焦炭塔筒体和裙座连接部位热力耦合分析

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【摘要】本文以中石油独山子石化分公司某焦炭塔的结构和原始操作参数为依据，以焦炭塔筒体和裙座连接部位为研究对象，应用ANSYS和Workbench有限元分析软件建立有限元模型，模拟分析主要操作阶段的瞬态温度场变化及相对应下的热力耦合应力。结果表明：焦炭塔筒体和裙座连接部位热应力主要由轴向温差变化引起，整个循环周期中的峰值应力均出现在筒体和裙座连接处。

【关键词】焦炭塔 Ansys 温度场 热-力耦合

1 前言

焦炭塔是典型的承受复杂热循环载荷的设备，生产过程中温度急剧变化引起的交变热应力是导致设备纹开裂和塔节膨胀的主要原因，其中筒体和裙座连接处焊缝开裂现象尤为严重[1]。由于焦炭塔的生产环境苛刻，尺寸大，给传统的计算分析方法带来很多的不便。有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法，它以大型问题为对象，未知数的个数可以成千上万，因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具，尤其是热应力分析中的场问题，成了这一领域主要的分析方法。

本文基于有限元理论，应用ANSYS和Workbench有限元分析软件，以中石油独山子石化分公司某焦炭塔结构和原始操作参数为依据，以焦炭塔筒体和裙座连接部位为研究对象，建立有限元模型，模拟焦炭塔主要操作阶段的瞬态温度场，并分析计算瞬态温度变化下的应力分布。2 建立有限元模型

2.1 焦炭塔的结构参数

容器规格为：Φ9000×38728mm。整个筒体由裙座支撑，筒体和裙座为堆焊型连接方式，裙座厚度为26mm，筒体和裙座材质分别为：15CrMoR和Q-235A。保温层厚度为200mm，材质为复合硅酸盐。塔内介质对流传热系数在模拟过程中取2500W？m-2？K-1，保温层导热系数取0.117 W？m-1？K-1，空气对流传热系数取12.5 W？m-2？K-1。2.2 模型建立及网格划分

为了便于分析和计算，将焦炭塔实体模型加以简化：忽略所有侧壁接管，将实际模型视为轴对称模型，取焦炭塔关键支撑截面的1/2实际模型进行分析；视保温层为一层简单的复合硅酸盐材料，并单独建模；筒体与裙座之间的焊缝视为裙座材质，省略热箱结构。

采用直接热-固耦合方法进行瞬态分析，在热分析中选用单元PLANE77，应力分析中选用单元plane183。对整体模型选择自由网格划分，筒体和裙座连接截面单独网格细化。

2.3 边界条件

在模拟过程中，定义焦炭塔裙座下端的所有位移为零，同时设置裙座下端支撑面，筒体上端面，锥形封头下端面为绝热边界，塔体内壁与物料及保温层外壁与空气之间为对流传热。主要载荷包括：塔内压力介质

图2？给水冷却结束时应力分布

4 结论

通过对焦炭塔关键支撑截面一个周期内的温度场和热应力场的数值模拟分析，得出了各个操作时期的温度场和热应力分布。从分析的结果可以得到以下的结论：

（1）沿径向上的温差很小，内外壁温差变化范围在1到3℃，主要温度梯度出现在塔体的轴向和保温层中。在整个循环生产周期中，而生焦和注水冷却阶段是两个比较巅峰的时段，最大耦合应力强度均出现在裙座和筒体连接处；同时生焦阶段连接处内部受压，而给水冷却阶段连接处却外部受压。

（2）筒体和裙座连接界面结构和材质不连续，产生的应力集中现象和生产过程中出现的交变耦合应力是导致疲劳破坏的最敏感部位。

参考文献

[1] 谭粤，陈柏暖.防止焦炭塔失效的若干措施[J].化工装备技术，2003，24（5）：36-39

[2] 茅庆飞.焦炭塔塔体失效及寿命评估研究[D].大连理工大学，2012

作者介绍

高琪（1985年7月） 男 湖北武汉，在读研究生，新疆大学化学化工学院 化工设备的计算机模拟分析。