焦炭塔裙座与简体连接区域应力分析.pdf

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1、第38卷第4期化工机械457焦炭塔裙座与简体连接区域应力分析谈永明+邵东亮(江苏省特种设备检验研究院宜兴分院)摘要以焦炭塔失效的敏感部位——筒体与裙座连接处附近区域为研究对象，采用大型有限元分析软件ANsYS，分析、比较了4种不同的连接形式(一般对焊型、搭接型、堆焊型和整体煅焊型)对机械应力强度的影响。结果表明，连接形式对最大机械应力的影响并不明显，从连接处的应力值来看，整体煅焊型和堆焊型结构明显比另外两种结构好，搭接型的应力值最高。关键词焦炭塔连接区机械应力有限元中图分类号TQ053．5文献标识码A文章编号0254-6094(2011)04m457Ⅲ4焦炭塔是延迟焦化装置的

2、重要设备，由于其规律、间歇式周期性连续生产工艺，且载荷条件复杂，很容易导致焦炭塔失效。常见的焦炭塔失效形式有底部裙座的裂纹扩展及开裂、塔体鼓凸变形、塔体的弯曲倾斜、塔体的摆动和跳动、接管焊缝开裂、材料劣化等。其中塔体与裙座连接处的焊缝开裂和塔体鼓凸变形问题尤其严重⋯。因此，研究焦炭塔裙座与简体连接区域的机械应力对于焦炭塔在整个生产周期中的安全工作和使用寿命具有至关重要的作用。在全国30多台焦炭塔在役运行过程中，裙座与塔体连接处的环焊缝均存在不同程度的开裂，有的焊缝已穿透甚至发生过塔体与裙座脱开的严重事故，因此，国内很多学者对焦炭塔裙座局部进行了相关研究口。]，也有学者认为裙座

3、结构形式是焦炭塔的设计关键旧1。其中文献[3]得出环向应力、轴向应力和Mises等效应力在简体与过渡段连接焊缝附近和过渡段与裙座连接焊缝附近达到峰值的结论。从文献[1]中可以看出焦炭塔底部裙座和筒体结构不连续是简体与裙座连接处开裂的主要原因，并从裙座的焊缝结构、整体结构和支座结构等方面分析总结了焦炭塔裙座局部结构的处理及其优化设计方案。笔者以焦炭塔失效的敏感部位——简体与裙座连接处附近区域为研究对象，采用大型有限元分析软件ANsYS，分析和比较了4种不同的连接形式(一般对焊型、搭接型、堆焊型和整体煅焊型)在正常操作情况下对单一操作周期的机械应力强度的影响。1有限元建模1．1几

4、何模型简化在建立分析模型前，考虑到建模和分析计算的复杂性，对焦炭塔实体模型加以简化：将实际模型简化为轴对称几何模型；取局部模型作为分析的实体模型；采用部分裙座结构；将保温层视为一层简单的复合硅酸盐材料，并且单独建模；把焊缝看成与母材性质一样的材料来处理；省略热箱结构。经过简化后，最终确定焦炭塔的实际结构模型，4种结构形式的连接处的局部结构如图1—4所示。·谈永明。男。1964年4月生，工程师。江苏省宜兴市，214206。458化工机械2011年图l对焊型局部图2搭接型局部图3堆焊型局部图4整体煅焊型局部1．2边界条件焦炭塔受到的机械载荷包括压力、重力及介质静压力等，具体的边界

5、条件设置如图5所示。由

6、：封头啭力引起的载衙施加到截面卜由内压p作为面载衙施加到内壤面

7、：由内廊引起的分布载倚施加剑截向上由内慷p引起的分布载荷施加剑戡面f：霞力作为休载荷施加到符缸点I：约束y方向位移图5机械应力分析边界条件示意图1．3材料属性设置本模型中塔体材料为15CrMoR，裙座材料为Q235．A，保温层材料为复合硅酸盐。材料属性的设置方面考虑到机械应力分析主要针对正常生产状况下的焦炭塔，因此15CrMo材料和Q235材料的各项属性均取接近500℃时的值。1．4网格划分由于塔壁、裙座和保温层等大部分是规则图形，因此采用映射网格划分。对于整体锻件、部分焊缝，其几何模型不

8、规则，则采用自由网格划分。选取PLANE82单元进行网格划分。各种结构生成的网格结构的局部放大图如图6—9所示。第38卷第4期化工机械459元模型图7搭接型有限元模型图8煅焊型有限元模型图9堆焊型有限元模型2结果分析经计算得，由内压在上封头的压力和上部塔体自重引起的在上截面的压力为一12．04MPa。由内压引起的作用在出料口上的压力为一276MPa。同时在内壁施加0．35MPa的面载荷。对裙座下部施加固定约束。机械应力分析中采用PO”1对整个模型进行后处理。根据AsME-Ⅷ-2中新的规定，采用Mises准则来计算等效应力，即口=√[(盯。一盯2)2+(盯2一口3)2+(盯3一

9、盯。)2]／2，各个模型的VonMi昌es等效应力云图如图10～13所示。图10一般对焊型应力云图图11搭接型应力云图In一一化工机械2011年三iir世彳L一一竺图12煅焊型应力云图图13堆焊型应力云图从以上4种结构的VonMi”s等效应力云图中可以看出，最大应力发生在靠近连接处的简体与裙座连接处的简体内壁上，而并非处于连接处。4种结构的最大应力值见表1、2。表l筒体最大机械应力MPa表2连接处的最大机械应力MPa对比可见．各种连接形式的最大机械应力没有明显差距．而且最大机械应力的位置也并不位于连接位