延迟焦化装置焦炭塔的改进设计

座焊缝裂纹 。
越拉越薄 。
塔体热胀
热胀向上
向下热胀 ,不受轴向约束
受载荷 ,塔自重 (向下 )约束 ,产生很大轴向热压缩力。 载荷和塔自重向下拉伸 ,热胀也向下 ,两者迭加
可能增加塔体热胀伸长量 。
塔体冷缩
冷缩向下
载荷 、水 、塔自重和收缩力向下 ,因下段焦层受上部 焦炭压缩 ,密度大 ,难进水 ,此段温度高 ,有很大热 压缩力 。
3 焦炭塔改进效果
2. 2 增加夹套 在塔充焦段器壁外增设一夹套 ,见图 2。钢气夹
热应力分析见表 1[6] ,焦炭塔改进前后工况对比 见表 2。
应力分析 项目
塔体 径 向 热 胀 冷 缩分析
塔体 轴 向 热 胀 冷 缩分析
表 1 焦炭塔改进设计前后热应力分析表
裙 座 型 式
传 统 下 裙 座
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江 苏 化 工 2007年 8月
伸缩静不定支座 。在不改变设备工况条件下 ,采用高 支撑上裙座 (图 2) ,使充焦段悬空 ,改变塔体充焦段受 力方式 。优点如下 : ( 1) 充焦段向下热胀不受限制和 约束 ; ( 2) 充焦段温度分布是下高上低 ,下部高温段不 会阻滞上部低温段向下热胀 ; ( 3) 塔体自重 ,物料重等 在充焦段轴向表现为拉伸应力 ; ( 4) 内压产生轴向应 力也是拉应力 。拉伸力不会使构件受拉而弯曲 ,可能 使构件越拉越直 ,越拉越长 ; ( 5) 若干个焦炭塔报废前 检测发现下裙座下部锥体部分从未发现鼓胀变形 ,为 升高裙座改进提供了实践依据 。
改 进 上 裙 座
塔体受热 ,产生径向热胀 ;塔体上下存在的温差导 致塔体各横断面热胀不同 。温度高的塔下段热胀
外凸严重 ;径向热胀有外凸趋向 。塔轴向热压力下 压作用与之叠加 ,极大加大外凸产生之应力 。
虽然同样产生径向热胀 ,塔下段同样产生热胀外 凸可能 ,但塔受轴向静拉力作用 ,不是与之叠加 , 而是向下拉直筒壁 ,抵消下段筒体外凸 。
塔体温度分布为下高上低 塔体载荷分布为下小上大 (拉 ) 塔体上下段均衡和谐
轴向温差
上低下高 ,向上热胀
上低下高 ,向下热胀
上部阻滞下部热胀 ,存在温度分布不均产生热应 下段向下热胀比上段快 ,不存在轴向温差产生热
力。
应力 。
壁厚径向温差 变形和疲劳
X - X进料从下到上 存在较大壁厚内外温差
Y - Y进料从下到上 高温气流预热时间长
塔进料温度达 500 ℃,塔壁最高温度可达 475 ℃,令 塔体轴向热胀 ;由于焦炭重量 、塔体自重 、平台和保 温重量向下压缩 ,限制塔体自由热胀 ;由于上述两 项原因 ,塔体向上热胀受约束 ,下段筒体横截面受 数值巨大向下压缩力 。
塔充焦段呈悬垂状态 ,热胀向下 ;塔体向下热胀 , 基本不受限 ,不受约束 ;焦炭 、塔自重 、管线 、平台 和保温重量向下 ,对筒体作用表现为拉力 。
有关焦炭塔的变形研究及应力分析等已有众多文 献报道 ,本文在参考相关文献的基础上 ,根据焦炭塔运 行损伤成因 (塔体高温疲劳和传统设计局限等 ) ,对焦 炭塔进行改进设计 。
2 焦炭塔改进设计的内容
2. 1 由下裙座改成高支撑上裙座 裙座置于扩径后塔体泡沫段下 ,原下裙座处设可
3收稿日期 : 2007 - 06 - 06 作者简介 :张振波 (1967—) ,男 ,工程师 ,从事压力容器和其它机械设备设计工作 ,以及项目管理及项目监理工作 。电话 : 13776651628。
1 焦炭塔技术背景
石化行业延迟焦化炼油加工装置 ,是当今世界重 油深加工的首选 ,焦炭塔是延迟焦化装置的关键设备 。 传统焦炭塔 ,全部为下裙座支撑结构 ,见图 1。
A —泡沫段 ; B —充焦段 ; C—鼓胀变形位置 ; D —下裙座焊缝裂纹
图 1 下裙座支撑焦炭塔 传统设计的下裙座支撑结构 ,塔向上热胀受到自 重 、物料重的约束 ,轴向产生一个向下热压缩力 R1;轴 向温度分布上低下高 ,塔体上段阻滞下段热胀 ,产生一 个轴向热压缩力 R2;水冷却时塔内外壁温差产生一个 外壁轴向热压缩力 R3; 塔自重 、物料重对塔体横截面 产生一个压缩力 R4 (见图 1) 。在焦炭塔水冷阶段 ,冷 却水温较低 ,随着水上升 ,与水液面同一平面塔外壁 , 因径向壁厚温差过大 ,几种轴向压缩力综合作用 ,此时
存在轴向鼓胀 ,可能越拉越直 ,阻断恶性循环 。
综合分析 : (1) 改进上裙座可终结传统下裙座设计 产生运转损伤 ,即塔体下段鼓胀和裙座焊缝裂纹。 (2) 改进上裙座也带来新问题 ,主要有 : A. 焦层顶部危险截 面可能越拉越薄 ; B. 水力除焦能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ起塔体振动。
4 结论
(1) 在工艺条件许可前提下 ,通过对焦炭塔改进 设计大幅度降低单个循环所需要时间 ,由原来一循环 48 h缩短到一循环 12 h,大幅度提高焦炭塔使用效率 (使用效率提高了 3倍 ) 。
办法
降低塔使用效率增加每个循环时间减少循环次数
温度和载荷
塔体温度分布为下高上低 塔体载荷分布为下大上小 (压 ) 上部“过剩浪费 ”,下部“雪上加霜 ”
提高塔用材档次 ,提高材料持久强度 [7 ]大幅提高 塔使用效率 ,适当选择塔壁厚度 ,令危险截面所受 应力下降 ,控制在 450 ℃材料持久强度和蠕变极 限之下 (使用年限 30年 ) 。
高支撑上裙座焊缝不会产生裂纹 ,其原因为 : ( 1) 泡沫段下部温度比传统焦炭塔下裙座处温度低 20 ～ 30 ℃; (2) 上裙座上部有 4 ～5 m 泡沫段筒体和头盖 , 与传统下裙座近 30 m 塔体高度相比 ,向上热胀量小的 多 ; (3) 上裙座上部塔体不充焦 ,只有泡沫 ,该段向上 热胀 ,受约束限制产生向下热压缩力 ,只有传统下裙座 的几分之一 ; ( 4) 上裙座处冷却水温较高 ,壁厚温差应 力小得多 ; ( 5 ) 若干个报废的传统焦炭塔 , 经检测发 现 ,塔体充焦鼓胀变形极限高度不足 10 m,而上裙座 处高度为 17～20 m,即充焦段顶部泡沫段下部从未发 现有鼓胀变形 ; ( 6) 上裙座焦炭塔在水力除焦阶段 ,切 割器上移 ,力臂渐小 ,受力较传统焦炭塔有利 ; ( 7) 为 避免水力除焦时塔体引起振动 ,在传统焦炭塔下支撑 处 ,设一可伸缩静不定支座 ,以提高塔体固有频率 ,减 少和避免塔体振动 。
冷却介质经下段预热壁厚温差小
疲劳 —鼓胀 (蠕变 ) —降低抗疲能力 —加重鼓胀变
形 —恶性循环越发加重 。塔体轴向 (外壁 )形状不
连续 (凹 凸 > 3 mm ) 其 抗 疲 劳 能 力 降 低 50% ～ 60 % 。
疲劳产生蠕变 , 即轴向拉伸产生轴向伸长变形 (塑性变形 ) ,伸长不改变塔体外壁轴向连续 ,不
表 2 焦炭塔改进设计前后工况
裙 座 型 式
传 统 下 裙 座
改 进 上 裙 座
塔体下段 整个塔体最高处 475 ℃
塔体泡沫段下 ,焦层顶部 塔体温度最低处 430～450 ℃
危险截面 X - X轴向受压缩 ,导致塔体下段鼓胀 ,裙 危险截面 Y - Y轴向受拉伸 ,可能产生该处蠕变 ,
(1. 南京金凌石化工程设计有限公司 ,江苏 南京 210038; 2. 南京金设工程监理有限公司 ,江苏 南京 210038)
摘要 :将炼油行业传统焦炭塔的下裙座支撑改为上裙座支撑 ,在焦炭塔外壁增加一夹套 ,改变了焦炭塔的受力 ,避 免了塔体下部鼓胀变形和焊缝冷裂纹的产生 。大幅度提高了焦炭塔的使用寿命 。 关键词 :焦炭塔 ;裂纹 ;鼓胀变形 ;应力分析 ;改进 中图分类号 : TQ053. 5 文献标识码 : B 文章编号 : 1002 - 1116 (2007) 04 - 0047 - 033
针对以上情况 ,以往的解决办法 [4 ]是 : ( 1) 提升材 料档次 ,从 20 g到 c - Mo钢到低 CrMo钢 ; ( 2) 补焊或 变形处采用井形板加固 ; ( 3) 高效运行 ,频繁更换塔体 (美国等国家常采取的办法 ) ; (4) 低效率运行 ,延长塔 体寿命 (我国各炼厂常采取的办法 ) ; ( 5 ) 用整体锻件 锻造裙座 [5 ] ; ( 6) 减少塔体下段环焊缝数量 ; ( 7) 塔体 焊缝 ,尤其塔下段环焊缝余高磨去与母材相平 。
1—下裙座 ; 2—塔体 ; 3—充焦段 ; 4—上裙座 ; 5—泡沫段 ; 6—泄压通气孔 ; 7—升气通道 8—钢气夹套 ; 9—夹套保温 ; 10—风门 图 2 高支撑上裙座焦炭塔
套与钢支架连接 ,夹套下部设若干风门 ,上部设若干泄 压通气孔 ,夹套外壁保温 ,通过调控夹套下风门 ,达到 调节充焦段下部塔外壁温度 。塔预热进料生焦阶段 , 关闭夹套下风门 , 空气导热系数很低 , 起很好保温作 用 ;塔冷却进水阶段 ,打开夹套下风门 ,冷风由下向上 升 ,与冷却进水同方向 ,顺流 ,内壁水冷 ,外壁风冷 ,使 塔内外壁温度升降同步 ,达到降低内外壁温差 ,大幅度 减小壁厚温差应力 。
第 35卷第 4期 2007年 8月
江 苏 化 工
J iangsu Chem ical Indu
Vo
stry
l. 35 No. 4 Aug. 2007
技术改造与管理
延迟焦化装置焦炭塔的改进设计
张振波 1, 2 ,陈吉成 2
之和 ) 。
加热阶段外壁受最大拉应力 ,且该拉应力叠加后 数值较小 ,内壁受压应力较小 ; 冷却阶段内壁受 较大拉应力 ,且该拉应力叠加后数值较小 ,外壁 应力叠加后 ,压应力较小 。
第 35卷第 4期 张振波等 :延迟焦化装置焦炭塔的改进设计
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项 目
危险截面位置 危险截面温度 危险截面受力
轴向温差应力分 塔下部温度比上部高 20 ～30 ℃;上部阻滞下部自 塔下部温度比上部高 20 ～30 ℃;充焦段呈悬垂
析
由上胀 ;产生一定数值向下压缩力 。
状态 ,可较自由向下热胀 ;不会产生热应力 。
壁厚 径 向 温 差 应 力分析
加热阶段内壁受最大压应力 (机械应力 、热压应力
和壁厚温差应力迭加之和 ) ; 冷却阶段外壁受最大 压应力 (机械应力 、热压应力和壁厚温差应力迭加
( 2) 通过对焦炭塔改进设计 ,受力状况改善 ,应力 水平降低 ,可成倍提高塔体使用寿命 。原设计焦炭塔 使用寿命为 12 a,改进设计后焦炭塔使用寿命为 30 a。
( 3) 生产效率提高 ,塔体寿命延长 ,可节约巨大资 金 。经估算 ,改进设计前后计算更换每台焦炭塔及其 更换的管线和付出的人力成本 、装置停车成本等年节
向上冷缩
受载荷 、水 、塔自重力向下影响 ,阻滞塔体向上冷 缩 ,可能产生轴向不可逆塑性变形 ,塔体拉长拉 薄。
热 胀 和 冷 缩 综 热胀和冷缩都有向下压缩力导致下段外凸鼓胀和 热胀和冷缩都有一个向下拉伸力 ,有可能导致塔
合作用
裙座裂纹 。
体上段拉长 ,塔壁拉薄 。
解 决 塔 体 损 伤 提高塔用材档次
约资金 100万元以上 。
参考文献 : [ 1 ] 合肥通用机械研究院. JB / T4730 - 2005 承压设备无
损检测 [ S ]. 北京 :新华出版社 , 2005. [ 2 ] 赵莹 ,周鸿. 焦炭塔的鼓凸损伤分析 [ J ]. 西安石油学
院学报 , 1998, 13 (6) : 38 - 41. [ 3 ] 袁忠泽 ,孙铁 ,张素香 ,等. 焦炭塔鼓凸变形应力测试
塔外壁会产生一个数值巨大压应力 ,使塔外壁产生不 可逆的塑性变形 , 导致下段塔体鼓 胀 和裙 座焊 缝 裂 纹 。 [ 1, 2 ]
筒体受力以热应力为主 ,且是随每个周期时间 、温 度变化的循环应力 。塔壁各处温度在 48 h 周期的每 一瞬间都不相同 ,导致变形不一致 ,产生相互约束和限 制 ,在塔壁产生热应力 。冷却阶段 ,塔壁高温区受压 , 低温区受 拉 。各 种 热应 力叠 加 , 形 成 一个 复杂 应 力 场 [3 ] 。随着循环次数的增加 ,以及塑性变形的累积 ,形 成了筒体“糖葫芦变形 ”, 这是机械应力和热应力迭 加 ,多次循环的结果 。