焦炭塔的安全性分析及寿命评价——焦炭塔的结构强度分析

摘要

工程实际中的强度问题牵涉范围十分广泛,可归结为考虑限制结构承载能力的各种因素,包括:塑性变形引起的零件形状的显著变化、载荷超过额定值时材料的破坏和结构稳定性的丧失等.材料在高温下的应力状况更加复杂,温差应力和机械应力的耦合作用,对设备的强度造成巨大影响,分析结构在高温下的强度问题具有重要意义.焦炭塔是石化行业延迟焦化工艺的重要设备,由于操作条件的苛刻,容易出现强度问题引起的多种失效,对它进行全面的结构强度分析具有很大的实际意义和经济价值.为对实际操作的焦炭塔进行结构强度分析,该文着重对塔壁的热变形和热应力进行了研究.根据有限单元法理论,建立瞬态温度场分析模型,利用功能强大的有限元分析软件ANSYS对塔壁进行各主要操作阶段的温度场和热应力场分析.同时对改进的裙座结构进行计算,比较两种结构型式对设备受力的影响.分析焦炭塔在机械载荷,如内压、自重、风载和地震载荷作用下的应力情况,其中塔体的模态分析、风载的函数加载和地震载荷的时程分析是该文的创新.分析结果表明焦炭塔塔壁的温度场存在径向和轴向温度梯度,产生的热应力在塔壁组合应力中占主要成分,采用安定性准则进行评价,得出焦炭塔满足安定性条件的结论.对裙座所受轴向压应力进行校核,可知裙座满足稳定性条件.数值计算所得结果理论合理,与实际吻合良好,从而可以为焦炭塔的事故分析及结构改进提供依据.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1结构强度理论及其应用

1.2高温强度理论及其应用

1.3焦炭塔高温强度研究的意义

1.4本课题的来源及主要研究内容

1.5主要技术难点及创新

2焦炭塔的结构和工艺条件

2.1焦炭塔的结构尺寸和基础数据

2.1.1焦炭塔的结构和主要尺寸

2.1.2焦炭塔的基础数据

2.2焦炭塔的操作工艺

2.3焦炭塔的主要失效形式

2.4数值模拟及其实现

2.4.1数值模拟技术及方法

2.4.2有限元法的基本原理

2.4.3有限元软件的选用

3焦炭塔温度载荷分析模型的建立

3.1温度场分析的条件

3.2瞬态温度场分析有限元方程的建立

3.3瞬态温度场有限单元法求解

3.4瞬态热应力的求解

3.5焦炭塔瞬态温度场分析有限元模型的建立

3.5.1几何模型的建立

3.5.2物理模型的建立

3.5.3温度场分析中的材料参数

3.5.4动态温度载荷的施加——生死单元技术

4利用ANSYS有限元软件实现塔壁瞬态温度载荷分析

4.1预热阶段温度场及热应力场分析

4.1.1预热阶段边界条件的确定

4.1.2预热阶段温度载荷分析有限元模型的建立

4.1.3预热阶段温度场及热应力分析结果

4.2充焦阶段温度场及热应力场分析

4.2.1充焦阶段温度载荷分析有限元模型的建立

4.2.2充焦阶段温度场及热应力分析结果

4.3蒸汽冷却阶段温度场及热应力场分析

4.3.1蒸汽冷却阶段温度载荷分析有限元模型的建立

4.3.2蒸汽冷却阶段温度场及热应力分析结果

4.4水冷阶段温度场及热应力场分析

4.4.1水冷阶段温度载荷分析有限元模型的建立

4.4.2水冷阶段温度场及热应力分析结果

4.5焦炭塔塔壁温度载荷分析小结

4.6焦炭塔裙座结构型式的改进与分析

4.6.1焦炭塔裙座结构型式比较

4.6.2裙座改进型式温度载荷分析

4.6.3两种结构型式应力比较

4.7防止焦炭塔焊缝开裂的措施和建议

5焦炭塔机械载荷有限元分析

5.1模态分析

5.1.1模态分析有限元方程的建立

5.1.2模态分析模型的建立

5.1.3模态分析结果

5.1.4模态分析小结

5.2地震反应分析

5.2.1时程分析法

5.2.2地震反应分析有限元方程的建立

5.2.3地震反应分析模型的建立

5.2.4地震反应分析结果

5.2.5地震反应分析小结

5.3风载荷分析

5.3.1风载荷分析模型的建立

5.3.2风载荷分析结果

5.3.3风载荷分析小结

5.4塔体各部分重量产生的压应力

5.5内压产生的薄膜应力

6焦炭塔结构强度分析

6.1塔壁安定性分析

6.1.1组合应力的计算

6.1.2塔壁安定性校核

6.2裙座稳定性校核

6.2.1裙座危险截面最大轴向压应力计算

6.2.2裙座稳定性校核

7结论与展望

7.1主要工作

7.2主要结论

7.3后续工作展望

参考文献

研究生学习期间发表论文

致 谢

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