摘要：理論上解釋了焦炭塔的變形規律：塔體下錐體環焊縫以上第二道至第四道圈板之間變形最大。塔體環焊縫處變形較小，多年來基本無變化。塔體變形每個筒節有“C”形的，也有“ε”形的，前者居多。從宏觀上解釋了焦炭塔在使用一定時間后有較大變形的機理。
　　關鍵詞：焦炭塔，膨脹變形。
　　
　　焦炭塔的膨脹變形是一個普遍的現象。變形部位多在塔體下部，塔壁徑向鼓凸，呈糖葫蘆狀。塔壁的鼓凸變形過程如圖1所示【1】。

　　圖1焦炭塔膨脹變形示意圖
　　Fig1ExpansionDeformationofCoketower
　　
　　塔體變形的規律如下：
　　(1)塔體下錐體環焊縫以上第二至第四道圈板之間變形最大。
　　(2)塔體環焊縫處變形較小，多年來基本無變化。
　　(3)塔體變形每個筒節有“C”形的，也有“ε”形的，前者居多【2】。
　　對焦炭塔的變形機理，國內外研究者持不同意見。針對此現狀，我們通過多年來實踐和理論研究，并結合已有的研究成果，對焦炭塔變形機理作如下分析：
　　(1)首先建立研究模型，取下錐體上數第二筒節為研究對象。取筒體的一小部分進行分析，將其等效為一直桿如圖2中a)所示。若直桿兩端受到較大的軸向壓應力，則只要在徑向存在較小的徑向應力就可以使筒壁彎曲。此時的彎曲變形為彈性變形，且變形外形應為一個半波，在筒節中心鼓凸最大。焦炭塔在從塔底預熱時，塔壁由于受熱膨脹向外鼓凸（據有關資料介紹，焦炭塔進料時筒體從常溫升到475℃，熱膨脹引起軸向伸長，整個塔體可伸長119mm，直徑鼓脹30mm），但由于受到約束，筒壁上產生了很大的應力。
　　(2)在升溫以及進油階段，筒體軸向的溫差很大，尤其是在初始階段，筒體下部第一、二筒節的溫度最高，其軸向膨脹量很大，而筒體承受自重及物料、保溫磚等重量，管線、平臺等限制筒體的軸向位移，因此焦炭塔筒體軸向的膨脹受到約束，筒壁上存在較大的軸向壓縮應力；由于環焊縫比塔壁要厚一些，環焊縫的溫度梯度要小一些，所受熱應力要小一些，其單位長度的膨脹量比筒壁的要小，因而塔體徑向的膨脹受到環焊縫和加強圈的約束，在其內部產生了較大的徑向應力，而且預熱時塔內外壁溫差最大，此時產生的熱應力也最大。由
　　于徑向熱應力是由于筒體的徑向熱膨脹受到約束而產生的，因此在約束越大

　　圖2厚壁單個半波膨脹變形的形成示意圖
　　Fig2SingleHalf-waveBallooningDeformationofThick-wall
　　的地方，徑向熱應力也越大。所以在靠近環焊縫附近的筒體母材所受的應力較遠離焊縫區的母材所受的熱應力為大。靠近焊縫處的母材由于所受熱應力較大，而且焊接熱影響區材料的力學性能較差，該應力易超過其屈服極限，必將首先在焊接熱影響區產生屈服變形，如圖2中b)所示白色部分所示；筒節的中間部位仍保持彈性，它們在徑向熱應力及內壓的作用下發生彈性彎曲變形，如圖2中b)黑色部分所示。隨著時間的延長，筒壁溫度升高，熱應力由于溫差的減小而有所下降，但在徑向熱應力和內壓作用下，筒節仍有彈性彎曲變形。溫度升高時材質的屈服強度下降，彈性變形所儲存的能量有部分將以塑變的形式釋放。由于發生了塑性變形，必然產生塑變硬化，使得材料的高溫屈服強度有所升高。同時熱應力由于得到部分釋放，就不足以繼續使筒壁發生塑變。隨后在除焦時間段隨著溫度降低，由于筒壁的熱膨脹系數比焦炭的要大，筒壁的收縮程度比焦炭的要大，這樣形成了一個熱套管，也會使筒體在較大范圍內產生壓縮塑性變形（實際上，相對于常溫狀態仍為拉伸變形--即膨脹）這樣在宏觀上筒節就向外產生了一個半波的鼓凸，（如圖2中c)所示。在以后的工作循環中，熱應力不會增加，因而難以再使發生了塑變的筒壁在高溫下屈服，變形量不會增加。但隨著使用時間的延長，材質中強化相珠光體發生球化后，使得屈服強度，尤其是高溫屈服強度下降。即經過一段時間以后，筒壁材質又會發生塑性變形，使得變形得以進一步的發展。隨著循環次數的增加以及材質老化程度的加劇，塑性變形累積的結果，最終使得筒壁變形愈加嚴重。實際上，由于焦炭塔在高溫的停留時間長，約為24小時（以48小時的生產周期計），焦炭塔同時也受高溫蠕變變形的影響。蠕變變形的程度和材質的老化程度、應力載荷、工作溫度有關。由于這一部分筒節所承受的應力較大，相應的蠕變變形的程度也較大。同時，由于使用過程中，下部筒節材料的高溫屈服強度因塑變強化而暫時升高，而沒有產生塑性鼓凸變形的上部筒節高溫屈服強度的降低，上部筒節逐漸成為新的有利于鼓脹變形的部位，從而鼓脹變形得以向上部的筒節發展。對于“ε”形變形，在這里也可以給合理的解釋。當焦炭塔筒節寬度較大時或綜合應力水平較低時或材料彈性性能較好時，筒節中部就會以彈性形變作周期性變化，而焊縫附近在不斷產生塑性變形，這樣就形成了“ε”形變形【3】。
　　錦西煉油廠的焦炭塔，不僅將壁厚加厚為34mm，而且使用了15CrMo作為下筒體和下錐體的襯底。運行8年后，焦炭的第二及第三筒節仍然產生了明顯鼓脹變形，最大變形量（在文中均指沿徑向鼓凸高度）為47mm，最大變形寬度為1220mm。而且變形均為一個半波形式的鼓凸，與本模型相符合【4】。
　　參考文獻
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　　[2]陳孫藝.焦炭塔鼓脹的各種變形機理的探討[J].中國鍋爐壓力容器,2000,12(5).
　　[3]胡海龍,陳寶忠.焦炭塔失效形式分析.機械強度[J]，1996，18(1).
　　[4]趙瑩,周鴻.焦炭塔的鼓凸損傷變形.西安石油學院學報[J],1998，13.
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