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某廠焦化車間的三號焦炭塔長期在高溫、充焦、除焦的冷熱疲勞作用下運行，導致塔體局部變形和母材焊縫開裂，嚴重威脅著生產的安全。為了深入研究焦炭塔變形的原因，廠家采用應力測試儀對三號焦炭塔進行一個工作周期內的應變測量與應力分析，以尋求解決焦炭塔鼓凸變形問題的方法與對策。

結構與參數

焦炭塔規格為Φ6000mm*30975mm。操作壓力0.23MPa，介質為減壓渣油，下部操作溫度為475℃，上部操作溫度410-420℃。塔體主要包括頂部球形封頭、中部多節筒體和下部錐形封頭，分為泡沫段和生焦段2個區域。泡沫段筒體壁厚為28mm，生焦段筒體壁厚32mm，下筒體與錐形封頭的過渡半徑為3000mm，壁厚32mm。上封頭為半球形，內半徑3000mm，壁厚為28mm。塔體主體材質為20g，密度ρ=7870kg/m³，E=2.1276*10⁵MPa。

焦炭塔外壁應變、溫度測量與應力計算

本次測試僅對三號焦炭塔進行一個工作周期（48h）的溫度和應變測量。通過對塔體表面關鍵點的應變和溫度測量，對整個塔體的應力分布情況進行計算，進而分析影響焦炭塔鼓凸變形的因素。

本次測試儀器采用聚航科技生產的JHYC靜態應變，采用電阻應變法測量，需在塔體表面粘貼應變片。根據以前塔壁的變形情況，有針對性地選擇測點。測點分布于塔體與裙座焊縫、下封頭與筒體焊縫、筒節間焊縫和筒節*央等應力集中點和關鍵點，測點分布及序號見圖。

由于測點較多，選擇具有代表性的焊縫附近第2點的測量數據做應變隨時間變化的曲線。根據廣義胡克定律計算得到應力隨時間變化的曲線。

其它各點的應變、應力隨時間變化的曲線與第2點相似，只是發生的時間和峰值與第2點略有不同。第2點在時間為36.5h，即開始進水冷卻后0.5h，應變與應力曲線發生急劇上升與下降，整個過程約為2h，這一現象在其它點也有發生，即開始進水冷卻后，液面上升到某點時，該點壁面應變與應力發生突變。

應力分析與變形影響因素

塔體應力分析

通過對焦炭塔整塔的應力測試和分析，可以得出以下結論；

1. 在焦炭塔的一個工作周期內，任意一點在開始冷卻以前，塔壁的應力會隨著時間的延長和溫度的上升而緩慢增加。從進蒸汽冷卻開始，應力開始下降。水冷開始以后，當液面達到塔壁某一點時，該點的應力會突然升高，然后又迅速下降，這個突變過程大約經歷2h，然后該點的應力又以較低的速度下降至冷卻過程結束。

2. 整個塔從下至上應力逐漸降低，拉應力變化較為平緩，由于塔自身質量與物料質量的作用，壓應力沿塔體高度上的差距較明顯。

3. 由于焊縫強度高于母材，焊縫熱影響區的應力較高（9、10、16點）。

影響變形的因素

根據上述測試結果及計算分析可知，焦炭塔塔體經一個周期的運行以后，周向殘余應變為正（受拉），軸向殘余應變為負（受壓）。因此，導致焦炭塔鼓凸變形的主要影響因素是：

1. 由于冷卻水進入塔體的時候塔壁溫度仍然在300℃以上，導致焦炭塔壁溫度變化劇烈、迅速，產生屈服和塑性變形。在較高的溫度應力作用下，每經過一個循環周期的操作，塔體都會產生一定的殘余應力與塑性變形，經過不斷積累，導致塔壁整體鼓凸變形。

2. 焊條的強度高于母材且焊縫一般有4mm的增強高度，使其強度和剛度都比母材高得多。因此，限制塔體膨脹變形而使其在此處出現“腰帶"。經歷多次反復升降溫和多次變形，塑性變形不斷積累，就形成了焊縫處變形小而遠離焊縫的區域變形大的鼓凸變形。

3. 周期性性壓力波動也是影響塔體變形的一個因素。塔內壓在每個操作周期中經歷從0MPa~0.23MPa~0MPa的過程，當溫度、壓力*高時，也是塔壁強度*低的時候，這也在一定程度上加劇了塔體的鼓凸變形。

防止焦炭塔鼓凸變形措施

針對以上對焦炭塔鼓凸損傷現象與塔壁應力分析，建議采取如下措施降低和防止焦炭塔的變形和局部的應力集中現象：

1.增加通蒸汽冷卻的時間，并采取兩階段、不同溫度蒸汽冷卻的方法，使焦炭塔壁的溫度在進水冷卻前降的更低。

2.適當提高冷卻水的溫度，降低塔內、外壁的溫差。

3.適當加大開始冷焦時的冷卻水流量，降低塔體軸向應力。

4.增加保溫層厚度，盡量保持保溫層的完整性，降低溫差應力。

5.采用和母材化學成分及強度等級的焊材，采用對稱的X形坡口，適當降低焊縫增強高度，嚴格控制焊接時的幾何形狀誤差、焊前預熱與焊后熱處理。

6.采用疲勞強度更高的優質材料，內部安裝襯套，改變受力對象，改善焦炭塔外壁受力情況。