焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构制造技术

本实用新型专利技术是焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，特征是：下部裙座支持的反应器筒体不是圆筒体，或只有上段部分圆筒体，其中生焦高度所及的中段和下段是倒过来的圆锥结构。在反应器初步结构设计基础上，根据最大和最小生焦高度计算该段筒体两端因平衡热胀冷缩所需要的直径差，使该段筒体上端的直径较下端的直径大一些。这种预变形结构使反应器受热油作用下段筒体膨胀后的直径不再大于筒体上端的直径，在冷却时筒体向下的轴向收缩不受内部硬焦的阻碍而变得较为自由。同理，对上部支持的压力容器，其下部筒体设计成上端直径小一些，筒体向上轴向收缩较自由，改善受力状况，减缓甚至消除压力容器筒体鼓胀变形，延长压力容器寿命。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
(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①5400mmX28/32mm，高约27000mm。1990年以后建造的焦炭塔结构尺寸一 般为①8600mmX 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°C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°C蒸汽预热至约180°C、8小时油气预热至约300°C，然后2小 时换塔切换，需22小时从塔底卸焦孔进495°C的热油生焦，5小时200°C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°C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。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。美国石油学会分别于1968年、1979年和1996年有组织地对焦炭塔的变形开裂问 题进行了颇有规模的考察分析，调查涉及设计和检测评定等多方面，API于1996年第三次 对世界上以美国为主的焦炭塔就设计和检测评定等六方面进行了调查，这次共得到145台 在用焦炭塔的有关资料，但是，调查报告中也没有关于塔壁鼓胀开裂安全评定的结果。Leslie和Harding经过长期考察，发现塔内生焦的横向热膨胀系数(CTE)比塔壁 材料大，若塔壁冷却比焦炭快，则塔壁的残余应力可能使塔体胀大。国内学者对焦炭的热 膨胀系数和弹性模量进行了测定，把生成的焦炭看作两端自由的轴对称实心圆筒，计算出 与塔壁相互作用的残余应力较大，由此断定该残余应力是造成塔体鼓胀的主要原因。如何评定鼓胀变形及塔壁开裂的安全可靠性，筒节鼓胀容限的环焊缝角变形许可 深度解析解曲线图评定法、极限载荷和筒节鼓胀容限的有限元分析评定法、焦炭塔局部鼓 胀容限的有限元分析评定法、焊缝开裂失效期限的可靠性技术预测。由此可见，结合实践对该塔进行结构改进，延长塔体的寿命以提高经济效益，具有 很强的工程意义
技术实现思路
本技术就是焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，其特征是焦化反应器 的筒体没有传统的圆筒体，或只有上段部分是圆筒体，其中生焦高度所及的中段和下段筒体是倒过来的圆锥结构，也就是说该段筒体的上面的直径较下面的直径大一些。这样的结 构使得焦化反应器在冷塔过程中，筒体向下的轴向收缩和径向收缩是较为自由的。同理，对 上部支持的压力容器其下部筒体设计成上端直径小一些，筒体向上轴向收缩较自由，塔体 的受力状况得到改善，减缓甚至消除焦化反应器筒体的鼓胀变形，可延长焦化反应器的寿 命。其中最大的特征是重点利用了传统压力容器设计制造中所避免的圆筒体大小头现象， 圆筒体如果出现大小头，则其受内压时不仅有薄膜应力，还要承受径向弯矩在筒壁中引起 引起的经向弯曲应力。总之，本技术专利技术的技术方案内容包括如下三点1.关于焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，塔体由筒体和上下端的封头组 成，由裙座支承，塔内部是空的，其特征是下部裙座支持的反应器筒体是圆锥形筒体，或只 有上段部分圆筒体，其中生焦高度所及的中段和下段是倒过来的圆锥结构。2.根据第1点所述焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，其特征是焦化反应 器的筒体其中生焦高度所及的中段和下段筒体是倒过来的圆锥结构，倒过来的圆锥结构包 括是一个整体的圆锥结构，也包括上下两端一大一小的两个圆锥筒节之间通过一个圆筒节 连接起来的组合结构，这两种结构均使该段筒体的上面的直径较下面的直径大一些。3.根据第1点所述焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，其特征是焦化反应 器倒过来的圆锥结构可包括一个圆锥角的结构，也可包本文档来自技高网...

【技术保护点】
关于焦化反应器的防变形失效倒锥筒体结构，塔体由筒体和上下端的封头组成，由裙座支承，塔内部是空的，其特征是：下部裙座支持的反应器筒体是圆锥形筒体，或只有上段部分圆筒体，其中生焦高度所及的中段和下段是倒过来的圆锥结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈孙艺，
申请(专利权)人：陈孙艺，
类型：实用新型
国别省市：44[中国|广东]