焦炭塔筒體與裙座連接部位熱力耦合研究

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1、焦炭塔筒體與裙座連接部位熱力耦合研究【摘要】本文以中石油獨(dú)山子石化分公司某焦炭塔的結(jié)構(gòu)和原始操作參數(shù)為依據(jù)，以焦炭塔筒體和裙座連接部位為研究對象，應(yīng)用ANSYS和Workbench有限元分析軟件建立有限元模型，模擬分析主要操作階段的瞬態(tài)溫度場變化及相對應(yīng)下的熱力耦合應(yīng)力。結(jié)果表明：焦炭塔筒體和裙座連接部位熱應(yīng)力主要由軸向溫差變化引起，整個循環(huán)周期中的峰值應(yīng)力均出現(xiàn)在筒體和裙座連接處?！娟P(guān)鍵詞】焦炭塔Ansys溫度場熱-力耦合1前言焦炭塔是典型的承受復(fù)雜熱循環(huán)載荷的設(shè)備，生產(chǎn)過程中溫度急劇變化引起的交變熱應(yīng)力是導(dǎo)致設(shè)備紋開裂和塔節(jié)膨脹的主要原因，其中

2、筒體和裙座連接處焊縫開裂現(xiàn)象尤為嚴(yán)重［1］。由于焦炭塔的生產(chǎn)環(huán)境苛刻，尺寸大，給傳統(tǒng)的計算分析方法帶來很多的不便。有限元法是以電子計算機(jī)為手段的"電算”方法，它以大型問題為對象，未知數(shù)的個數(shù)可以成千上萬，因而為解決復(fù)雜的力學(xué)問題提供了一個有效的工具，尤其是熱應(yīng)力分析中的場問題，成了這一領(lǐng)域主要的分析方法。本文基于有限元理論，應(yīng)用ANSYS和Workbench有限元分析軟件，以中石油獨(dú)山子石化分公司某焦炭塔結(jié)構(gòu)和原始操作參數(shù)為依據(jù)，以焦炭塔筒體和裙座連接部位為研究對象，建立有限元模型，模擬焦炭塔主要操作階段的瞬態(tài)溫度場，并分析計算瞬態(tài)溫度變化下的應(yīng)力

3、分布。2建立有限元模型2.1焦炭塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)容器規(guī)格為：①9000X38728mm。整個筒體由裙座支撐，筒體和裙座為堆焊型連接方式，裙座厚度為26mm,筒體和裙座材質(zhì)分別為：15CrMoR和Q-235A。保溫層厚度為200mm,材質(zhì)為復(fù)合硅酸鹽。塔內(nèi)介質(zhì)對流傳熱系數(shù)在模擬過程中取2500W?m-2?K-1,保溫層導(dǎo)熱系數(shù)取0.117W?m~l?K-1,空氣對流傳熱系數(shù)取12.5W?m-2?K-lo2.2模型建立及網(wǎng)格劃分為了便于分析和計算，將焦炭塔實體模型加以簡化：忽略所有側(cè)壁接管，將實際模型視為軸對稱模型，取焦炭塔關(guān)鍵支撐截面的1/2實際模型進(jìn)行

4、分析；視保溫層為一層簡單的復(fù)合硅酸鹽材料，并單獨(dú)建模；筒體與裙座之間的焊縫視為裙座材質(zhì)，省略熱箱結(jié)構(gòu)。采用直接熱-固耦合方法進(jìn)行瞬態(tài)分析，在熱分析中選用單元PLANE77,應(yīng)力分析中選用單元planel83o對整體模型選擇自由網(wǎng)格劃分，筒體和裙座連接截面單獨(dú)網(wǎng)格細(xì)化。2.3邊界條件在模擬過程中，定義焦炭塔裙座下端的所有位移為零，同時設(shè)置裙座下端支撐面，筒體上端面，錐形封頭下端面為絕熱邊界，塔體內(nèi)壁與物料及保溫層外壁與空氣之間為對流傳熱。主要載荷包括：塔內(nèi)壓力?介質(zhì)圖2?給水冷卻結(jié)束時應(yīng)力分布4結(jié)論通過對焦炭塔關(guān)鍵支撐截面一個周期內(nèi)的溫度場和熱應(yīng)力場

5、的數(shù)值模擬分析，得出了各個操作時期的溫度場和熱應(yīng)力分布。從分析的結(jié)果可以得到以下的結(jié)論：(1)沿徑向上的溫差很小，內(nèi)外壁溫差變化范圍在1到3°C,主要溫度梯度出現(xiàn)在塔體的軸向和保溫層中。在整個循環(huán)生產(chǎn)周期中，而生焦和注水冷卻階段是兩個比較巔峰的時段，最大耦合應(yīng)力強(qiáng)度均出現(xiàn)在裙座和筒體連接處；同時生焦階段連接處內(nèi)部受壓，而給水冷卻階段連接處卻外部受壓。(1)筒體和裙座連接界面結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不連續(xù)，產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的交變耦合應(yīng)力是導(dǎo)致疲勞破壞的最敏感部位。參考文獻(xiàn)[11譚粵，陳柏暖?防止焦炭塔失效的若干措施[□?化工裝備技術(shù),2003,2

6、4(5)：36-39[2]茅慶飛?焦炭塔塔體失效及壽命評估研究[D].大連理工大學(xué)，2012作者介紹高琪（1985年7月）男湖北武漢，在讀研究生，新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化工設(shè)備的計算機(jī)模擬分析。