CN107063541B - 焦炭塔内壁应力的推算方法 - Google Patents

焦炭塔内壁应力的推算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焦炭塔内壁应力的推算方法，该方法包括步骤：获取焦炭塔外壁测点的环向应变和轴向应变数据；根据所述环向应变和所述轴向应变数据，计算获得所述焦炭塔外壁测点的外壁环向应力由所述外壁环向应力等于外壁热应力通过热应力公式计算获得内外壁温差随时间的变化率根据所述内外壁温差随时间的变化率以及内壁环向应力等于内壁热应力通过热应力公式计算获得内壁环向应力本发明推算焦炭塔内壁应力的方法，精度高，成本低。

Description

焦炭塔内壁应力的推算方法
技术领域
本发明涉及石油化工领域，尤其涉及一种焦炭塔内壁应力的推算方法。
背景技术
焦炭塔是延迟焦化工艺中的关键设备，也是炼油工业中的塔式压力容器，服役过程中经历循环的升温和降温，使得容器承载的介质由气态到液态至固态。在该过程中，焦炭塔的塔壁在经历若干循环后会出现鼓胀、开裂等问题。为了对焦炭塔进行疲劳损伤的评估和预测，通常需要准确掌握焦炭塔的塔壁应力情况，但由于焦炭塔局部几何形状的不规则性以及工况的复杂性，很难通过理论分析或者有限元模拟来获得精确的应力计算。
根据美国石油协会(API)对焦炭塔进行的三次大规模调查(1968、1979和1996年)的数据显示，许多裂纹是从塔内壁开始萌生的，对于产生裂纹的塔内壁应力却因为塔内充满了介质所以无法对其进行测量，仅仅可以通过安装高温应变片来测得炭焦塔外壁的应力。
此外，现场实测的应力数据表明，尽管循环工艺和操作参数是固定，但焦炭塔塔壁的循环应力幅值每个循环都不尽相同，有的应力超过屈服极限，有的则比较低，所以要获得焦炭塔的真实应力数据，必须通过实时监测。
综上，迫切需要一种更加简便、成本低的焦炭塔内壁应力的推算方法对焦炭塔进行健康监测。
发明内容
本发明提供一种焦炭塔内壁应力的推算方法，该方法仅需对焦炭塔外壁应变进行采集，即可推算出焦炭塔内壁应力。
本发明采用以下技术方案，焦炭塔内壁应力的推算方法，包括步骤：
获取焦炭塔外壁测点的环向应变和轴向应变数据；
根据所述环向应变和所述轴向应变数据，计算获得所述焦炭塔外壁测点的外壁环向应力
由所述外壁环向应力等于外壁热应力通过公式(1)获得内外壁温差随时间的变化率
式中，E为材料的弹性模量，μ为泊松比，α为线膨胀系数，A为热扩散率；Ri，Ro分别为焦炭塔的内、外半径；
根据所述内外壁温差随时间的变化率以及内壁环向应力等于内壁热应力通过公式(2)获得内壁环向应力
作为上述方案的改进：
根据内壁轴向应力包括内壁热应力和轴向瓶颈效应产生的应力叠加，通过公式(3)计算获得焦炭塔内壁轴向应力
其中，为外壁轴向应力，为轴向瓶颈效应产生的应力。
进一步地，所述获取焦炭塔外壁测点的环向应变和轴向应变数据步骤中，每个测点在轴向和环向各安装一片耐高温应变片，每一耐高温应变片与应变仪的一个测量通道连接。
有益效果：
(1)本发明提供的内壁应力推算方法，只需焦炭塔对外壁应变进行采集，不需要在外壁安装测温热电偶或在外壁向内凿孔深埋测温热电偶。仅需用耐高温应变片测出外壁的应变，即可对内壁应力应变进行推算。该方法不仅对焦炭塔塔体无损伤，并且能显著降低监测成本。
(2)焦炭塔筒体塔壁的高值应力主要是内外壁的温差、轴向温度梯度以及环焊缝等局部几何约束引起的。塔壁环向应力仅包含透壁热应力，而轴向应力包含透壁热应力和瓶颈效应产生的弯曲应力。利用监测得到外壁的轴向和环向应力，推算出内外壁温差变化率，进而推算出内壁环向应力，再由此推算出内壁轴向应力，根据内壁应力可推算出内壁应变。有限元数值模拟的算例结果显示，本发明的推算方法推算出来的内壁应力精度非常高，相对误差小于3.7％。
附图说明
图1是本发明提供实施例1的焦炭塔内壁应力的推算方法的流程示意图；
图2是本发明提供实施例2的焦炭塔内壁应力的推算方法的流程示意图。
具体实施方式
实施例1
结合图1，本实施例焦炭塔内壁应力的推算方法包括如下步骤：
S101：获取焦炭塔外壁测点的环向应变和轴向应变
本步骤中，在炭焦塔外壁测量点安装耐高温应变片，每个测点在轴向和环向各安装一片耐高温应变片，每一耐高温应变片与应变仪的一个测量通道连接。应变仪通过耐高温应变片采集炭焦塔测点的环向应变和轴向应变数据。
S102：根据所述环向应变和所述轴向应变数据，计算获得所述焦炭塔外壁测点的外壁环向应力
本步骤通过公式获得所述焦炭塔外壁测点的外壁环向应力其中E为材料的弹性模量，μ为泊松比。
S103：由所述外壁环向应力等于外壁热应力通过热应力公式计算获得内外壁温差随时间的变化率
本实施例中，环向应力仅有热应力构成。根据弹性力学的热应力分析公式，对于从内部加热/冷却的薄壁圆筒，可推导出其瞬态热应力计算公式
再根据推出
式中，E为材料的弹性模量，μ为泊松比，α为线膨胀系数，A为热扩散率；Ri，Ro分别为焦炭塔的内、外半径。
S104：根据所述内外壁温差随时间的变化率以及内壁环向应力等于内壁热应力通过热应力公式计算获得内壁环向应力
本步骤中，根据弹性力学的热应力分析公式，对于从内部加热/冷却的薄壁圆筒，可推导出其瞬态热应力计算公式
再根据推出
实施例2
参见图2，本实施例基于实施例1，其不同之处在于还包括步骤S105。
S105、根据内壁轴向应力包括内壁热应力和轴向瓶颈效应产生的应力叠加，计算获得焦炭塔内壁轴向应力
本步骤中，内壁轴向应力表示为推出
其中，为外壁轴向应力，为轴向瓶颈效应产生的应力。
实施例3
本实施例提供的焦炭塔内壁应力的推算方法，基于实施例2的方法，初始整体处于均匀温度场(120℃)，然后将内壁直接冷却到室温(30℃)，分析其瞬态温度场及热弹性场。焦炭塔的材料15CrMo参数为表1所示。
表1 几何参数及材料参数
本实施例提供的焦炭塔内壁应力的推算方法推算焦炭塔内壁应力的精度非常高，相对误差小于3.7％，现通过有限元模拟验证。采用有限元方法对一两端开口的薄壁圆筒的热弹性场进行数值模拟。圆筒初始整体处于均匀温度场(120℃)，然后将内壁直接冷却到室温(30℃)。圆筒的参数如表1所示。
采用Ansys公司的Workbench14.5进行数值模拟，薄壁圆筒高度为10m，其它几何参数和材料参数如表1所示，其中内外半径数值与目前通用焦炭塔的尺寸相同，材料参数与15CrMo室温下的热弹性参数一致。模拟过程中假设材料参数不随温度变化。圆筒外壁绝热，一端固定一端自由。温度场与热弹性场的耦合分析采用间接耦合的方式，采取的时间步长为0.1s。对圆筒进行网格划分，整个模型单元数目为150971，节点数目1056827。热分析采用Solid90单元，结构分析采用Solid186单元。
为避免边缘效应，选取圆筒的中间截面(距离端部5m处)进行考察。环向应力和轴向应力的最大值发生在固定端。为对实施例2的理论方法进行验证，选取该截面的应力和温度数据进行计算，得到的结果如表2所示。
表2 有限元结果与理论方法计算结果对照
表2的数据是从1.1s-2.0s这一时间段选取的，其中内壁应力的理论结果是根据有限元结果的外壁应力与与利用实施例2焦炭塔内壁应力的推算方法中的步骤公式进行计算得到的。另外，表中相对误差的计算表达式如下：
需要说明的是，表中温差变化率的有限元结果是根据内外壁的温度，采用有限差分法(向后差分)计算得到的。由表中数据可知，温差变化率的计算误差较大，可能的原因有以下几方面：1)由于温度变化剧烈，时间步长过大；2)有限差分法的计算误差。但由表中数据易见，利用上述方法对内壁应力的计算则比较精确，尤其是轴向应力的推算。由此可见，采用上述方法根据外壁应力对内壁应力进行推算是合理可行的。
应当指出，上述计算方法相当于假设当瓶颈效应通过某一点时，应力全部反向。这种方法可能偏于保守，因为当瓶颈效应通过某个点时，该点的弯曲应力会完全反向，但热应力不可能完全反向。因此上述计算公式有可能过高地估计了热应力的作用，但该方法得到的弯曲应力比较合理，由此得到的内壁应力比外壁高，这恰好能解释裂纹普遍在内壁萌生的现象。相反，如果将(1)式的轴向应力直接作为弯曲应力，会使得透壁应力水平降低，从而过高地估计循环寿命。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.焦炭塔内壁应力的推算方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取焦炭塔外壁测点的环向应变和轴向应变数据；
根据所述环向应变和所述轴向应变数据，计算获得所述焦炭塔外壁测点的外壁环向应力
由所述外壁环向应力等于外壁热应力通过公式(1)获得内外壁温差随时间的变化率
式中，E为材料的弹性模量，μ为泊松比，α为线膨胀系数，A为热扩散率；Ri，Ro分别为焦炭塔的内、外半径；
根据所述内外壁温差随时间的变化率以及内壁环向应力等于内壁热应力通过公式(2)获得内壁环向应力
2.如权利要求1所述的焦炭塔内壁应力的推算方法，其特征在于，根据内壁轴向应力包括内壁热应力和轴向瓶颈效应产生的应力叠加，通过公式(3)计算获得焦炭塔内壁轴向应力
其中，为外壁轴向应力，为轴向瓶颈效应产生的应力。
3.如权利要求1或2所述的焦炭塔内壁应力的推算方法，其特征在于，所述获取焦炭塔外壁测点的环向应变和轴向应变数据步骤中，每个测点在轴向和环向各安装一片耐高温应变片，每一耐高温应变片与应变仪的一个测量通道连接。
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