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全，因此如果能对高塔型设备进行时程分析，就可以减少或避免事故的发生，节省大量费用。本文在前人研究的基础之上，以5000m3焦炭塔作为分析对象，对塔器在风荷载作用下结构进行动力响应分析。
本文主要完成以下研究工作：
（1）分析风的特性和风对结构的作用机理，风速风压公式和塔器受风压公式推导。 （2）确定塔的有限元计算模型，利用有限元软件ANSYS设计出简化模型。 （3）研究计算模态的特性，运用前期编制宏文件中的命令流程序计算模型的模态解，确定模型的振动周期、基本振型的参数，为进一步研究风时程分析奠定数据基础。
（4）进行时程分析，先对塔器有限元模型进行加载和求解以及边界条件的设定。然后对结果后处理云图进行应力分析，得出一些有益的结论并提出一些合理化建议。
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第2章 焦炭塔和压力容器的简介
2.1焦炭塔的实际模型
焦炭塔几何尺寸由于其建造年代不同而有较大的差别。20世纪30年代，焦炭塔直 径为?3000mm。70年代由于水力除焦能力和技术的限制，焦炭塔尺寸一般在?5400mm～
?7900mm时，操作较为平稳。80年代后一般为?8200mm左右。90年代初期，最大的焦炭塔是美国Chevron公司Pascagoula炼油厂的延迟焦化装置，焦炭塔为西8300mm?33500mm。1998年该公司为印度设计的6.70Mt/a延迟焦化装置，有8个?8350mm的焦炭塔。
?8840mm?36576mm的焦炭塔也正在建设中，?9200mm?36000mm的焦炭塔已在运转。随着机械设计和水力除焦技术的进步，该公司可能设计?12192的焦炭塔。由美国Bechtel公司承包，采用Conon公司技术建设并投产的Sweeny炼厂的延迟焦化装置为二炉四塔，焦炭塔为?9000mm×39000mm，重476t。而在加拿大的Syncor油砂加工厂的延迟焦化装置，为四炉八塔，每个焦炭塔为?12200?30000mm。虽然较大焦炭塔的设计能减少因配合特殊渣油加工所需焦炭塔个数，显著提高投资效益，但其寿命受到限制。因此，美国Lummuns公司建议焦炭塔尺寸为?8200mm～?8500mm较为合适。20世纪50-80年代，我国延迟焦化装置的焦炭塔基本上为?5400mm左右，1989年锦州石化1.0Mt/a延迟焦化装置的焦炭塔为2000年上海金山石化1.0Mt/a延迟焦化装置的焦炭塔为?8400mm?3388lmm。2002?6100mm。
年上海高桥石化1.4Mt/a延迟焦化装置的焦炭塔达到?8800?35387mm，是目前我国已投产的最大焦炭塔。
焦炭塔是延迟焦化装置的主要设备，主要由塔体和裙式支座组成，直径一般在5～8m，高度在20～30m之间。近年来，由于设备的不断大型化，直径超过8m，高度超过30m的塔设备也有不少相继投入使用。焦炭塔实际上是一个大的反应器，属于薄壁容器，整个塔体为直立圆筒，是多节由钢板卷焊的筒节组成。上部约占总高的1/3是泡沫段，下部是生焦段，其结构简图参见图1.1。焦炭塔没有什么内部构件，在塔顶的半球形封头上，向上开有除焦口，筒体下段在靠近裙座处开有一个预热油气和瓦斯进口，在塔体的60℃锥体下封头的下端设有为排焦用的大开口，大开口由铬钼钢底盖通过法兰螺栓来开启，底盖正中是进料弯头入口，整个塔体由支撑式裙座支撑。焦炭塔的结构简图见图1.1。
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图2.1焦炭塔的结构简图
2.2焦炭塔的操作工况
焦炭塔的工作状况为有规律的间歇式周期性连续生产，每个生产周期为48小时， 焦化期约为24小时，在该期间工作温度约保持300-460℃，焦化期完成以后和除焦期间的工作温度接近常温。其生产操作一般步骤为：
试压：250℃的蒸汽从塔底锥体进入焦炭塔，先从塔顶进入沉降池，以赶净塔内空气，然后密闭试压至0.24MPa。此时，塔壁温度约200℃左右，时间2小时。
预热：430℃底油气经挥发线从塔顶进入预热塔，待压力缓慢平衡后，油气改从循环线经堵焦阀进入塔内继续预热，油气上升至塔顶经挥发线进入分馏塔内，冷凝下来的油经甩油线进甩油灌至分馏塔，时间约为6小时，最终温度为360℃。
生产：当预热温度达360℃，塔底油已经甩净，高温油气停止进塔，四通阀由老塔翻到新塔，485-490℃高温原料从塔底进入焦炭塔中生焦，反应生成的焦炭逐渐积累，430℃的油气从塔顶进入分馏塔，在塔顶油气出口处注入200℃的蜡油(8吨/时)作为急冷油，防止挥发线生焦，生焦时间为24小时。
切换：当焦炭塔生焦达24小时后，四通阀翻到另一塔的进料线，终止本塔的进料。 小量吹气：在四通阀切换后，立即通过1寸的小阀吹入蒸汽(2吨/时)，时间为1小时，主要是为了将焦炭塔中的残留油气吹入分馏塔进行回收利用。
大量吹气：小量吹气后，吹入240℃的过热蒸汽(7吨/时)，时间为4小时，主要是为进一步把焦炭中的残留油气吹入放空系统，以保证挥发少，还可以把焦炭塔内温度降至310℃，起到冷焦作用。
冷焦：大量吹气后，将小量冷焦水引入塔底，小量冷焦水全部汽化，从塔顶进入放空系统，经冷却后循环使用。待温度及压力降低后，再缓慢加大水量，直至冷焦水装满，焦
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炭塔冷焦水不再汽化时，塔顶油放空系统改至沉降池，塔顶温度降至80℃时，停泵不再给水，进入泡焦阶段，此过程时间为4小时。
放水：在除焦前约1.5小时，打开塔顶挥发线上的呼吸阀，开始从塔底往沉降池放水。 除焦：水放完后，开始卸塔顶、底盖，启动高压除焦，时间为2小时。 除焦后：上好塔顶、底盖，试压后进入下一生产周期。
由上述焦炭塔操作工况可以总结出其工艺特点主要有：①间歇操作，一个循环周期需48小时。②反复进行加压和卸压，其压力呈周期性波动，波动范围为0～0．24MPa。 ⑨操作温度发生周期性大幅度变化，在冬天尤甚，波动范围从常温到415。C。④除焦时，高压水对器壁有猛烈冲击。⑤除焦时先从上向下钻孔，再从下向上除焦，此时塔器是头重脚轻，对设备不利，易造成塔体倾斜，各方向壁面受力不均。⑥塔上部为泡沫段，约6～7米高为空塔。⑦塔内反应是一相变过程，从进料时液态到吹汽冷却，介质从液态变成固态焦炭。因此，焦炭塔的塔壁受力情况十分复杂。
世界石油产品需求结构的总体趋势是，重油需求量持续下降，汽煤柴等发动机用液体轻质燃料需求量增加，同时重质油和超重质油的开采量增加。因此，进入21世纪， 重质油及渣油的轻质化更是当今世界炼油工业的重要课题。焦化工艺是一种重要的渣油热加工过程。它以渣油为原料，在高N(500～505℃)Y进行深度热裂化反应。延迟焦化是渣油在炉管内高温裂解并迅速通过，将焦化反应“延迟”到焦炭塔内进行的工艺过程，并且因此而得名。目前提高重油深度，增加轻质油品产量的主要技术仍然是焦化、渣油催化裂化和渣油加氢处理等。其中焦化工艺已成为一种成熟的重油热加工方法，无论在投资、操作费用上，还是在技术可靠程度，原料的适用性和转化方面都具有优势，国内外的炼油企业都把焦化技术作为重油加工的重要手段。
焦炭塔是延迟焦化装置中的关键设备，一旦失效，将造成严重的经济损失甚至人员伤亡，所以对焦炭塔的研究越来越受到人们的重视。
2.3焦炭塔主要失效形式
国内外许多炼油厂的焦炭塔在使用一定年限后，其下部便有较明显的鼓胀变形，变形最初仅限于底部，随着时间的推移，上部也相继变形，而环焊缝处径向变形相对母材较小，于是造成塔体呈糖葫芦状鼓胀。由于塔体鼓胀，造成局部或全部更换塔体带来的经济损失相当可观。近年来在对全国在役焦炭塔的检测中发现，除塔体鼓胀变形外，裙座角焊缝、塔体环焊缝和堵焦阀接管部位的开裂现象普遍存在，特别是裙座焊缝开裂现象尤为严重。因此，裙座裂纹开裂和塔节的鼓胀变形是焦炭塔的主要失效形式。图2.2筒体裂纹开裂照
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片。
图2.2筒体裂纹开裂照片
2.4压力容器的定义
压力容器，过去又常称受压容器，从广义上来说，应该包括所有承受压力载荷的密闭容器；但在工业生产中，承载压力的容器是很多的，其中只有一部分相对地来说比较容易发生事故，而且事故的危害性比较大。所以许多工业国家都把这类容器作为一种特殊设备，需要由专门机构进行安全监督，并按规定的技术管理规范进行设计、制造和使用。这样的一种作为特殊设备的压力容器，当然需要划定一个界限范围，不可能也没有必要将所有承载压力的容器都作为特殊设备。在工业上，一般所说的压力容器，就是指这一类作为特殊设备的容器。
关于压力容器的界限范围，目前国际上也还没有一个完全统一的规定。不过既然压力容器指的是那些比较容易发生事故、特别是事故危害比较大的特殊设备，那么它的界限范围就应该从发生事故的可能性和事故危害的大小来考虑。一般来说。压力容器发生爆炸事故时，其危害的严重程度与容器的工作介质、工作压力以及容积有关。
根据劳动部1990年颁布的《压力容器安全技术监察规程》的规定，该规程适用于同时具备下列条件的压力容器：
(1)最高工作压力大于等于0.1MPa；
(2)内直径大于等于0.15m，且容积大于等于0.025；
(3)介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 压力容器主要由下列部分组成：
(1)壳体：为贮存物料或完成热交换、化学反应提供密闭压力空间； (2)连接件：连接筒体与封头、接管与外部管道等；
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