[实用新型]焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构

说明书

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。