焦炭塔是延迟焦化装置的关键设备,其采用循环加热和冷却工艺,在苛刻的热力条件下运行。温度波动产生的热应力是其结构失效的主要原因。由于严重的塑性变形和低周疲劳,其在服役过程中通常会产生裂纹。因此,焦炭塔变形严重程度和剩余寿命的评估对焦炭塔的安全运行具有重要意义。国内目前大多采用传统停机检验方法,国外研究机构及检测公司已开始将三维激光扫描应用于检测及寿命分析当中。本文以长期使用的碳钢焦炭塔为研究对象,基于激光扫描方法和应变疲劳试验数据,提出了评价鼓胀焦炭塔的普适性方法,可为在役焦炭塔的寿命评价和检测提供参考。综合考虑多个影响因素对于准确预估焦炭塔的剩余寿命有重要意义。本文主要内容如下:(1)通过内部激光扫描检测,将变形的焦炭塔处理为有限元几何模型。基于动态热边界法对两个大变形区域进行了热力耦合有限元分析,并且与理想几何结构的应力和应变进行了分析和比较。最后得出了不同胀形方式下的应力应变分布水平。与理想几何形状相比,变形区域的最大应力和最大应变分别提高了35%和77%。(2)模拟焦炭塔所经历的复杂加载条件进行了热机械疲劳试验。得到了制备材料的热机械疲劳寿命曲线。采用Coffin-Manson-Basquin关系对焦炭塔的疲劳寿命进行了评估。利用焦炭塔的热机械疲劳性能和激光扫描方法可以获得合理的使用寿命。(3)对焦炭塔变形较大的两个区域施加冷点作用,将其与未变形的焦炭塔模型进行了比较,局部鼓胀区和带状鼓胀区的最大应力增加了10.3%和12.8%,这些模型均产生不同程度的鼓胀,变形模型的鼓胀更为严重。相对于一个冷点,两个冷点轴向排列时两个模型的等效应力均提高。对于变形模型和未变形模型其等效应力均随着冷却水温度的增加而降低,随着进水速度的增加而增加,操作参数对于变形模型的影响更为显著。(4)对焦炭塔施加辐射,发现考虑热辐射时热箱处的温度分布更为均匀。根据实际的激光扫描结果,提出了两种理想简化鼓胀模型,对其分析后发现在鼓胀区域其轴向应力一侧为拉应力,另一侧为压应力,两者共同作用下会产生弯曲应力。鼓胀模型的最大等效应力都随着鼓胀尺寸的增加而增加。