焦碳塔是石化行业延迟焦化工艺的重要设备,由于长期在常温到480℃左右的周期交变温度环境和循环载荷的作用下操作,容易在焊缝部位出现裂纹,长期服役的焦炭塔还会出现鼓凸变形。焦炭塔的强度失效会造成人员伤亡和经济损失,对其进行全面的结构分析和寿命预测具有很大的实际意义和经济价值。为了准确地评价焦炭塔的剩余寿命,本文对实际操作的焦炭塔进行了结构分析,主要针对塔壁温度变化最大的进油生焦和进水冷却过程。根据有限单元法的理论,用ANSYS模拟了这两个过程中塔壁与恒速上升的介质间的动态传热过程,并根据温度场的计算结果用间接耦合法求得了热应力场。对应力场及应变场的分析表明,塔壁外侧在进水冷却阶会产生永久性的塑性变形,焊缝部位处于复杂应力状态,并由于热机械疲劳而导致裂纹产生。复杂应力状态下的热机械疲劳问题是疲劳研究中最复杂的课题之一,目前对这个复杂过程的机制还没有完整性的认识。本文以在役焦炭塔的材料20g制成的带缺口的圆柱型试样作为研究模型,对其进行热机械疲劳总寿命试验;用ANSYS计算试样在不同试验条件下的应力场及应变场,并用当量总应变范围和当量塑性应变范围对材料的热机械疲劳总寿命进行评价,利用疲劳过程的能量概念,尝试用当量塑性应变能密度建立了寿命评价方程;结合焦炭塔结构分析的结果,预测焦炭塔的剩余寿命为24年。对于材料在复杂应力状态下的热机械疲劳裂纹的扩展规律,本文探讨了用J积分对其进行评价的可行性,即直接用数值方法在有限元模型上求得试样在一个载荷循环中J积分变化范围,并以其作为控制参量建立了疲劳裂纹扩展规律经验方程,这为出现裂纹的焦炭塔的疲劳裂纹扩展寿命预测提供了依据。