焦碳塔裙座柔性結構部位對接焊縫強度及穩(wěn)定性校核

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1、焦碳塔裙座柔性結構部位對接焊縫強度及穩(wěn)定性校核鎮(zhèn)海煉油化工股份有限公司機動處梁利君摘要：焦碳塔因熱疲勞作用，其底封頭與裙座的對接焊縫經(jīng)一段時間運行通常會出現(xiàn)裂紋問題，經(jīng)調(diào)查，新型設計中已有企業(yè)開始考慮采用多缺口裙座柔性結構形式，但鑒于新設計未見有關標準規(guī)定，本文特別在指出高溫設備裙座設計驗算式如按JB4710-92設計則需進行修正觀點的基礎上，來提出焦碳塔多缺口裙座柔性結構對接焊縫強度及穩(wěn)定性校核修正公式，并通過舉例驗算，討論性提出預防焦碳塔裙座開裂的思路。關鍵詞：焦碳塔裙座柔性結構對接焊縫強度穩(wěn)定性校核防開裂思路1引言焦碳塔是煉油延遲焦化裝置的關鍵設備之一，由于操作工藝的要求，通常焦碳

2、塔一個生產(chǎn)周期（約48小時）需經(jīng)歷高溫到常溫的熱循環(huán)過程。因熱疲勞的作用，焦碳塔經(jīng)過一段時間的運行普遍會出現(xiàn)如塔體鼓凸變形、裙座與筒體焊縫產(chǎn)生裂紋等問題。如何預防裂紋的產(chǎn)生或擴展，往往是企業(yè)和科研單位熱門研究問題之一，近來人們通過對焦碳塔熱損傷問題的處置，已把目光轉向柔性裙座結構形式，經(jīng)調(diào)查，現(xiàn)設計中已有企業(yè)開始考慮采用多缺口裙座柔性結構。因改進型設計鑒于未見有關規(guī)定，作者通過對問題的觀察、分析與計算，特在本文里指出高溫設備裙座設計驗算式需修正的觀點，并提出了焦碳塔多缺口裙座柔性結構對接焊縫強度及穩(wěn)定性校核修正公式，最后通過舉例驗算，提出如何預防焦碳塔裙座開裂的思路。2焦碳塔裙座柔性結構

3、的基本形式2.1常見設計中裙座形式與問題焦碳塔直徑通常較大，以80×104噸/年延遲焦化裝置為例，其直徑通常達到Φ6000以上，其封頭有時采用如圖一所示的數(shù)塊瓣片拼焊而成。在通常情況下，拼焊而成的封頭充作焦碳塔類設備底封頭時，為避免封頭與裙座對接的焊縫與封頭上各徑向焊縫相交形成“丁”字焊縫，按JB4710-92第5.4條規(guī)定：塔殼下封頭由多塊板拼接制成時，拼接焊縫處的裙座殼應開缺口（缺口型式及尺寸參見圖二和表1）。圖二這樣的結構在現(xiàn)場實際表明，盡管焊縫“丁”字口開有缺口，但其結果無論是對筒體約束情況的改善，還是預防裙座焊縫裂紋，所起到的效果并不十分明顯。2.2新型柔性結構形式現(xiàn)設計采用的

4、裙座柔性結構的基本形式如圖三，即在裙座數(shù)塊瓣片拼焊處原有開口的基礎上，改進開口形式與增加開口數(shù)量，并在兩個開口間新加兩條窄型長條槽口。新型裙座柔性結構開槽口后增加了變形能力，見圖四，其思路是通過裙座變形的增加（變形部分曲率半徑由ρ到ρˊ，約束點下移）來減少焊縫對裙座的約束應力，具體效果有待計算分析與實踐驗證。圖一表1裙座與封頭焊縫處開缺口尺寸mm封頭厚度δn20~2628~32寬度W120140缺口半徑R6070WR圖二封頭與裙座焊封處開槽形式hxxyyW/2LHK’00圖三裙座柔性結構圖圖四3關于常見塔裙座設計中有關對接焊縫應力及穩(wěn)定性校核公式3．1對接焊縫拉應力校核公式常見塔的裙座與

5、封頭對接焊縫橫截面形狀為如圖五所示的環(huán)，該環(huán)內(nèi)直徑即裙座頂截面的內(nèi)直徑Dit，其外直徑即裙座頂截面的外直徑Dot，環(huán)寬即裙座殼設定的有效厚度δes。顯然，此環(huán)對任一對稱軸的慣性矩J為J=π(DOt4_Dit4)/64（1）進而，有J=π(DOt2+Dit2)(DOt+Dit)(DOt-Dit)/64（1）’由于Dot-Dit=2δes又δes＜＜Dit圖五故式（1）’可簡化為J＝πDOt3δes/8（2）又令Mmax表示對接焊縫處的最大彎矩，則其引起的最大拉應力為Mmax*Dit/24Mmaxσ拉==(3）JπDit2δes進一步地，πDitδes可近似表為環(huán)面積Ax-x，又mx-xog

6、-Fx-xV為自重與地震彎矩載荷作用于環(huán)截面上的壓力，于是，最終作用于環(huán)截面上的最大拉應力為4MmaxmogFv（4）πDit2δesπDitδes其中4MmaxmogFv為彎矩引起的軸向應力,為操作時重力及地震力引起的πDit2δesπDitδes軸向力,FV僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時計入此項。按JB4710-92，裙座對接焊縫強度按最大拉應力計算，從而我們可得到對接焊縫截面處的拉應力校核式為：4Mmaxmog-Fv≤0.6K[σ]t(5)πDit2δesπDitδes此式亦即JB4710-92中（6-86）式。3．2裙座對接焊縫部位穩(wěn)定性校核公式同樣，根據(jù)3.1節(jié)分析，按JB4

7、710-92，裙座穩(wěn)定性可按壓應力進行校核，校核公式為JB4710-92中（6-56）和（6-57），如按圖五結構可得到校核公式為：Mmax*Dit/2mogFvKB+≤(6)JAK[σ]t0.3Mmax*Dit/2mmaxgFvKB+≤（7）JA0.9Kσs式(6)為操作狀態(tài)下應力校核算式，式（7）為水壓試驗時（立試）引起的軸向應力校核算式。4焦碳塔裙座柔性結構強度與穩(wěn)定性校核計算式的修正從前面（5）、（6）、（7）校核計算式可以