大型焦炭塔的设计1
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设 计 计 算
大型焦炭塔的设计
上海高桥石油化工公司设计院 马 莉
摘 要 :从焦炭塔特殊的工艺操作条件及大型化的发展趋势 , 指出 15CrMoR 合金钢制作焦炭塔比碳
钢具有更多的优越性 , 同时从疲劳容器的角度考虑其结构设计 , 对焦炭塔的安全运行具有一定的指 导意义 。 关键词 :焦炭塔 ; 疲劳裂纹 ; 结构设计 ; 应力分析
4) 改善保温结构 , 采用吊带式整体保温结构 , 尽
面十分贴合 , 在高温工况下使用时会在壳壁局部产 生较大的热应力等缺点 , 故焦炭塔接管补强设计中 不宜采用补强圈补强方式 。
图4
图 4 ( b) 是厚壁管补强型式 , 补强区集中于开孔 应力最大的地方 , 比补强圈型式更能有效地降低应 力集中系数 , 且结构简单 , 只需一段厚壁管即可 , 但 焊接上必须保证全焊透 。 图 4 ( c) 是整体锻件补强型式 , 补强区域在应力 集中区 , 能最有效地降低应力集中系数 , 而且全部焊 接接头易采用对接焊 、 易探伤 、 质量也易保证 。尽管 制造繁琐 , 造价稍高 , 但该补强型式的抗疲劳性能最 好 , 疲劳寿命仅降低 10 %～15 % 。 综上所述 , 按疲劳容器要求设计接管型式 , 应采 取 : ( 1) 尽量降低局部区域的应力集中系数 ; ( 2 ) 接 管结构采用正交式 , 避免斜交与切向连接 ; ( 3 ) 接管 补强方式以整体或接管补强为好 ; ( 4) 采用全焊透的 焊接结构 ; ( 5) 在应力集中最严重部位加大过渡圆角 半径 , 接管根部及内壁拐角处焊缝应打磨光滑 , 避免 焊缝余高过多 ; ( 6) 磨去焊瘤 , 填平凹坑等措施 。 5 焦炭塔的应力分析及寿命预测 危及焦炭塔安全运行的有塔体鼓凸变形 , 焊缝 裂纹等现象 , 均由作用于塔体上的各种应力引起 。 因它们均出现在焦炭塔下段筒体 , 故本文应力分析 取裙座上第一圈塔体的上环焊缝为分析对象 。 511 应力分析 ( 1) 内压产生的薄膜应力 δ 周向 σ θ = pwD i / 2 e = 3617MPa δ 轴向 σ z = pw D i / 4 e = 1813MPa
根部附近产生大量热疲劳裂纹 , 进而穿过焊缝扩展 到塔体壁厚中 。
( 2) 改善措施
为了防止设备的疲劳破坏 , 关键在于降低焊缝 中存在的对疲劳应力敏感的高度应力集中及通过降
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
311 焊缝
最高使用 ) 温度 ( ℃
450 550
475 ℃ 时 475 ℃ 时 许用应力 105 持久 (MPa) 强度 ( MPa) 41 110 91 175
蠕变极限 (MPa)
56 100
212 材料的抗腐蚀性 资料表明 , 国内碳钢制焦炭塔泡沫段以上部位 腐蚀较为严重 , 这是由于焦炭塔中的渣油在裂解过 程中有氨 、 硫化氢 、 氯化氢产生 , 其中硫化氢对设备 的腐蚀从 240 ℃开始随着温度升高而迅速加剧 , 到 480 ℃ 左右达到最高点 , 以后又逐渐减弱 。 抵抗高温硫化氢腐蚀的能力主要是随设备材质 中铬含量的增加而提高 。铬是具有钝化倾向的元 素 , 由于铬的存在 , 促进了钢材表面的钝化 , 能够减 少钢材对硫化氢的吸收量 , 因而高温下的硫化氢对 含铬合金钢的腐蚀率远比碳钢小 。 同时 , 焦炭塔生焦段塔壁通常都附着一层牢固 而致密的由焦炭形成的保护层 , 较为有效地隔开了 腐蚀介质 , 因而塔体中下段腐蚀不明显 。上段塔体 即泡沫层 , 因受气相段 H2 S 、 S 作用产生较严重腐蚀 。 故根据焦炭塔的腐蚀特点 , 泡沫层以下筒体采用抗 腐蚀性能较好的 15CrMoR 材料 , 在泡沫层下 200mm 以上的塔体选用复合板 , 即 基 层 15CrMoR + 复 层 0Cr13Al , 就能较为有效地改善 20g 焦炭塔腐蚀较为
目前国内焦炭塔所用材质主要有两种 , 碳钢和 铬钼钢 , 绝大多数焦炭塔选用 20g , 但因 20g 的最高 使用温度为 450 ℃, 耐热强度低 , 当焦炭塔在交变载 荷下长期使用时 , 经 5 ～ 6 年有可能产生石墨化倾 向 , 其结果将直接导致材料韧性 、 塑性降低 , 造成塔 体下部产生鼓凸变形 , 焊缝开裂等现象 。15CrMoR 钢属于耐热钢 , 综合力学性能优于 20g 钢 。由表 1 可以看出 , 15CrMoR 的高温韧性 、 强度和塑性较 20g 高 , 即抗鼓凸性能较碳钢高 , 而发生蠕变的可能性则 小得多 。从高温综合力学性能考虑 , 焦炭塔在长期 ・1 5 ・
Kt 值越大 , 其结构疲劳寿命越低 。尤其是在接
管部位 , 开孔处几何不连续区域形成的高应力集中 也是焦炭塔的薄弱环节 , 因而也最易发生疲劳开裂 或泄漏等故障 。开孔需要补强 , 但孔的补强是不能 简单地通过增加补强材料而获得 。 有实验指出 , 若 A 1 为开孔后被削去的横截面 ,
A 2 为总的补强面积 , 对于圆筒形容器上的接管 , 当 A 2 / A 1 从 65 % 增加到 115 % 时 , 其最大应力只有很
中图分类号 : TQ05215 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 4837 ( 2002) 05 - 0015 - 04
Investigation on Design Problems of Large - Sized Coke Column
Design Institute , Shanghai Gaoqiao Petrochemical Corporation MA Li Abstract :Special process operation conditions and development trend of large - scale coke column had been discussed in this paper. The article pointing out that coke columns manufactured with 15CrMoR alloy steel had more advantages than those with carbon steel . Meanwhile , material’ s fatigue had also been taken into account at structural design of coke column , which was important for safety running of coke column. Key words :coke column ;fatigue crack ;structure design ;stress analysis
符号说明 : σ— — — 应力 , MPa ( 下标 : S 表示屈服点 , Z 表示轴向 ,θ 表示周向) ;
pw — — — 工作压力 , MPa ; Di 、 Ri — — — 分别为塔体内直径 、 内半径 , mm ;
它将成为国内最大规格的焦炭塔 。 焦炭塔的大型化和其苛刻的操作条件对设备材 料选择 、 结构设计等都提出了较高要求 , 直接影响设 备安全和使用寿命 。本文将从设计角度对焦炭塔的 选材 、 结构设计及使用寿命等作一探讨 。 2 材料选择
焦炭塔在反复的加热冷却循环过程中 , 塔体环 焊缝会产生疲劳裂纹 , 而且多在焊缝熔合线沟槽的 应力集中处 。 在设计制造过程中要求采用自动焊 ; 控制焊缝 的表面质量 , 减少气孔和夹渣的出现 ; 焊前预热及焊 后热处理 ; 对焦炭塔生焦层以下的环焊缝应磨平焊 缝余高 , 对泡沫层即上段塔体环焊缝进行打磨 , 使焊 缝和母材之间圆滑过渡 , 焊缝余高不超过 115mm , 减 少应力集中系数 , 增加疲劳强度 。
211 材料的高温力学性能
δ — — 塔体名义壁厚 ,mm ; e — α— — — 线膨胀系数 , 1/ ℃;
E— — — 弹性模量 , MPa ;
ΔT — — — 温度差 , ℃; μ— — — 泊松系数 ;
Nf — — — 疲劳断裂循环次数 ;
ε — — 塑性应变 。 p —
1 前言 延迟焦化是石油深度加工的主要工艺之一 。随 着装置规模不断扩大 , 其关键设备焦炭塔也日趋大 型化 。我公司即将建造一套 140 万吨/ 年延迟焦化 装置 , 焦炭塔的直径将达 818 米 , 高 2315 米 ( 切线) ,
( 2) 介质及自身重量产生的轴向压应力
2 2 σ y = - G/ π( R0 - R i ) = - 117MPa
量不在塔体上焊保温钉 , 而在 “吊带” 上焊保温钉和 保温支持圈 , 同时在塔体和裙座连接处的保温层采 用可拆式结构 。 4 开孔补强结构特点 容器结构不可避免地存在缺口 , 如开孔 、 接管 、 法兰 、 支座焊缝局部堆高等 , 这些都将造成结构的总 体不连续或局部不连续 , 形成应力集中和峰值应力 。 可以用理论弹性应力集中系数 Kt 来衡量结构应力 集中程度的优劣 。 结构应力集中部位的最大弹性应力 σ max Kt = 名义应力 σ
高温及交变载荷下运行 , 选用 15CrMoR 钢比 20g 钢 更加安全可靠 。
表1 力学性能比较表 材料
20g 15CrMoR
严重的状况 。 综合 15CrMoR 及 20g 材料的各项性能 , 大直径 焦炭塔主体材料选用 15CrMoR 是经济合理的 。 3 结构设计 由于焦炭塔特殊的操作工艺 , 使其长期承受高 温交变载荷 , 焦炭塔普遍存在热损伤及疲劳破坏问 题 , 塔体变形 、 裙座与塔体焊缝开裂等缺陷影响着焦 炭塔的安全运行 , 因此有必要根据容器疲劳设计的 要求对其进行结构设计 。
http://www.cnki.net
第 19 卷第 5 期 压 力 容 器 总第 114 期
低沿裙座高度上的温度梯度 , 使热应力减至最小 。 1) 裙座与筒体对接焊 , 即在筒体部分堆焊出一 个构件 , 使裙座与构件形成全焊透焊接 , 既可保证焊 接质量 、 降低焊接应力 , 又可降低裙座的刚性约束 点、 增加裙座顶部的挠性 ( 图 2) 。 2) 在裙座圆周上开出均匀的窄槽 ( 图 3 ) , 使开 槽部分起到许多悬臂梁的作用而增加裙座挠性 。为 了降低开槽引起截面改变所造成的应力集中 , 需在 每条槽的两端钻孔 。这些槽也要有一定间隔 , 以便 取得较宽的悬臂结构 , 保证能承受水平剪力 。 3) 设置空气囊 ( 图 3) , 即在裙座与锥形筒体间 设置一环形挡板 , 保持环形挡板与锥形筒体外壁有 一定间隙 , 使热流通过对流和辐射方式从塔体传到 裙座上 , 从而减小温度梯度 。
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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CPVT 大型焦炭塔的设计 Vol19. No5 2002
312 裙座
( 1) 裙座裂缝产生原因
ห้องสมุดไป่ตู้
裙式支座的主要问题是热应力 , 即由裙座与塔 体相接触处的温度梯度及裙座与其冷底座之间的温 差所引起 。从国内现役焦炭塔来看 , 裙座焊缝开裂
( 图 1) 现象较为严重 。
在急骤升温阶段 , 裙座与下部塔体有较大温差 , 各自径向自由热变形不一致 , 而裙座又具有较大刚 度 , 在裙座与塔体焊缝外侧形成弯曲拉应力 。沿裙 座的轴向温差越大 , 则该应力值也越大 。在长期受 到较大的轴向交变热应力作用下 , 焊缝表面及焊缝 ・16 ・
大型焦炭塔的设计
上海高桥石油化工公司设计院 马 莉
摘 要 :从焦炭塔特殊的工艺操作条件及大型化的发展趋势 , 指出 15CrMoR 合金钢制作焦炭塔比碳
钢具有更多的优越性 , 同时从疲劳容器的角度考虑其结构设计 , 对焦炭塔的安全运行具有一定的指 导意义 。 关键词 :焦炭塔 ; 疲劳裂纹 ; 结构设计 ; 应力分析
4) 改善保温结构 , 采用吊带式整体保温结构 , 尽
面十分贴合 , 在高温工况下使用时会在壳壁局部产 生较大的热应力等缺点 , 故焦炭塔接管补强设计中 不宜采用补强圈补强方式 。
图4
图 4 ( b) 是厚壁管补强型式 , 补强区集中于开孔 应力最大的地方 , 比补强圈型式更能有效地降低应 力集中系数 , 且结构简单 , 只需一段厚壁管即可 , 但 焊接上必须保证全焊透 。 图 4 ( c) 是整体锻件补强型式 , 补强区域在应力 集中区 , 能最有效地降低应力集中系数 , 而且全部焊 接接头易采用对接焊 、 易探伤 、 质量也易保证 。尽管 制造繁琐 , 造价稍高 , 但该补强型式的抗疲劳性能最 好 , 疲劳寿命仅降低 10 %～15 % 。 综上所述 , 按疲劳容器要求设计接管型式 , 应采 取 : ( 1) 尽量降低局部区域的应力集中系数 ; ( 2 ) 接 管结构采用正交式 , 避免斜交与切向连接 ; ( 3 ) 接管 补强方式以整体或接管补强为好 ; ( 4) 采用全焊透的 焊接结构 ; ( 5) 在应力集中最严重部位加大过渡圆角 半径 , 接管根部及内壁拐角处焊缝应打磨光滑 , 避免 焊缝余高过多 ; ( 6) 磨去焊瘤 , 填平凹坑等措施 。 5 焦炭塔的应力分析及寿命预测 危及焦炭塔安全运行的有塔体鼓凸变形 , 焊缝 裂纹等现象 , 均由作用于塔体上的各种应力引起 。 因它们均出现在焦炭塔下段筒体 , 故本文应力分析 取裙座上第一圈塔体的上环焊缝为分析对象 。 511 应力分析 ( 1) 内压产生的薄膜应力 δ 周向 σ θ = pwD i / 2 e = 3617MPa δ 轴向 σ z = pw D i / 4 e = 1813MPa
根部附近产生大量热疲劳裂纹 , 进而穿过焊缝扩展 到塔体壁厚中 。
( 2) 改善措施
为了防止设备的疲劳破坏 , 关键在于降低焊缝 中存在的对疲劳应力敏感的高度应力集中及通过降
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
311 焊缝
最高使用 ) 温度 ( ℃
450 550
475 ℃ 时 475 ℃ 时 许用应力 105 持久 (MPa) 强度 ( MPa) 41 110 91 175
蠕变极限 (MPa)
56 100
212 材料的抗腐蚀性 资料表明 , 国内碳钢制焦炭塔泡沫段以上部位 腐蚀较为严重 , 这是由于焦炭塔中的渣油在裂解过 程中有氨 、 硫化氢 、 氯化氢产生 , 其中硫化氢对设备 的腐蚀从 240 ℃开始随着温度升高而迅速加剧 , 到 480 ℃ 左右达到最高点 , 以后又逐渐减弱 。 抵抗高温硫化氢腐蚀的能力主要是随设备材质 中铬含量的增加而提高 。铬是具有钝化倾向的元 素 , 由于铬的存在 , 促进了钢材表面的钝化 , 能够减 少钢材对硫化氢的吸收量 , 因而高温下的硫化氢对 含铬合金钢的腐蚀率远比碳钢小 。 同时 , 焦炭塔生焦段塔壁通常都附着一层牢固 而致密的由焦炭形成的保护层 , 较为有效地隔开了 腐蚀介质 , 因而塔体中下段腐蚀不明显 。上段塔体 即泡沫层 , 因受气相段 H2 S 、 S 作用产生较严重腐蚀 。 故根据焦炭塔的腐蚀特点 , 泡沫层以下筒体采用抗 腐蚀性能较好的 15CrMoR 材料 , 在泡沫层下 200mm 以上的塔体选用复合板 , 即 基 层 15CrMoR + 复 层 0Cr13Al , 就能较为有效地改善 20g 焦炭塔腐蚀较为
目前国内焦炭塔所用材质主要有两种 , 碳钢和 铬钼钢 , 绝大多数焦炭塔选用 20g , 但因 20g 的最高 使用温度为 450 ℃, 耐热强度低 , 当焦炭塔在交变载 荷下长期使用时 , 经 5 ～ 6 年有可能产生石墨化倾 向 , 其结果将直接导致材料韧性 、 塑性降低 , 造成塔 体下部产生鼓凸变形 , 焊缝开裂等现象 。15CrMoR 钢属于耐热钢 , 综合力学性能优于 20g 钢 。由表 1 可以看出 , 15CrMoR 的高温韧性 、 强度和塑性较 20g 高 , 即抗鼓凸性能较碳钢高 , 而发生蠕变的可能性则 小得多 。从高温综合力学性能考虑 , 焦炭塔在长期 ・1 5 ・
Kt 值越大 , 其结构疲劳寿命越低 。尤其是在接
管部位 , 开孔处几何不连续区域形成的高应力集中 也是焦炭塔的薄弱环节 , 因而也最易发生疲劳开裂 或泄漏等故障 。开孔需要补强 , 但孔的补强是不能 简单地通过增加补强材料而获得 。 有实验指出 , 若 A 1 为开孔后被削去的横截面 ,
A 2 为总的补强面积 , 对于圆筒形容器上的接管 , 当 A 2 / A 1 从 65 % 增加到 115 % 时 , 其最大应力只有很
中图分类号 : TQ05215 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 4837 ( 2002) 05 - 0015 - 04
Investigation on Design Problems of Large - Sized Coke Column
Design Institute , Shanghai Gaoqiao Petrochemical Corporation MA Li Abstract :Special process operation conditions and development trend of large - scale coke column had been discussed in this paper. The article pointing out that coke columns manufactured with 15CrMoR alloy steel had more advantages than those with carbon steel . Meanwhile , material’ s fatigue had also been taken into account at structural design of coke column , which was important for safety running of coke column. Key words :coke column ;fatigue crack ;structure design ;stress analysis
符号说明 : σ— — — 应力 , MPa ( 下标 : S 表示屈服点 , Z 表示轴向 ,θ 表示周向) ;
pw — — — 工作压力 , MPa ; Di 、 Ri — — — 分别为塔体内直径 、 内半径 , mm ;
它将成为国内最大规格的焦炭塔 。 焦炭塔的大型化和其苛刻的操作条件对设备材 料选择 、 结构设计等都提出了较高要求 , 直接影响设 备安全和使用寿命 。本文将从设计角度对焦炭塔的 选材 、 结构设计及使用寿命等作一探讨 。 2 材料选择
焦炭塔在反复的加热冷却循环过程中 , 塔体环 焊缝会产生疲劳裂纹 , 而且多在焊缝熔合线沟槽的 应力集中处 。 在设计制造过程中要求采用自动焊 ; 控制焊缝 的表面质量 , 减少气孔和夹渣的出现 ; 焊前预热及焊 后热处理 ; 对焦炭塔生焦层以下的环焊缝应磨平焊 缝余高 , 对泡沫层即上段塔体环焊缝进行打磨 , 使焊 缝和母材之间圆滑过渡 , 焊缝余高不超过 115mm , 减 少应力集中系数 , 增加疲劳强度 。
211 材料的高温力学性能
δ — — 塔体名义壁厚 ,mm ; e — α— — — 线膨胀系数 , 1/ ℃;
E— — — 弹性模量 , MPa ;
ΔT — — — 温度差 , ℃; μ— — — 泊松系数 ;
Nf — — — 疲劳断裂循环次数 ;
ε — — 塑性应变 。 p —
1 前言 延迟焦化是石油深度加工的主要工艺之一 。随 着装置规模不断扩大 , 其关键设备焦炭塔也日趋大 型化 。我公司即将建造一套 140 万吨/ 年延迟焦化 装置 , 焦炭塔的直径将达 818 米 , 高 2315 米 ( 切线) ,
( 2) 介质及自身重量产生的轴向压应力
2 2 σ y = - G/ π( R0 - R i ) = - 117MPa
量不在塔体上焊保温钉 , 而在 “吊带” 上焊保温钉和 保温支持圈 , 同时在塔体和裙座连接处的保温层采 用可拆式结构 。 4 开孔补强结构特点 容器结构不可避免地存在缺口 , 如开孔 、 接管 、 法兰 、 支座焊缝局部堆高等 , 这些都将造成结构的总 体不连续或局部不连续 , 形成应力集中和峰值应力 。 可以用理论弹性应力集中系数 Kt 来衡量结构应力 集中程度的优劣 。 结构应力集中部位的最大弹性应力 σ max Kt = 名义应力 σ
高温及交变载荷下运行 , 选用 15CrMoR 钢比 20g 钢 更加安全可靠 。
表1 力学性能比较表 材料
20g 15CrMoR
严重的状况 。 综合 15CrMoR 及 20g 材料的各项性能 , 大直径 焦炭塔主体材料选用 15CrMoR 是经济合理的 。 3 结构设计 由于焦炭塔特殊的操作工艺 , 使其长期承受高 温交变载荷 , 焦炭塔普遍存在热损伤及疲劳破坏问 题 , 塔体变形 、 裙座与塔体焊缝开裂等缺陷影响着焦 炭塔的安全运行 , 因此有必要根据容器疲劳设计的 要求对其进行结构设计 。
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第 19 卷第 5 期 压 力 容 器 总第 114 期
低沿裙座高度上的温度梯度 , 使热应力减至最小 。 1) 裙座与筒体对接焊 , 即在筒体部分堆焊出一 个构件 , 使裙座与构件形成全焊透焊接 , 既可保证焊 接质量 、 降低焊接应力 , 又可降低裙座的刚性约束 点、 增加裙座顶部的挠性 ( 图 2) 。 2) 在裙座圆周上开出均匀的窄槽 ( 图 3 ) , 使开 槽部分起到许多悬臂梁的作用而增加裙座挠性 。为 了降低开槽引起截面改变所造成的应力集中 , 需在 每条槽的两端钻孔 。这些槽也要有一定间隔 , 以便 取得较宽的悬臂结构 , 保证能承受水平剪力 。 3) 设置空气囊 ( 图 3) , 即在裙座与锥形筒体间 设置一环形挡板 , 保持环形挡板与锥形筒体外壁有 一定间隙 , 使热流通过对流和辐射方式从塔体传到 裙座上 , 从而减小温度梯度 。
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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CPVT 大型焦炭塔的设计 Vol19. No5 2002
312 裙座
( 1) 裙座裂缝产生原因
ห้องสมุดไป่ตู้
裙式支座的主要问题是热应力 , 即由裙座与塔 体相接触处的温度梯度及裙座与其冷底座之间的温 差所引起 。从国内现役焦炭塔来看 , 裙座焊缝开裂
( 图 1) 现象较为严重 。
在急骤升温阶段 , 裙座与下部塔体有较大温差 , 各自径向自由热变形不一致 , 而裙座又具有较大刚 度 , 在裙座与塔体焊缝外侧形成弯曲拉应力 。沿裙 座的轴向温差越大 , 则该应力值也越大 。在长期受 到较大的轴向交变热应力作用下 , 焊缝表面及焊缝 ・16 ・