应力测试仪在焦炭塔上的应用

某厂焦化车间的三号焦炭塔长期在高温、充焦、除焦的冷热疲劳作用下运行，导致塔体局部变形和母材焊缝开裂，严重威胁着生产的安全。为了深入研究焦炭塔变形的原因，厂家采用应力测试仪对三号焦炭塔进行一个工作周期内的应变测量与应力分析，以寻求解决焦炭塔鼓凸变形问题的方法与对策。

结构与参数

焦炭塔规格为Φ6000mm*30975mm。操作压力0.23MPa，介质为减压渣油，下部操作温度为475℃，上部操作温度410-420℃。塔体主要包括顶部球形封头、中部多节筒体和下部锥形封头，分为泡沫段和生焦段2个区域。泡沫段筒体壁厚为28mm，生焦段筒体壁厚32mm，下筒体与锥形封头的过渡半径为3000mm，壁厚32mm。上封头为半球形，内半径3000mm，壁厚为28mm。塔体主体材质为20g，密度ρ=7870kg/m³，E=2.1276*10⁵MPa。

焦炭塔外壁应变、温度测量与应力计算

本次测试仅对三号焦炭塔进行一个工作周期（48h）的温度和应变测量。通过对塔体表面关键点的应变和温度测量，对整个塔体的应力分布情况进行计算，进而分析影响焦炭塔鼓凸变形的因素。

本次测试仪器采用聚航科技生产的JHYC静态应变，采用电阻应变法测量，需在塔体表面粘贴应变片。根据以前塔壁的变形情况，有针对性地选择测点。测点分布于塔体与裙座焊缝、下封头与筒体焊缝、筒节间焊缝和筒节中央等应力集中点和关键点，测点分布及序号见图。

由于测点较多，选择具有代表性的焊缝附近第2点的测量数据做应变随时间变化的曲线。根据广义胡克定律计算得到应力随时间变化的曲线。

其它各点的应变、应力随时间变化的曲线与第2点相似，只是发生的时间和峰值与第2点略有不同。第2点在时间为36.5h，即开始进水冷却后0.5h，应变与应力曲线发生急剧上升与下降，整个过程约为2h，这一现象在其它点也有发生，即开始进水冷却后，液面上升到某点时，该点壁面应变与应力发生突变。

应力分析与变形影响因素

塔体应力分析

通过对焦炭塔整塔的应力测试和分析，可以得出以下结论；

1. 在焦炭塔的一个工作周期内，任意一点在开始冷却以前，塔壁的应力会随着时间的延长和温度的上升而缓慢增加。从进蒸汽冷却开始，应力开始下降。水冷开始以后，当液面达到塔壁某一点时，该点的应力会突然升高，然后又迅速下降，这个突变过程大约经历2h，然后该点的应力又以较低的速度下降至冷却过程结束。

2. 整个塔从下至上应力逐渐降低，拉应力变化较为平缓，由于塔自身质量与物料质量的作用，压应力沿塔体高度上的差距较明显。

3. 由于焊缝强度高于母材，焊缝热影响区的应力较高（9、10、16点）。

影响变形的因素

根据上述测试结果及计算分析可知，焦炭塔塔体经一个周期的运行以后，周向残余应变为正（受拉），轴向残余应变为负（受压）。因此，导致焦炭塔鼓凸变形的主要影响因素是：

1. 由于冷却水进入塔体的时候塔壁温度仍然在300℃以上，导致焦炭塔壁温度变化剧烈、迅速，产生屈服和塑性变形。在较高的温度应力作用下，每经过一个循环周期的操作，塔体都会产生一定的残余应力与塑性变形，经过不断积累，导致塔壁整体鼓凸变形。

2. 焊条的强度高于母材且焊缝一般有4mm的增强高度，使其强度和刚度都比母材高得多。因此，限制塔体膨胀变形而使其在此处出现“腰带”。经历多次反复升降温和多次变形，塑性变形不断积累，就形成了焊缝处变形小而远离焊缝的区域变形大的鼓凸变形。

3. 周期性性压力波动也是影响塔体变形的一个因素。塔内压在每个操作周期中经历从0MPa~0.23MPa~0MPa的过程，当温度、压力最高时，也是塔壁强度最低的时候，这也在一定程度上加剧了塔体的鼓凸变形。

防止焦炭塔鼓凸变形措施

针对以上对焦炭塔鼓凸损伤现象与塔壁应力分析，建议采取如下措施降低和防止焦炭塔的变形和局部的应力集中现象：

1.增加通蒸汽冷却的时间，并采取两阶段、不同温度蒸汽冷却的方法，使焦炭塔壁的温度在进水冷却前降的更低。

2.适当提高冷却水的温度，降低塔内、外壁的温差。

3.适当加大开始冷焦时的冷却水流量，降低塔体轴向应力。

4.增加保温层厚度，尽量保持保温层的完整性，降低温差应力。

5.采用和母材化学成分及强度等级的焊材，采用对称的X形坡口，适当降低焊缝增强高度，严格控制焊接时的几何形状误差、焊前预热与焊后热处理。

6.采用疲劳强度更高的优质材料，内部安装衬套，改变受力对象，改善焦炭塔外壁受力情况。