焦炭塔水冷倾斜过程的有限元模拟、安全评价与应对措施

焦炭塔水冷倾斜过程的有限元模拟、安全评价与应对措施范华兵1，李正亮2，王和慧2（1.上海宝钢化工有限公司， 上海 200942）（2.华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室， 上海 200237）[摘 要] 针对焦炭塔发生的水冷倾斜现象，基于ANSYS软件，建立含分枝孔道焦炭的焦炭塔有限元模型，模拟了焦炭塔在水冷阶段的瞬态温度场，进一步求得了热应力、应变场及焦炭塔发生倾斜变形的过程。

结果表明：水冷阶段形成冷点，其轴向、周向温度场分布不均产生的温差应力和冷热收缩不均产生的弯曲应力共同作用使塔体在该处发生弯曲变形，进而诱发塔体的整体倾斜。

塔体倾斜使得裙座部分区域所受薄膜应力远高于屈服强度。

针对裙座强度不足问题，实施了加筋弧板补强方案，验算表明该方案能有效降低裙座薄膜应力。

含分枝孔道焦炭模型和对裙座的加筋弧板补强方案对焦炭塔的倾斜分析及其应对措施具有参考价值。

[关键词] 焦炭塔；水冷阶段；倾斜；分枝孔道；冷点作者简介：范华兵（1973—），男，四川南充人，本科学历，工程师。

主要从事化工装备制造研究工作。

焦炭塔（如图1）是延迟焦化装置的核心设备，广泛应用于各石油炼化厂。

通常是一台加热炉对应两台焦炭塔，一台反应生焦时，另一台处于除焦及辅助操作阶段。

焦炭塔在一个完整的操作周期内要经历油气预热、进油生焦、蒸汽冷却、给水冷却和除焦五个阶段。

初始，从塔顶管道通入另一台焦炭塔反应生焦产生的约400℃油气，将焦炭塔壁温预热至350℃，油气预热结束后，从塔底进料管通入440-500℃混合油在塔内反应生焦，反应生成的油气通过塔顶管道输出至收集装置，余下的疏松多孔的焦炭一直保留在焦炭塔中。

进油生焦结束时，焦炭约占焦炭塔体积的2/3。

蒸汽冷却阶段，由塔底进料管通入高压蒸汽，将塔内油气全部吹出并对焦炭塔进行预冷。

随后进行水冷，从塔底部进料管注入高速冷却水，注满水后静置冷却。

然后放出进行第二次注水冷却。

水冷结束后，打开底部封头，运用切焦器射出的高压水射流将塔内焦炭全部切除，由底部排焦口排出。

焦炭塔在一个完整的运行周期48h 内承受了周期性的热应力和机械应力，运行过程中会出现塔体倾斜、糖葫芦状鼓凸变形和裙座开裂失效现象，实际运行寿命达不到设计值[1]。

目前国内外对焦化塔已有一些研究，但主要是针对焦炭塔温度场变化、鼓凸塑性变形机理和裙座开裂问题。

例图1 焦炭塔现场照片如，钟文镇等[2]利用圆柱形壳体弯曲理论求解了焦炭塔筒体在温度应力和内压作用下所产生的内力和位移，发现在水冷阶段，筒体部分区域进入塑性，渐次塑性变形积累是焦炭塔发生糖葫芦状鼓凸变形的原因。

陈孙艺等[3]分别用解析式和有限元- 6 -论文广场石油和化工设备2018年第21卷(a) (b)图2 焦炭的中间孔道模型(a)和分枝孔道模型(b)软件计算了由周向温差引起的轴向不均匀应力，发现周向不均匀温度场会影响塔体的垂直度。

Feng Ju等[4]基于ABAQUS软件，对焦炭塔在热和机械载荷作用下进行弹塑性应力分析时发现，焦炭塔在运行过程中出现的冷热点会引起塔体变形，冷点引起的变形更加严重。

王正等[5]利用ANSYS 软件对焦炭塔一个循环过程进行了瞬态温度场模拟，发现焦炭塔在水冷阶段短时间内温度变化幅度大，温度变化速率高。

上述研究中焦炭模型都采用了中间孔道模型，没有考虑到焦炭不均匀分布对塔体变形的影响。

而关于焦炭塔水冷倾斜现象的定量安全评价和有效治理措施，尚未见文献报道。

本文研究的焦化双塔在水冷阶段均出现不同程度的倾斜现象，在除焦时随着大块焦炭的切除塌方而恢复至原位。

塔体倾斜方向和大小均有随机性，顶部最大倾斜位移曾达到160mm，后发现地脚螺栓有所松动，紧固后最大倾斜在90mm内。

同时发现同一台焦炭塔生产不同焦种时，塔体的倾斜量也有差异。

结构松散的针状焦，内部分布有大量的空隙和微细裂缝，与结构紧密、区段均匀的沥青焦相比，焦内分枝孔道数目更多，所以当生产针状焦时，塔体倾斜量比生产沥青焦时更大。

塔体周期性的随机倾斜不仅危害塔体自身安全和寿命，而且可能导致塔顶上方油气管线发生失效和泄漏事故。

因此，对焦炭塔的水冷倾斜现象进行研究和治理具有重要意义。

在前人研究成果启发下，本文利用ANSYS软件建立含分枝孔道焦床的焦炭塔有限元模型，模拟了焦炭塔在水冷阶段的倾斜过程，用间接耦合法求得了热应力和热变形的变化过程。

结果表明，水冷阶段出现的冷点引起轴向、周向温度分布不均，从而产生的温差应力和塔体非均匀受冷收缩产生的弯曲应力共同作用，使得塔体在水冷阶段发生弯曲倾斜。

本文计算发现，塔体倾斜产生的受力不均，导致裙座区域的局部薄膜应力远大于材料屈服强度。

针对裙座强度不足，提出加筋弧板补强方案并经有限元验算，能有效降低裙座处的薄膜应力，防止裙座发生塑性或开裂失效。

1 焦炭塔有限元模型1.1 焦炭的分枝孔道模型国外研究者对塔内焦层结构进行了研究，波霍金柯[6]指出：采用轴向进料时，原料流会趋向于轴心，形成中间主孔道，但在这种情况下，原料流沿主孔道自下而上运动过程中会遇到被焦化黏稠物质的阻力，不断改变方向，分成较小的物流，并深入到塔壁，形成分枝孔道。

这些孔道由于运动的连续性会保持到焦化周期的末尾。

Great Lakes Carbon 公司通过对针状焦样品和由焦炭塔底部切下的焦炭块的研究，提出“焦炭塔里树样结构”的孔道分枝理论[7-9]。

可见，塔内焦层不仅具有中间主孔道，同时也具有大小和方位随机分布的分枝孔道。

在水冷阶段，冷却水会顺着这些分枝孔道深入到塔壁，使塔壁表面局部急速受冷，产生对塔体安全有很大危害的冷点。

然而，国内学者在研究焦炭塔变形和温度场时，普遍采用中间孔道的轴对称模型，忽视了非对称的分枝孔道的存在。

本文在分析水冷阶段焦炭塔倾斜过程时采用了含分枝孔道的焦层结构。

实际焦床内的分枝孔道大小、方位和连续性均是随机分布的，但在有限元分析中，只能设计一种简单确定的分枝孔道作为模型。

根据现场检测数据，一般焦层高度为塔高的2/3。

其直径与塔内径相等。

本文参考现场经验，取中间孔道直径为320mm，分枝孔道直径为70mm。

两种焦炭结构模型如图2所示。

1.2 焦炭塔参数和模型本文研究的焦炭塔通过裙座底部的基础环由地脚螺栓固定于8.5m高的钢筋混凝土台面上，塔高为23888mm，塔内径4850mm。

焦炭塔几何结构如图3所示。

焦炭塔外壁由保温层包裹。

保温层内层为50mm厚的硅酸铝纤维毡，中间层为150mm厚的复合硅酸盐卷毡，最外层为复合硅酸保温涂料。

塔壁为复合钢板，内层为3mm厚的TP410S不锈钢，外层（基层）为1.25Cr-0.5Mo-Si 即14Cr1MoR，三节筒体自下而上基层厚度分别- 7 -第1期 范华兵等 焦炭塔水冷倾斜过程的有限元模拟、安全评价与应对措施为32mm ，28mm ，26mm 。

裙座作为主要承力部件，采用强度更高的Q345R ，在各个温度下的材料性能见文献[10]，其中设计温度下的屈服强度为310MPa 。

裙座有效壁厚为18mm。

图3 焦炭塔塔体几何模型焦炭塔裙座底部有筋板支撑，具有极大的刚度，不易发生变形。

通过加大支撑区材料的弹性模量，使之等效筋板支撑作用，借此简化模型。

本文采用精度高且适用于复杂曲面形状的20节点二次三维实体单元，热分析采用Solid90单元，结构分析采用与之对应的Solid186单元，共享相同网格。

由于裙座为主要承载体，故将裙座区域网格进行加密处理。

焦炭塔温度载荷和所受内压是左右对称，故可取焦炭塔1/2来建立有限元模型（如图4）。

焦炭塔有限元模型的单元数为596810，节点数为1039925，总自由度数为5953890。

在进行应力分析时，删除热分析模型中的保温层，并将其重量等效施加给塔体。

图4 焦炭塔有限元网格2 焦炭塔水冷阶段瞬态温度场分析焦炭塔在水冷阶段温度变化迅速，是最危险时刻。

焦炭塔在第一次注水冷却的初期发生倾斜，倾斜量快速增加，并在中后期缓慢增加。

本文模拟了焦炭塔在第一次注水阶段的瞬态温度场。

以蒸汽冷却结束时刻的温度场作为初始温度场。

分析采用第三类热边界条件：给定热边界换热温度及对流换热系数。

在对称面上施加绝热边界条件，保温层外层外表面与20℃空气介质对流换热，对流换热系数为10W/(m 2•K)。

焦层表面及孔道与冷却水对流换热，塔上部未被焦炭覆盖处热边界换热温度取该处塔内壁的温度，可由塔上部的测温传感器获得，塔上部的内壁温度（T1、T2）和冷却水温度（T3）随时间变化（见表1）。

内边界的对流换热系数较难确定，但可以依据换热类型选取一个初值，经过反复试算，以计算的温度场结果与实际测温点测到的温度值相吻合为目标。

最终选定冷却水与焦炭的换热系数为2.5×105 W/(m 2•K)，塔的上部内壁与介质的换热系数为100 W/(m 2•K)。

据此，求得焦炭塔在第一次注水冷却初期阶段的温度场如图5所示。

图5 水冷阶段初期温度场由图5可见，被焦炭覆盖区左侧塔壁轴向温度自下而上，先增大后降低；右侧由于分枝孔道的存在，其温度分布更为复杂，分枝孔道区域为低温区，分枝孔道上方轴向分布如左侧。

径向方向，两侧都呈由里向外依次递增的趋势。

在分界处，温度会发生一个突变，塔顶处塔内壁温度相对于中下部被焦炭覆盖处塔内壁温度下降速度更快。

分枝孔道处塔壁温度分布如图6所示，冷却水顺着分枝孔道深入到塔壁使塔壁表面局部急速- 8 -论文广场石油和化工设备2018年第21卷表1 水冷阶段各测温点温度记录表图6 分枝孔道处温度场受冷，其轴向温度先降低后升高，环向温度呈波纹状分布，以孔道端部为波纹中心，温度依次升高。

孔道端部塔壁温度为50℃，而其附近塔壁温度仍接近200℃。

3 焦炭塔水冷阶段应力分析对焦炭塔在水冷阶段的应力特性进行分析。

将前面温度场分析求得的节点温度及其初始参考温度的温差载荷施加到热应力分析的结构单元中，同时考虑自重和内压载荷，求得热变形与热应力。

3.1 约束与加载在进行应力分析时，不对焦炭塔保温层建模，对塔壁增加保温层重量，对焦炭施加冷却水重量载荷[11]。

约束边界条件和载荷如下：(1)在焦炭塔1/2模型的子午面上施加对称约束，即垂直于对称面的线位移为零。

(2)塔体全部重量由裙座支撑，裙座下部通过基础环由地脚螺栓固定在钢筋混凝土台面，故在裙座基础环底面施加全自由度固定约束。

(3)焦炭塔塔壁、保温层、焦炭和冷却水的重力载荷，内压载荷0.02MPa 。

3.2 焦炭塔变形状态分析水冷阶段焦炭塔的变形如图7至图9所示。

分温度/时间t=0h t=0.5h t=1h t=1.5h t=2h t=2.5h t=3h t=3.5h T1/℃296255214201187174160135T2/℃345314283263242222201140T3/℃97764257718610073别计算两种模型进行比较，可见，水冷结束时中间孔道模型塔体的最大整体位移为68.7mm （见图8中的DMX 数据），分枝孔道模型最大整体位移为76mm （见图9中的DMX ），两者相差不大。