。

作者及合作者在文献[2]中揭示了焦炭塔水冷倾斜的机理并提出改进措施。

该文利用ANSYS 软件建立含分枝孔道焦床的焦炭塔有限元模型，模拟了焦炭塔在水冷阶段的倾斜过程，用间接耦合法求得了热应力和热变形的变化过程。

结果表明，水冷阶段出现的冷点引起轴向、周向温度分布不均，从而产生的温差应力和塔体非均匀受冷收缩产生的弯曲应力共同作用，使得塔体在水冷阶段发生弯曲倾斜。

塔体倾斜产生的受力不均，导致裙座区域的局部薄膜应力远大于材料屈服强度。

针对裙座强度不足，提出加筋弧板补强方案并经有限元验算，能有效降低裙座处的薄膜应力，防止裙座发生塑性或开裂失效。

另一方面，塔体的倾斜摆动对于塔顶上方油气管线的安全与寿命造成严重威胁。

本文研究的重点是焦炭塔塔顶出口的油气管线（如图1(a)，图1(b)所示）在塔体倾斜摆动下的安全性评价。

油气管线的初始设计，已充分考虑了焦化塔在4个工作流程中的塔体周期性冷热变化的热变形，故设计了弯头、弹簧恒力吊架和滑动导向支架等，但对焦炭塔发生如此大的随机角度的倾斜变形，在设计阶段并未考虑。

焦炭塔塔顶位置的倾斜位移最
(a) 焦炭塔外观 (b) 塔顶局部管线现场图
图1
(a) 焦炭塔塔顶管线有限元模型 (b)滑动支座局部图
图2
大，对管线产生周期性的随机推拉作用，必然导致管道的附加载荷和应力。

特别是在管道结构不连续的关键部位如三通四通、焊接点、阀门和法兰等，可能会导致更大的应力集中和疲劳开裂，对管道法兰产生偏转载荷而导致油气泄漏，引起火灾。

因此很有必要对塔顶上方油气管线因塔体倾斜的安全影响进行准确评价。

鉴于油气管线的复杂性，本文采用适用于复杂管道系统分析的CAESAR II 有限元软件，采用空间梁单元建立管系有限元模型，对倾斜的焦炭塔塔顶管线进行建模和应力分析，并根据关于ASME B31.3工艺管道规范[3]及其解读[4][5]对塔顶油气管道的应力进行安全评定，所得结果和建议对焦炭塔倾斜情况下的油
气管线运维具有参考价值。

1 塔顶管线有限元模型
如图2(a)所示，基于CAESAR II 软件采用三维梁单元建立塔顶油气工艺管线的有限元模型。

其中，所有法兰和阀门简化为管道，并做刚体处理，考虑其重力影响；所有单片法兰长度均为88mm ，其中有八处90°弯头和两处180°弯头，90°弯头的半径为305mm ，180°弯头的半径为
1500mm 。

在A 塔和B 塔出口管道的端面施加指定的位移载荷，在管道内表面施加466℃温度载荷，保温层外表面常温，以及管内压力载荷0.22MPa ；节点10、490、770和1010位置设置有恒力弹簧，节点10和1010弹簧拉力是14886N ，节点490和770弹簧拉力是10506N 。

因为管道四通不是CAESAR
表2 管道出口位移载荷的典型组合
表1 14Cr1Mo和1Cr5Mo材料参数表
II 软件内部基本构件，无法直接建模，所以在模型中将四通简化成两个三通、中间插入非常短（例如1mm ）的管道连接来近似处理。

节点250和节点1250位置有限位支架，该限位支架与管道外表面有10mm 的间隙，限制管道的侧向位移。

节点1460处施加固定约束，节点350、360、1350、1360和1550受到滑动支座的竖直向上的支撑力和水平方
向的摩擦力，滑动支座局部图如图2(b)所示。

2 材料参数与位移载荷
A 、
B 两塔出口处管道材料为14Cr1MoR ，其外径为256mm ，壁厚26mm ；工艺管道材料为1Cr5Mo ，外径219mm ，壁厚9mm 。

14Cr1Mo 和1Cr5Mo 材料参数[6]如表1所示。

材料弹性模量（×105MPa）
泊松比密度kg/m 320℃115℃466℃14Cr1Mo 2.0477 1.9860 1.72400.28908.01×1031Cr5Mo
2.1305
2.0646
1.7312
0.2890
8.01×103
管道保温层是复合硅酸铝，密度为0.30kg/m 3
；支座与管道的摩擦系数为0.3；由插值法可得1C r 5M o 在温度115℃下的许用应力值是108.2M P a ，在温度466℃的许用应力值为84.08MPa 。

当A 塔进行充焦时，B 塔进行其它操作。

两塔交替充焦反应。

现场记录显示，B 塔水冷阶段最大倾斜量保持在90mm 左右；A 塔水冷阶段的最大倾斜量保持在60mm 左右，方向随机。

因此选择四种典型的组合工况进行评估，工况1为A 塔沿Z 方向倾斜60mm ；工况2为A 塔沿X 方向倾斜60mm ；工况3为B 塔沿Z 方向倾斜90mm ，工况4为B 塔沿X 方向倾斜90mm ；水冷阶段焦炭塔因降温收缩导致塔顶沿竖直方向沉降位移约为70mm ，故各工况下均Y 方向均沉降位移70mm 。

A塔
DX(mm)
DY(mm)DZ(mm)工况10-70-60工况2
-60-700
B塔DX(mm)
DY(mm)DZ(mm)工况30-70-90工况4
-90
-70
03 结果分析与安全评定3.1 评定依据
基于ASME B31.3压力管道规范对焦炭塔塔顶油气管线进行应力强度评定。

主要包括一次应力和二次应力的分类评定。

一次应力是由重量、压力等持续性荷载导致的应力之和。

此类荷载需要
满足静力平衡条件，一旦平衡被打破，材料发生不可逆转的屈服变形，导致屈服失效，因此，一次应力的危害性最为严重，首先评定，必须有足够的安全余量。

一次应力只须分析不考虑温度影响的常温操作工况，许用值为。

管线的二次应力主要是由热膨胀载荷以及管道和设备连接管口初始位移引发，其特征是局部性和自限性。

如果结构的热胀变形不能得到自由释放，则转化为结构的局部屈服及二次应力。

因此，二次应力是在纯热胀状态下产生的，依据Mises 屈服失效判据，二次应力的等效应力由下式计算：
（当轴向应力大于环向应力） (1) （当环向应力大于轴向应力） (2)ASME B31.3工艺管道规范对管线热膨胀工况和常温操作工况下分别给出了相应的许用应力公式[3,4,5]。

热膨胀工况下的许用应力为
(3)常温操作工况下的许用应力
(4)一次应力SL 的计算公式
(5)其中，f 为应力范围系数，S c 为最低温度时许用应力，S h 为最高温度时许用应力，S b 为弯曲应力，S LP 为纵向压应力，F ax 为轴向拉力，A 为管线横截面积。

对焦炭塔工艺管线每个工况的常温操作状态
和纯热胀状态分别进行计算，得到位移云图和应
力云图，并选取应力危险点，依据ASME B31.3工艺管道规范进行应力分类评定。

3.2
结果分析与应力评定
图3 位移云图
图3为四种工况下的位移云图，银色为未发生变形的管道图，棕色为变形后的管道图。

A 、B 、C 、E 、F 和G 点为该处管道弯头处的节点，D 和H 点是恒力弹簧旁三通位置节点。

部分操作态节点位移与转角如表3所示。

节点DX(mm)DY(mm)DZ(mm)RX(deg)RY(deg)RZ(deg)A 工况10-70-600.2765-0.6434 1.1856工况2-60-7000.1788-0.18720.4842B 工况1-42.6754-79.9831-56.95200.2530-0.6445 1.1751工况2-78.6936-73.8251 4.42370.1776-0.18730.5974C 工况1-32.5924-82.6910-61.34090.2124-0.6730 1.1711工况2-76.3100-75.7557 2.51040.0996-0.15690.8401D
工况1-39.9386-7.2584-12.49970.0394-0.7110 1.1301工况2
-70.0803
-1.5937
0.0515
0.0445
0.0780
1.2319
表3 节点位移与转角
由于一次应力是由重量和压力载荷导致的应力之和，所以一次应力云图只需要考察安装冷态工况，如图4所示，安装冷态下的一次应力云图，A 、B 、D 和E 点是该处管道三通位置节点，C 和F 点是该处管道弯头处的节点。

各个点的评定结果如表4
所示。

图4 一次应力云图（kPa）
节点一次应力值（kPa）许用应力值（kPa）百分比
（%）评定结果
A 26524.9484080(466℃)31.55通过
B 16774.3484080(466℃)19.95通过
C 8646.9284080(466℃)10.28通过
D 25472.81108200(115℃)23.54通过
E 15952.8108200(115℃)14.74通过F
11188.9
108200(115℃)
10.34
通过
表4 一次应力评定
图5 热膨胀状态工况1、3的二次应力云图（KPa）
图6 热膨胀状态工况2、4二次应力云图（kPa）
表5 各节点二次应力评定（工况1、3）
◆参考文献
[1] （俄）H T 波霍金柯著 ，李成林译. 石油焦生产[M].北京：中国石化出版社，1992.
[2] 范华兵，李正亮，王和慧. 焦炭塔水冷倾斜过程的有限元模拟、安全评价与应对措施[J].石油和化工设备，2018，(1)：5-10.
[3] ASME B31.3 Process Piping Guide ( Revision 2 ) [S].
[4] 李敬琦. ASME B31.1和B31.3在管道应力评判上的异同[J].化工设备与管道，2010，47(5)：47-50.
[5] 丁伯民，应道宴. 对ASME B31.3工艺管道中关于柔性分析的理解[J].化工设备与管道，2004，40(3)：41-45.
[6] 潘家祯. 压力容器材料实用手册[M].北京：化学工业出版社，2000.
收稿日期：2019-03-21；修回日期：2019-05-13
进一步考察热膨胀状态的二次应力。

热膨胀状态工况1、3的二次应力如图5所示，其中A 点是该处管道的三通位置节点，B 和C 点是半圆形弯头位置节点。

这三个节点处存在较高的应力集中，各个点的二次应力评定结果如表5所示。

节点弯曲应力（kPa）扭转应力（kPa）
等效应力（kPa）许用应力（kPa）百分比（%）评定结果A 143262.10-2605.48143356.90193425.7074.11通过B 98785.186492.4499634.93205612.4048.46通过C
52785.93
-14067.26
59815.51
265543.10
22.53
通过
热膨胀状态工况2、4的二次应力如图6所示，其中A 点是该处管道的四通位置节点，B 、C 和E 点是该处管道的弯头位置，D 点是管道限位支架位置节点。

各个点的二次应力评定结果如表6所示。

节点弯曲应力（kPa）扭转应力（kPa）等效应力（kPa）许用应力（kPa）百分比（%）评定结果A 134990.50-4300.82135264.30247138.8054.73通过B 143450.20-4300.82143707.90259631.7055.35通过C 88438.0322400.4399138.30262781.5037.73通过D
96069.66
4488.55
96488.17
198587.90
48.59
通过
表6 各节点二次应力评定（工况2、4）
综合表5和表6可见，在工况1时，管道三通A 节点处的等效应力最高为143MPa ，达到材料许用应力193MPa 的74%，其他各危险节点处应力水平较低，尚有较大的安全余量。

表明该焦炭塔在水冷阶段发生倾斜时，与塔顶相连的工艺管线仍处于安全状态，但个别弯头和三通处存在较大的应
力集中，运维过程需要重点关注。

采用文献[2]的技术措施可以有效减小焦炭塔的倾斜量，这对于塔顶管线是最有效的防护。

4 结论
基于CAESAR II 软件，对焦炭塔工艺管线建立完整的有限元模型，计算出管线在焦炭塔水冷阶段不同方向最大倾斜状态的一次应力和二次应力，并依据工艺管道规范，对管线中的危险点进行应力分类评定，结果表明塔顶管线在焦炭塔倾斜时仍能安全使用。

但部分弯头和三通处的二次应力相对较大，建议运维中给予关注，并采用文献[2]措施减小焦炭塔倾斜量。