摘要：理論上解釋了焦炭塔的變形規(guī)律：塔體下錐體環(huán)焊縫以上第二道至第四道圈板之間變形最大。塔體環(huán)焊縫處變形較小，多年來(lái)基本無(wú)變化。塔體變形每個(gè)筒節(jié)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(shí)間后有較大變形的機(jī)理。
　　關(guān)鍵詞：焦炭塔，膨脹變形。
　　
　　焦炭塔的膨脹變形是一個(gè)普遍的現(xiàn)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(guò)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(guī)律如下：
　　(1)塔體下錐體環(huán)焊縫以上第二至第四道圈板之間變形最大。
　　(2)塔體環(huán)焊縫處變形較小，多年來(lái)基本無(wú)變化。
　　(3)塔體變形每個(gè)筒節(jié)有“C”形的，也有“ε”形的，前者居多【2】。
　　對(duì)焦炭塔的變形機(jī)理，國(guó)內(nèi)外研究者持不同意見(jiàn)。針對(duì)此現(xiàn)狀，我們通過(guò)多年來(lái)實(shí)踐和理論研究，并結(jié)合已有的研究成果，對(duì)焦炭塔變形機(jī)理作如下分析：
　　(1)首先建立研究模型，取下錐體上數(shù)第二筒節(jié)為研究對(duì)象。取筒體的一小部分進(jìn)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(yīng)力，則只要在徑向存在較小的徑向應(yīng)力就可以使筒壁彎曲。此時(shí)的彎曲變形為彈性變形，且變形外形應(yīng)為一個(gè)半波，在筒節(jié)中心鼓凸最大。焦炭塔在從塔底預(yù)熱時(shí)，塔壁由于受熱膨脹向外鼓凸（據(jù)有關(guān)資料介紹，焦炭塔進(jìn)料時(shí)筒體從常溫升到475℃，熱膨脹引起軸向伸長(zhǎng)，整個(gè)塔體可伸長(zhǎng)119mm，直徑鼓脹30mm），但由于受到約束，筒壁上產(chǎn)生了很大的應(yīng)力。
　　(2)在升溫以及進(jìn)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(jié)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(tái)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(yīng)力；由于環(huán)焊縫比塔壁要厚一些，環(huán)焊縫的溫度梯度要小一些，所受熱應(yīng)力要小一些，其單位長(zhǎng)度的膨脹量比筒壁的要小，因而塔體徑向的膨脹受到環(huán)焊縫和加強(qiáng)圈的約束，在其內(nèi)部產(chǎn)生了較大的徑向應(yīng)力，而且預(yù)熱時(shí)塔內(nèi)外壁溫差最大，此時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也最大。由
　　于徑向熱應(yīng)力是由于筒體的徑向熱膨脹受到約束而產(chǎn)生的，因此在約束越大

　　圖2厚壁單個(gè)半波膨脹變形的形成示意圖
　　Fig2SingleHalf-waveBallooningDeformationofThick-wall
　　的地方，徑向熱應(yīng)力也越大。所以在靠近環(huán)焊縫附近的筒體母材所受的應(yīng)力較遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的母材所受的熱應(yīng)力為大。靠近焊縫處的母材由于所受熱應(yīng)力較大，而且焊接熱影響區(qū)材料的力學(xué)性能較差，該應(yīng)力易超過(guò)其屈服極限，必將首先在焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生屈服變形，如圖2中b)所示白色部分所示；筒節(jié)的中間部位仍保持彈性，它們?cè)趶较驘釕?yīng)力及內(nèi)壓的作用下發(fā)生彈性彎曲變形，如圖2中b)黑色部分所示。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，筒壁溫度升高，熱應(yīng)力由于溫差的減小而有所下降，但在徑向熱應(yīng)力和內(nèi)壓作用下，筒節(jié)仍有彈性彎曲變形。溫度升高時(shí)材質(zhì)的屈服強(qiáng)度下降，彈性變形所儲(chǔ)存的能量有部分將以塑變的形式釋放。由于發(fā)生了塑性變形，必然產(chǎn)生塑變硬化，使得材料的高溫屈服強(qiáng)度有所升高。同時(shí)熱應(yīng)力由于得到部分釋放，就不足以繼續(xù)使筒壁發(fā)生塑變。隨后在除焦時(shí)間段隨著溫度降低，由于筒壁的熱膨脹系數(shù)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(gè)熱套管，也會(huì)使筒體在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生壓縮塑性變形（實(shí)際上，相對(duì)于常溫狀態(tài)仍為拉伸變形--即膨脹）這樣在宏觀上筒節(jié)就向外產(chǎn)生了一個(gè)半波的鼓凸，（如圖2中c)所示。在以后的工作循環(huán)中，熱應(yīng)力不會(huì)增加，因而難以再使發(fā)生了塑變的筒壁在高溫下屈服，變形量不會(huì)增加。但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，材質(zhì)中強(qiáng)化相珠光體發(fā)生球化后，使得屈服強(qiáng)度，尤其是高溫屈服強(qiáng)度下降。即經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，筒壁材質(zhì)又會(huì)發(fā)生塑性變形，使得變形得以進(jìn)一步的發(fā)展。隨著循環(huán)次數(shù)的增加以及材質(zhì)老化程度的加劇，塑性變形累積的結(jié)果，最終使得筒壁變形愈加嚴(yán)重。實(shí)際上，由于焦炭塔在高溫的停留時(shí)間長(zhǎng)，約為24小時(shí)（以48小時(shí)的生產(chǎn)周期計(jì)），焦炭塔同時(shí)也受高溫蠕變變形的影響。蠕變變形的程度和材質(zhì)的老化程度、應(yīng)力載荷、工作溫度有關(guān)。由于這一部分筒節(jié)所承受的應(yīng)力較大，相應(yīng)的蠕變變形的程度也較大。同時(shí)，由于使用過(guò)程中，下部筒節(jié)材料的高溫屈服強(qiáng)度因塑變強(qiáng)化而暫時(shí)升高，而沒(méi)有產(chǎn)生塑性鼓凸變形的上部筒節(jié)高溫屈服強(qiáng)度的降低，上部筒節(jié)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(jié)發(fā)展。對(duì)于“ε”形變形，在這里也可以給合理的解釋。當(dāng)焦炭塔筒節(jié)寬度較大時(shí)或綜合應(yīng)力水平較低時(shí)或材料彈性性能較好時(shí)，筒節(jié)中部就會(huì)以彈性形變作周期性變化，而焊縫附近在不斷產(chǎn)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(yùn)行8年后，焦炭的第二及第三筒節(jié)仍然產(chǎn)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(gè)半波形式的鼓凸，與本模型相符合【4】。
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