CN201587925U - 焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型是焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，特征是：下部裙座支持的反应器筒体不是圆筒体，或只有上段部分圆筒体，其中生焦高度所及的中段和下段是倒过来的圆锥结构。在反应器初步结构设计基础上，根据最大和最小生焦高度计算该段筒体两端因平衡热胀冷缩所需要的直径差，使该段筒体上端的直径较下端的直径大一些。这种预变形结构使反应器受热油作用下段筒体膨胀后的直径不再大于筒体上端的直径，在冷却时筒体向下的轴向收缩不受内部硬焦的阻碍而变得较为自由。同理，对上部支持的压力容器，其下部筒体设计成上端直径小一些，筒体向上轴向收缩较自由，改善受力状况，减缓甚至消除压力容器筒体鼓胀变形，延长压力容器寿命。

Description

焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构

1、技术领域

本实用新型是关于焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，属于机械工程中的压力容器领域。

2、背景技术

(1)传统焦化反应器的结构功能

焦化反应器也称焦炭塔，是炼油工业二次加工工艺中延迟焦化装置的塔状反应器，塔体由圆筒体和上下端的封头组成，由裙座支承，塔内部是空的，结构示意见图1。据不完全统计，至1990年，我国仅中国石油化工总公司属下就有12个厂家共拥有19套延迟焦化装置，总计38台焦炭塔，主体材料为20g，金属总重约4200t。这些老焦化装置焦炭塔的结构尺寸一般为Φ5400mm×28/32mm，高约27000mm。1990年以后建造的焦炭塔结构尺寸一般为Φ8600mm×28/38，高约35000mm，设计材料选用了具有耐高温特点的低合金珠光体耐热钢14CrlMoR，单台金属重约223t。

焦炭塔每48小时在常温与约495℃之间循环操作，其温度曲线见图2。在这48小时期间，一般经历2小时200℃蒸汽预热至约180℃、8小时油气预热至约300℃，然后2小时换塔切换，需22小时从塔底卸焦孔进495℃的热油生焦，5小时200℃蒸汽大小吹扫冷焦、5小时常温水冷焦、需4小时揭开塔顶的人孔盖用高压水切割除焦，塔内的焦炭从塔底的卸焦孔排出后即成为空塔，进入下一个操作循环。

一般来说，热油充进空塔的高度是塔内筒体高度H的2/3，最终塔内的生焦高度也就是塔内筒体高度H的2/3。因此，塔内筒体高度H的2/3是连续受到冷热冲击最激烈的部位。

(2)传统焦化反应器存在的问题

由于焦化反应器长期连续不断地在高温下运行，每48小时在常温与约495℃之间冷热循环操作，除受内压、介质重、塔自重引起的应力外，还有焊后残余应力、结构不连续产生的峰值应力，周期性温度循环造成的热应力，热胀冷缩使筒体产生疲劳，实际上我国约三十台焦炭塔在投用约七年后，塔体特别是下段大多存在变形。根据调查，焦炭塔塔体的变形包括筒节直径增大的鼓胀变形、筒体的宝葫芦变形、塔壁的局部凹凸变形、塔体整体的倾斜变形或弯曲变形、筒体横截面的非圆形变形等六种^[2]。前三种是较常见的变形，因此，最值得重视。

从国内外的调查报道看，无论是碳钢、碳钼钢或铬钼钢材质，也无论塔体衬里与否，焦炭塔在运行一定周期后都会出现鼓胀变形，其危害性主要表现在它最终会引起环焊缝的热疲劳开裂，其次是它可能会引起塔体的轴向失稳。只要出现了表面开裂，裂纹肯定会扩展直到穿透塔壁。

(3)针对问题已做的工作

关于焦炭塔变形机理，国内虽然已提出热应力棘轮说、塑性加蠕变说、二次应力对一次应力的蠕变放大效应说、局部塑性变形说等几种理论，不相互排斥而是包含多种理论的多种机理，分述如下。

热应力棘轮说按照该理论，高温时，变形有塑性和蠕变两部分，由多轴热应力迭加到内压引起的应力上产生的非弹性应变占较大的分量，筒体变形是热应力棘轮循环产生不可回复的应变的结果。

塑性加蠕变说该理论对变形行为的认识结果与热应力棘轮说没有其他不同，但是在对变形行为的过程进行解释时，没有引用热应力棘轮理论，只认为计算的应力或实测的综合应力有可能使材料发生屈服，从而产生塑性变形，但是，应力是以哪一种组合形式在哪一极限范围内引起该变形，该理论没具体说明。同时，该理论认为应力也可以使材料发生蠕变，只是由于温度及应力水平较低，材料没见明显损伤，意思是说，蠕变的分量不是很大。总的说，变形量随着循环次数的增加而增加，到一定的循环次数以后，变形趋于缓慢平稳，不会无限发展。

二次应力对一次应力的蠕变放大效应说该理论认为焦炭塔的变形应包括操作初期的松驰变形增量、内压蠕变变形和热应力增值蠕变变形三部分。也即是说，焦炭塔变形是二次应力对一次应力的蠕变效应放大所造成的，一次应力使塔体产生的变形比实测值要小。该理论认为筒节1/2高度处半径的增量控制着塔体内的综合应力，随着该增量的增加，筒节两端的综合应力也增加，但是中间减小，当达到一定的增量后，变形速度便趋于稳定。该理论直言塔体的变形不是热应力棘轮变形。

局部塑性变形说该理论认为焦炭塔最大鼓胀变形量为1.4％，属于加热、激冷过程中轴向和径向温差热应力造成的局部塑性变形，不是整体塑性变形，局部变形部位受周围弹性体包围。金相观察多点次没有看见蠕变损伤，这主要是由于实际应力较小，所以塔体不是蠕胀，而是局部塑性变形。并且塔体只在最初循环产生一定量的塑性变形，在以后的各次循环中，不再出现新的塑性变形。

美国石油学会分别于1968年、1979年和1996年有组织地对焦炭塔的变形开裂问题进行了颇有规模的考察分析，调查涉及设计和检测评定等多方面，API于1996年第三次对世界上以美国为主的焦炭塔就设计和检测评定等六方面进行了调查，这次共得到145台在用焦炭塔的有关资料，但是，调查报告中也没有关于塔壁鼓胀开裂安全评定的结果^[1]。

Leslie和Harding经过长期考察，发现塔内生焦的横向热膨胀系数(CTE)比塔壁材料大，若塔壁冷却比焦炭快，则塔壁的残余应力可能使塔体胀大^[2]。国内学者对焦炭的热膨胀系数和弹性模量进行了测定，把生成的焦炭看作两端自由的轴对称实心圆筒，计算出与塔壁相互作用的残余应力较大，由此断定该残余应力是造成塔体鼓胀的主要原因^[3]。

如何评定鼓胀变形及塔壁开裂的安全可靠性，筒节鼓胀容限的环焊缝角变形许可深度解析解曲线图评定法、极限载荷和筒节鼓胀容限的有限元分析评定法、焦炭塔局部鼓胀容限的有限元分析评定法、焊缝开裂失效期限的可靠性技术预测。

由此可见，结合实践对该塔进行结构改进，延长塔体的寿命以提高经济效益，具有很强的工程意义

3、发明内容

本实用新型就是焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，其特征是：焦化反应器的筒体没有传统的圆筒体，或只有上段部分是圆筒体，其中生焦高度所及的中段和下段筒体是倒过来的圆锥结构，也就是说该段筒体的上面的直径较下面的直径大一些。这样的结构使得焦化反应器在冷塔过程中，筒体向下的轴向收缩和径向收缩是较为自由的。同理，对上部支持的压力容器其下部筒体设计成上端直径小一些，筒体向上轴向收缩较自由，塔体的受力状况得到改善，减缓甚至消除焦化反应器筒体的鼓胀变形，可延长焦化反应器的寿命。其中最大的特征是重点利用了传统压力容器设计制造中所避免的圆筒体大小头现象，圆筒体如果出现大小头，则其受内压时不仅有薄膜应力，还要承受径向弯矩在筒壁中引起引起的经向弯曲应力。

总之，本实用新型发明的技术方案内容包括如下三点：

1.关于焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，塔体由筒体和上下端的封头组成，由裙座支承，塔内部是空的，其特征是：下部裙座支持的反应器筒体是圆锥形筒体，或只有上段部分圆筒体，其中生焦高度所及的中段和下段是倒过来的圆锥结构。

2.根据第1点所述焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，其特征是：焦化反应器的筒体其中生焦高度所及的中段和下段筒体是倒过来的圆锥结构，倒过来的圆锥结构包括是一个整体的圆锥结构，也包括上下两端一大一小的两个圆锥筒节之间通过一个圆筒节连接起来的组合结构，这两种结构均使该段筒体的上面的直径较下面的直径大一些。

3.根据第1点所述焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，其特征是：焦化反应器倒过来的圆锥结构可包括一个圆锥角的结构，也可包括两个或三个圆锥角的结构，使得圆锥可以是一段、两段或三段倒圆锥筒节组成，每节的圆锥角不同。

下面进一步描述本实用新型结构的改善原理。

由于塔体上段温度较低而径向膨胀量小，下段温度较高而径向膨胀量大，结成硬焦的结果是下段较上段大的圆锥体结构。焦炭是热的不良导体，焦床的热量不会自我传递，焦床温度随时间没有明显变化而一直保持约470℃水平，焦炭的线膨胀系数很小，即便冷下来其收缩量也不大，因此，当塔壁受冷要收缩时，会受到塔内硬焦的抵抗作用。

但是在冷塔过程中，筒体的轴向收缩是不均匀的，由于塔体下端通过裙座固定在地基上，塔顶自由，所以冷焦时越是塔体上段，其需要向下的收缩量就越大，造成塔体下段受到来自上段的收缩阻碍作用就越强、时间也越长。硬焦对塔体轴向收缩的抵抗作用既有平行于接触面的摩擦力，也有垂直于接触面的面力，摩擦力加面力形成的阻力可能远大于收缩力，所形成的轴向应力较大，对下段筒体环焊缝的危害较重。

温度最高的下段几筒节受高温作用时间最长，径向膨胀最大，硬焦硬度和直径也最大，对塔壁轴向收缩的阻碍而产生的热应力已超过材料的屈服极限或许用应力，将会使塔壁变形。变形使得该处在下一循环操作中硬焦直径进一步增大，产生更大的应力和应变。塔体和焦床两者的相互作用可比拟为一个垂直薄壁圆筒体的下端开口要强行套进一段上小下粗的硬焦柱，结果会把薄壁圆筒体越撑越大，形成“筒套锥变形”的恶性循环现象。

4、附图说明

图1所示是焦炭塔典型的结构模拟图，塔体分结构尺寸相同的上段1、中段2、下段3以及塔顶封头出口5、塔底锥体出口6，由裙座4支持。

图2所示是焦炭塔一个操作循环周期的工序步骤及温度曲线。

图3所示是焦炭塔鼓胀变形模拟图，塔体下段直径大、上段直径小，半锥角为α。

图4所示是焦炭塔鼓胀变形的原因分析图。

图5所示是焦炭塔新结构的原理图。

5、具体实施方式

为了预防焦化反应器筒体鼓胀变形失效，需做一些创新工作。一方面，通过分析判断筒体的膨胀量，确定锥体基本的结构尺寸；另一方面，要保证倒锥形结构的稳定性和强度。下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

首先，根据焦化反应器筒体直径尺寸，按下式计算在一次冷热操作循环中筒体周长的变化。例如，忽略壁厚影响，考虑直径5400mm的塔体从50℃低温加热却至450℃高温时其周向膨胀伸长量约为

Δ＝α·ΔT·D

＝13.93×10^-6×(450-50)×5.4×10³≈30(mm)    (1)

其次，把筒体周长的变化转化为直径的伸长量约为

$\mathrm{dD}=\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\π}}=\frac{30}{\mathrm{\π}}\≈9.5\left(\mathrm{mm}\right)---\left(2\right)$

理论上分析，该直径变化量即可作为锥体两端直径差。也就是说，当设计筒体的下端面直径小于筒体的上端面直径9.5mm时，下端面直径可以在高温热油的作用下膨胀伸长约9.5mm，使得筒体从上小下大的锥体变成了上下直径相同的筒体，在其向下收缩时不会受到硬焦的阻碍。

第三，在相同的锥体两端直径差9.5mm下，锥体越高，则锥角越小，如果锥角太小，或者说如果由于控制产量的原因，造成进油生焦高度没有(2/3)H，只有(1/3)H，则筒体还会出现上小下大的现象，筒体在其向下收缩时还会受到硬焦的阻碍，因此，对高约27000mm的塔体，要适当调大锥体两端直径差，从9.5mm至50mm。

具体原理如图5所示，进一步分析半锥角为α₁的倒锥形筒体A₁B₃B₃A₁的作用原理如下：

如果不控制产量，进油生焦高度在B₁B₃线，则下端面直径A₁A₃可以在高温热油的作用下膨胀伸长，A₁点膨胀至A₂点，结果原来倾斜的塔壁A₁B₁变成垂直的A₂C₂B₁。则塔壁在冷焦时可自由向下收缩。

如果需控制产量，进油生焦高度在C₁C₃线，则下端面直径A₁A₃虽然可以在高温热油的作用下膨胀伸长，但A₁点膨胀至A₂点后，结果原来倾斜的塔壁A₁B₁无法变成垂直的塔壁，而是变成带折弯的塔壁A₂C₁B₁，由于塔壁A₂C₁属于一段上小下大的正锥体，则塔壁在冷焦时无法自由向下收缩。

无论是否需要控制产量，如果半锥角为α₁的倒锥形筒体A₁B₃B₃A₁进一步设计为半锥角为α₂的倒锥形筒体，上端的半径由初步设计的O₂B₁调整放大至O₂B₂，则即便进油生焦高度在C₁C₃线，则下端面直径膨胀伸长后，结果原来倾斜的塔壁A₁B₁变成带折弯的塔壁A₂C₂B₂，由于塔壁C₂B₂属于一段上大下小的倒锥体，则塔壁在冷焦时可以自由向下收缩。

显然，这里上端的半径调整放大至O₂B₂的具体数值与进油生焦线C₁C₃的高度有关。

第四，如果想把原来倾斜的塔壁A₁B₁变成全部属于倒锥形筒体的塔壁A₂C₄B₄，则需把初步设计的上端半径O₂B₁调整放大至O₂B₄。

第五，对倒锥形塔体的壁厚设计计算要按圆锥体计算公式，而不能按圆筒体计算公式。另外，还要增加稳定性设计校核，并对锥体大小两端圆形截面中心的同心度提出严格要求。

实施例2

本实施例除以下技术特征外，其他同实施例1：实施例1所说的焦化反应器是由底部裙座支持上部筒体的结构，如果某压力容器是由上部吊耳悬挂的下部筒体结构，则圆锥筒体应该是上小下大的正锥形筒体。

实施例3

本实施例除以下技术特征外，其他同实施例1：如果某压力容器是由中部圈座或支耳支持的半悬挂结构，安装支座的上下均有一段筒体，则上部的圆锥筒体应该是上大下小的倒锥形筒体，而下部的圆锥筒体应该是上小下大的正锥形筒体。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，还可应用到在设备设运行中同样需要收缩膨胀的其他场合，无论其他场合是反复的动态循环或仅是一次性的开停工。其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.关于焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，塔体由筒体和上下端的封头组成，由裙座支承，塔内部是空的，其特征是：下部裙座支持的反应器筒体是圆锥形筒体，或只有上段部分圆筒体，其中生焦高度所及的中段和下段是倒过来的圆锥结构。

2.根据权利要求1所述焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，其特征是：焦化反应器的筒体其中生焦高度所及的中段和下段筒体是倒过来的圆锥结构，倒过来的圆锥结构包括是一个整体的圆锥结构，也包括上下两端一大一小的两个圆锥筒节之间通过一个圆筒节连接起来的组合结构，这两种结构均使该段筒体的上面的直径较下面的直径大一些。

3.根据权利要求1所述焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，其特征是：焦化反应器倒过来的圆锥结构可包括一个圆锥角的结构，也可包括两个或三个圆锥角的结构，使得圆锥可以是一段、两段或三段倒圆锥筒节组成，每节的圆锥角不同。

Images