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静设备
石油化工设备技术,2011,32(2)?11?
Petrochemical Equipment Technology
焦炭塔疲劳寿命有限元分析
李国成,张文,吴蛳
(中国石油大学机电工程学院,山东东营257061)
摘要:以焦炭塔失效敏感部位简体与裙座连接部位为研究对象,基于JB4732-1995《钢制压力容器
分析设计标准》和新版ASMEーⅧ一2弹塑性分析标准两种方法,利用有限元分析结果,对焦炭塔疲劳寿命
进行分析。结果表明,采用弹塑性分析方法对焦炭塔进行寿命估算更为合理,更加安全
关键词:焦炭塔疲劳寿命有限元
焦炭塔是延迟焦化装置中的关键设备,目前头。6部分的厚度依次为:26mm,26mm
新建的焦炭塔都有向大型和特大型化发展的趋28mm,30mm,34mm,34mm。保温层厚度为
势,其工作周期长,操作条件苛刻。焦炭塔受力相140mm。
当复杂,除内压、介质重力、自身的重力外,还受到1.2几何模型的筒化
因周期性温度循环所造成的温度梯度(径向、轴
考虑到建模和分析计算的复杂性,在建立分
向、周向)引起的热应力的反复作用,一担失效,析模型前,对焦炭塔实体模型作以下简化:(1)考
将造成严重的经济损失甚至人员伤亡,所以对焦虑到边界效应的影响区域大小,将下部包括裙座
炭塔的疲劳寿命分析,对于保证焦炭塔的安全运热箱、锥形封头以及锥形封头上下相连的部分筒
行和防止事故发生具有非常重要的意义2。
体单独划出来,形成所用的分析实体模型;(2)不
山于焦炭塔的工作环境复朵、恶劣,因此国内计进料口的影响,视结构为几何轴对称;(3)将保
些学者对焦炭塔的开袈机理及影响因素进行了温层视为一层简单的复合硅酸盐材料,并且要单
探讨3,合理预测在役焦炭塔疲劳寿命的方法独建模。基于上述儿何结构的简化,采用“自底向
也在不断地研究-1。文献[2]结合人工神经网上”和“自顶向下”相结合的方法,建立焦炭塔实体
络技术,提出编制并验证了用改进的BP神经网模型,其儿何模型见图1
络预测焦炭塔热机械疲劳剩余寿命的方法。文献
[6]使用JB4732--1995《钢制压力容器分析设
计标准》中疲劳寿命评估的一般方法计算在役焦
炭塔的剩余使用寿命。文献に7门则使用Mote
Carlo法编制了计算机程序,分析计算了焦炭塔
的疲劳寿命
本文利用 ANSYS软件模拟计算出焦炭塔在
操作周期中所受到的热应力和机被应力,分別按
图1焦炭塔实体凡何模型
IB4732-1995标准中的弹性分析方法和新的
ASME一Ⅷ-2规范中的弹塑性分析方法,对循
1.3載荷及其施加顺序
环载荷下的焦炭塔进行了疲劳寿命分析,经比较
分析中考虑的主要载荷包括:塔内压力、介质
得出最适合安全的疲劳寿命评估方法。
1建立计算模型
收稿日期:2010-06-13。
作者简分:李国成(1951-》,男。毕业于原华东石油学院化
焦炭塔主体几何尺寸
机专业,现主要从事化工设备强度及压力容器安全工程学研
焦炭塔规格为ψ8400m×35528mm,塔
究工作,副教授。
体共分为6部分:球形封头、四节筒体和锥形封
Email:jiangwenchun@126.com
石油化工设备技术
2011年
的静压力和热载荷。分析中将机械载荷和热载荷
绝热边界条件……
单独分析。其中载荷的施加顺序按照焦炭塔实际
B2 .
操作工况曲线图实施
1.4边界条件
传热模型的边界条件如图2所示,其中数据
见表1。
1.5网格划分
采用热应力顺序耦合方法进行瞬态分析,在
热分析中选用单元 Plane77,应力分析选用其替
代单元 Plane82。对塔壁、裙座和保温层等采用
映射网格划分。对于整体锻件,由于其形状不规
绝热边界条件……B2…绝热边界条件……
则,采用自由网格划分。利用APDL语言建立焦
图2传热模型边界条件示意
炭塔有限元分析模型,如图3所示。
表1传热模型边界条件数据
位置
边界类型
传热系数
边界温度
BI
对流传热边界条件
0~3000(对流换热系数)
塔内介质
B2
第一类边界条件
保温层
B3
热辐射边界条件
0.01(表面辐射率)
应力分类为基础的,对于疲劳评定起决定性作用
的应力是有效总当量应力幅,其值为在载荷循环
中,对每一循环计算所得到的(PL+Pb+Q+F)
有效总当量应力范围的一半。
图3模型及其局部网格划分
2有限元分析结果
13052475
有限元分析表明,焦炭塔在生焦和除焦整个
操作周期中,最大热应力位于裙座与壳体的连接
部位,其应力分布云图见图4;最大机械应力的位
置出现在下封头的内壁处,其应力分布云图见
7.101x+09151x+
Ux+09.126x+09
6x+)9,226x+09
图
图4热应力分布云图
3疲劳分析
疲劳分析是以ASME锅炉与压力容器规范
从图4的热应力云图中可以看到,裙座与筒
的第3部分和第8部分第2分册作为计算的依体连接处的危险位置主要出现在整体锻件内夹角
据,采用了简化的弹塑性假设和 Miner累积疲劳处的两侧(见图4节点1305和2475)。从图5的
求和法则。
机械应力云图中得到机械载荷的最大应力位置在
3.1基于JB4732~1995分析设计标准的焦炭封头内壁处(见图5节点1373)。对焦炭塔进行
塔疲劳分析
全面的疲劳分析需要对这三个危险位置分别进行
JB4732-1995分析设计中的疲劳分析是以分析。