焦碳塔裙座柔性结构部位对接焊缝强度及稳定性校核

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1、焦碳塔裙座柔性结构部位对接焊缝强度及稳定性校核镇海炼油化工股份有限公司机动处梁利君摘要：焦碳塔因热疲劳作用，其底封头与裙座的对接焊缝经一段时间运行通常会出现裂纹问题，经调查，新型设计中已有企业开始考虑采用多缺口裙座柔性结构形式，但鉴于新设计未见有关标准规定，本文特别在指出高温设备裙座设计验算式如按JB4710-92设计则需进行修正观点的基础上，来提出焦碳塔多缺口裙座柔性结构对接焊缝强度及稳定性校核修正公式，并通过举例验算，讨论性提出预防焦碳塔裙座开裂的思路。关键词：焦碳塔裙座柔性结构对接焊缝强度稳定性校核防开裂思路1引言焦碳塔是炼油延迟焦化装置的关键设备之一，由于操作工艺的要求，通常焦碳

2、塔一个生产周期（约48小时）需经历高温到常温的热循环过程。因热疲劳的作用，焦碳塔经过一段时间的运行普遍会出现如塔体鼓凸变形、裙座与筒体焊缝产生裂纹等问题。如何预防裂纹的产生或扩展，往往是企业和科研单位热门研究问题之一，近来人们通过对焦碳塔热损伤问题的处置，已把目光转向柔性裙座结构形式，经调查，现设计中已有企业开始考虑采用多缺口裙座柔性结构。因改进型设计鉴于未见有关规定，作者通过对问题的观察、分析与计算，特在本文里指出高温设备裙座设计验算式需修正的观点，并提出了焦碳塔多缺口裙座柔性结构对接焊缝强度及稳定性校核修正公式，最后通过举例验算，提出如何预防焦碳塔裙座开裂的思路。2焦碳塔裙座柔性结构

3、的基本形式2.1常见设计中裙座形式与问题焦碳塔直径通常较大，以80×104吨/年延迟焦化装置为例，其直径通常达到Φ6000以上，其封头有时采用如图一所示的数块瓣片拼焊而成。在通常情况下，拼焊而成的封头充作焦碳塔类设备底封头时，为避免封头与裙座对接的焊缝与封头上各径向焊缝相交形成“丁”字焊缝，按JB4710-92第5.4条规定：塔壳下封头由多块板拼接制成时，拼接焊缝处的裙座壳应开缺口（缺口型式及尺寸参见图二和表1）。图二这样的结构在现场实际表明，尽管焊缝“丁”字口开有缺口，但其结果无论是对筒体约束情况的改善，还是预防裙座焊缝裂纹，所起到的效果并不十分明显。2.2新型柔性结构形式现设计采用的

4、裙座柔性结构的基本形式如图三，即在裙座数块瓣片拼焊处原有开口的基础上，改进开口形式与增加开口数量，并在两个开口间新加两条窄型长条槽口。新型裙座柔性结构开槽口后增加了变形能力，见图四，其思路是通过裙座变形的增加（变形部分曲率半径由ρ到ρˊ，约束点下移）来减少焊缝对裙座的约束应力，具体效果有待计算分析与实践验证。图一表1裙座与封头焊缝处开缺口尺寸mm封头厚度δn20~2628~32宽度W120140缺口半径R6070WR图二封头与裙座焊封处开槽形式hxxyyW/2LHK’00图三裙座柔性结构图图四3关于常见塔裙座设计中有关对接焊缝应力及稳定性校核公式3．1对接焊缝拉应力校核公式常见塔的裙座与

5、封头对接焊缝横截面形状为如图五所示的环，该环内直径即裙座顶截面的内直径Dit，其外直径即裙座顶截面的外直径Dot，环宽即裙座壳设定的有效厚度δes。显然，此环对任一对称轴的惯性矩J为J=π(DOt4_Dit4)/64（1）进而，有J=π(DOt2+Dit2)(DOt+Dit)(DOt-Dit)/64（1）’由于Dot-Dit=2δes又δes＜＜Dit图五故式（1）’可简化为J＝πDOt3δes/8（2）又令Mmax表示对接焊缝处的最大弯矩，则其引起的最大拉应力为Mmax*Dit/24Mmaxσ拉==(3）JπDit2δes进一步地，πDitδes可近似表为环面积Ax-x，又mx-xog

6、-Fx-xV为自重与地震弯矩载荷作用于环截面上的压力，于是，最终作用于环截面上的最大拉应力为4MmaxmogFv（4）πDit2δesπDitδes其中4MmaxmogFv为弯矩引起的轴向应力,为操作时重力及地震力引起的πDit2δesπDitδes轴向力,FV仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。按JB4710-92，裙座对接焊缝强度按最大拉应力计算，从而我们可得到对接焊缝截面处的拉应力校核式为：4Mmaxmog-Fv≤0.6K[σ]t(5)πDit2δesπDitδes此式亦即JB4710-92中（6-86）式。3．2裙座对接焊缝部位稳定性校核公式同样，根据3.1节分析，按JB4

7、710-92，裙座稳定性可按压应力进行校核，校核公式为JB4710-92中（6-56）和（6-57），如按图五结构可得到校核公式为：Mmax*Dit/2mogFvKB+≤(6)JAK[σ]t0.3Mmax*Dit/2mmaxgFvKB+≤（7）JA0.9Kσs式(6)为操作状态下应力校核算式，式（7）为水压试验时（立试）引起的轴向应力校核算式。4焦碳塔裙座柔性结构强度与稳定性校核计算式的修正从前面（5）、（6）、（7）校核计算式可以