焦炭塔鼓胀与开裂变形机理及疲劳断裂寿命预测的研究进展.pdf

专题报告 焦炭塔鼓胀与开裂变形机理及疲劳断裂 寿命预测的研究进展 刘人怀， 宁志华“ （ 暨南大学 应用力学研究所， 广东 广州 ’/ - ’-“ （012343536 78 ,9946; 142， 411 A14B6C243D， E51FG75 H4B4 K1F4166C41F，411 A14B6C243D，E51FG75 C5J2 C6 25MN63 37 26B6C6 M5F41F 1; CL41F 836C 86O D6C2 78 796C3471P 01 7C;6C 37 4JQ 9C7B6 7L6 ;C5J2 ;624F1 1; 796C3471 71;43471，1; 361 L669 36J 41 C64M6 26CB46，J1D 6887C32 B6 M661 J;6 37 51;6C231; 36 M5F41F 1; CL41F J6142J，1; 37 6B536 C6J4141F 486 87C 7L6 ;C5J2P 01 36 9C62613 O7CL，C626C 46B6J6132 41 342 846; C6 C6B46O6; 41 36 M7B6 29632P ,1; 27J6 25FF62Q 34712 C6 9C626136; M26; 71 36 436C35C6P B“C D1 7L6 ;C5J； M5F41F； CL41F； 834F56； 486 6B53471 引言 焦炭塔又称焦化塔或热裂化反应器， 是炼油工 业中延迟焦化的关键设备。它把价值低的劣质油转 化为价值高的汽油和中馏分油， 产生巨大的经济效 益。世界上第一套延迟焦化装置于 R’ 年 . 月在 美国印第安纳州怀延炼油厂建成， 到 RR. 年全世界 建有焦炭塔的国家为 “. 个。中国从 “ 世纪 ［/］综合考察了周向轴对称缺陷和焊接残余 应力对圆柱薄壳屈曲的影响， 结果表明残余应力能 提高圆柱壳的屈曲临界荷载。但当壳体内同时承受 很大的内压时， 可能在局部首先屈服， 进而加速壳体 的屈曲， 发生 “象脚” 破坏， 如图 - 所示。 图 - 圆柱壳的 “象脚” 破坏示意 由于焦炭塔的环焊缝对筒体的变形具有一定的 约束作用， 若将环焊缝视作边界， 则筒体的鼓胀变形 与 “象脚” 破坏非常相似。6993; ［.， ’］与 焦炭塔鼓胀与开裂变形机理及疲劳断裂寿命预测的研究进展68“/A6“ “ 配过程中很容易产生几何和物理初始缺陷， 且由于 工作环境恶劣， 运行若干年后， 材质发生变化， 加上 疲劳裂纹与腐蚀裂纹的产生， 这些因素都可能导致 塔的屈曲临界荷载降低。有研究结果 ［］表明， 在循 环的轴向热梯度与轴压作用下， 圆柱薄壳的径向位 移随着循环次数增多而增大， 直至发生屈曲。但至 今仍未见有从屈曲的角度来探讨焦炭塔的鼓胀问题 的相关成果， 因此对这一观点的证实还有待于进一 步研究。 ““蠕变 疲劳交互作用 蠕变是材料在高温工作条件下， 即使承受低于 屈服极限的恒定应力作用， 也会发生永久变形的行 为。对 于 金 属 材 料 或 合 金 钢， 通 常 在 温 度 高 于 7 和 ［“］认为， 当轴向温差大于 “’, * AB 时， 由此产生的热应力就会超过屈服极限。 0;7 还定义了急冷因子 （ ） ， 即水冷时间 （分钟） 与单塔焦炭产量 （吨） 的比值， 来判别焦炭塔是否会 出现鼓胀 当 C 9， 鼓胀可以忽略； 若 C ， 则根本不会出现鼓胀。 “焦炭对鼓胀的影响 根据 D77;2 和 E/FG;1 ［“’］的测量发现， 生焦的热膨 胀系数高于焦炭塔塔壁的热膨胀系数。他们认为， 如果缓慢、 均匀地冷却焦炭和塔壁， 则在塔壁中不会 出现向外的压力； 但如果塔壁的冷却速度比焦炭快， 则塔壁就会受到焦炭的压力， 从而可能导致塔体的 鼓胀。另有测试表明 ［““］， 在焦炭塔中的焦炭实际上 并非多孔性， 仅在靠近塔壁处孔口稍微多些， 因而当 水冷却速率过高时， 冷水就会流进焦床的外围去冷 却塔壁。这一点也有助于解释急冷时塔体鼓胀的现 象。 “9热棘轮效应 当结构承受的荷载或温度循环变化时， 如果荷 载或温度高于某一极限值， 应力或应变会随着循环 次数的增加而不断地积累， 最终导致结构由于超过 承载容限或发生过度变形而失效。这种现象称为棘 轮效应。5326077 ［’4］认为， 当焊缝强度高于母体金属 的强度， 并且存在轴向温差时， 应力热棘轮才会发 生， 这正与焦炭塔的情况相符。 “局部冷热斑点 当机械设备或结构的各部分温度不同时， 如果 某一部分的伸缩受到相邻部分的约束， 就会引起热 应力。当受约束的试件内存在温度梯度时， 高温部 分受压且由于温度升高屈服极限降低， 容易出现塑 性变形， 使得该部分横截面面积增大； 而当试件冷却 时， 原来的高温部分由于截面面积增大， 此时的应力 值比相邻部分低， 并且由于温度降低， 屈服极限恢 复， 与相邻部分相比， 很难产生塑性变形。经过多次 循环之后， 塑性变形不断积累， 最终在高温区出现鼓 胀， 而相邻区域出现瓶颈现象 ［“） 提出了一种新的焦炭塔的制造方法 ［*］ 垂直 焊接焦炭塔， 即焦炭塔的筒节是由若干钢板垂直焊 接而成。这种设计方法旨在通过减少环焊缝的数量 来减少环向裂纹。但后续的跟踪研究显示 ［］， 在同 样的操作条件下， 这种垂直焊接的焦炭塔中沿着纵 向焊缝同样出现了开裂。 美国石油协会进行的三次焦炭塔考察 ［， ］认 为， 穿透裂纹发生在水冷却、 吹蒸汽冷却， 或刚启动 时。第二次考察对容器厚度与首次发生裂纹之前的 使用年限的关系作了分析， 发现对于碳钢塔， 发生穿 透性裂纹以前的使用时间与塔的厚度是敏感的， 但 对碳 钼钢塔、 铬 钼钢塔而言， 发生裂纹的时间与 容器厚度之间没有明显的关系。“ 年的考察表 明， 焦炭塔的破裂问题比 7 ［］的试验表明裂纹扩展速率与 ’ 呈 现 良 好 的 线 性 关 系。 但 实 践 表 明 ［*］， ’ 容易受到表面变形与裂纹尖端不规则性的影 响。 ,应变 寿命曲线 在高周疲劳条件下， 材料的变形主要是弹性的， 结构的寿命用应力幅来表征； 而在低周疲劳下， 应力 较高， 使得结构失效之前会出现明显的塑性应变， 因 此疲劳寿命用应变幅来表征。焦炭塔的情况属于后 者， 因此适合采用应变寿命法。 在所有应力 寿命曲线中， AB9C59 D5EE89 ［*， *］ 公式应用最为广泛， 即 ““/““F“*“ / , -（） . F“, （） / （） 式中 , 疲劳强度系数 “, 疲劳延性系数 . 疲劳强度指数 / 疲劳延性指数 在双对数坐标系中， 疲劳寿命 与弹性应变分 量““、 塑性应变分量“*“之间呈线性关系。采用上 式预测疲劳寿命的方法也称为当量应变法。 AB9C59 D5EE89 公式是一个经验表达式， 对于有 些金属材料的疲劳寿命预测得很好， 但对某些金属 材料预测的精度较差。何雪宏 ［**］、 黄宏发［*］的研 究认为， 用当量应变范围评估轴对称问题的热疲劳 寿命， 对于工程问题是 可 行 的。张 文 孝 ［*］、 赵 克 勤 ［*-］应用 AB9C59 D5EE89 公式来预测某焦炭塔的剩 余寿命， 得到了较好的结果。 ,*GB7H9 A877 法 ［*3， *“］ 真实的工程结构所经历的不是常应力循环， 每 个循环的应力幅值、 平均应力以及荷载的频率通常 是变化的。GB7H9 A877 参考文献 ［］ “313;93 ［,］ -13’’013 3’’3A 7 8323A3;C’ ［6］ DE，EF G EE ［H］I ,，J1K33 ，L17 /，3C C31C4 5 673 810’（/0 /93C4 5 M39331’，-13’’013 3’’3A’ ;B -;313;93 3’’ G 51 G ’31293 ; -K31 ;B -3C1A30 -193’’;，HQR G HSF ［T］-3;’ , P0;BC’’ 5 -13’’013 3’’3A’ 0;B31 “31 G 39 M0AU C21;3;C’ ［8］ “3 V /C231’C4，HFF ［O］ JA’C， M P X，YCC31，M，63 6Y .U 31539C;’ ;B I097A; ［］ 01;;331;，,/6，HFFF，Q （OS） DRR G DSF ［Q］ YCC31， M 6 /C13;C’ 51 C3 64A;U B19;3’ /A’ U 23’C Y31C /QQT，/9A 5 62A ; ;U ;331;，W;231’C4 5 /4B;34 ［S］ “3;;331; M3U 9;9’，,/6，DDO，HF （） HT G OR ［E］ .; M，0AA3; P，3C C31 5 M39;9 C3 .;’CB199C31;9’ ;B M93，DEE，HO （） HR G TT ［D］,AA32 C3 /C109C01C31C4 ;B Y3; Z53 5 673 810’ KC ,90’C9 ’’; “3’C;，/C1 X，C3 A3U 3;C ,;;331;3 ;;331;’ ,，ZB31U ’C -“3F G- 4 ［7R］ 雷月葆 应变疲劳裂纹扩展与应力疲劳裂纹扩展的 同一规律 ［K］ 上海 华东理工大学， 455 ［74］ 0“ 577，459JJ 59R ［77］ 何雪宏 复杂应力状态低周疲劳寿命评价和裂纹扩 展规律研究 ［K］ 大连 大连理工大学， 455 ［7］ 黄宏发 多维应力状态 ’K8 铝合金高温低周疲劳与 热疲劳寿命评价方法的研究 ［K］ 大连 大连理工大 学，455AE“BD H“A“D 46 ［78］C“EA-D 74 ［75］ 姚卫星 结构疲劳寿命分析 ［0］ 北京 国防工业出 版社， RR7 ［R］ 蒋宗礼 人工神经网络导论 ［0］ 北京 高等教育出版 社， RR4 ［4］ 李孝安， 张晓缋 神经网络与神经计算机导论 ［0］ 西 安 西北工业大学出版社， 4559 ［］ 傅继阳， 王王番， 刘人怀， 等 基于改进 2C 神经网络的 焦炭 塔 热 机 械 疲 劳 剩 余 寿 命 预 测 ［*］ 压 力 容 器， RR9， （9） ; ［-DDM /-DD ［*］ ,-“ 4 ［-DDM J 0D“E “ 69 收稿日期 RR ; R4 ; 6 作者简介 刘人怀 （45R ; ） ， 男， 中国工程院机械与运载工程 学部院士， 教授， 4567 年兰州大学力学专业毕业， 主要从事板 壳力学理论和压力容器方面应用等研究工作， 通讯地址 广 州市黄埔大道西 6R4 号， 暨南大学应用力学研究所。 （上接第 6 页） 应力分类法设计， 是弹性应力分析， 按塑性失效 准则的应力分类评定法， 是一种近似的工程方法， 对 弹性名义应力， 按塑性失效准则分类， 要得到准确无 误的分类几乎是不可能的， 结构屈服后应力的重分 布与屈服点周围的结构和载荷分布有关， 即一危险 截面 （评定路径、 支承线） 塑性行为与其周围的应力 水平有关， 对一危险截面进行应力分类， 要根据周围 的应力分布衰减情况而定， 只根据评定路径的应力 是无法确定应力类型的。真正的分析设计， 只有进 行塑性极限载荷分析， 加、 卸载塑性安定性分析。 参考文献 ［4］ G2 49R4558， 钢制压力容器 ［/］ ［］ *2 HD /D3 ［/］ ［CY,焦炭塔鼓胀与开裂变形机理及疲劳断裂寿命预测的研究进展YES RR