焦炭塔的易出缺陷及其检验

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摘　要：焦炭塔是炼油厂提高轻质油采收率和生产石油焦的核心设备之一，由于其工作条件，在焦炭塔中容易出现开裂、鼓凸和偏斜、材料变异、下塔盖的变形等缺陷，因此在焦炭塔的检验过程中，对焦炭塔的宏观检验、无损检测、硬度测定和金相检验等。

关键词：焦炭塔 角焊缝裂纹 检验

中图分类号：TQ3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（a）-0091-02

焦炭塔是延迟焦化装置中的核心设备之一，延迟焦化是将渣油经深度热裂化转化为气体和烃、中质馏分油及焦炭的加工过程，是炼油厂提炼高轻质油采收率和生产石油焦的主要手段。其工艺将重油在焦化加热炉中加热后送入焦炭塔中进行焦化反应，把长链烃的环烷烃裂化分解成焦炭和轻油的过程，产品中的焦炭可以直接作为商品应用于冶金、造纸、国放等工业领域，而产品中的轻质油经过氢精制后，柴油质量可以达到要求。焦炭塔是延迟焦化装置中的核心设备之一。图1为焦炭塔的结构示意图。

1 焦炭塔的易出缺陷

1.1　焦炭塔的工作条件

焦炭塔是一种从室温到高温周期性运行的塔器，锅内焦炭塔常用的材质是20g（或20R），筒体高度约在26～30mm左右，直径约在5～7mm之间，壁厚20～36mm，工作介质为渣油（含S）、焦炭、油气、水和水蒸汽。我国的焦炭塔的一般运行周期为48～24h。进油时塔体局部最高壁温超过475℃，介质的温度为495℃，由下至上在393～475℃之间。

焦炭塔在运行完48h一个周期，紧接着开始下一个周期。通常是每两个塔之间进行切换操作，当一个塔处于进油生焦过程中，另一个塔正处于水力除焦阶段，其最低温度只有40℃，最高温度可接近500℃，当进料时，500℃的油渣很快进入预热至250℃的焦炭塔，这时在焦炭塔内外形成极高的温差，温差应力足以使焦炭塔产生局部屈服。焦炭塔在工作中承受的温差疲劳应力，是造成焦炭塔失效的主要原因。其主要失效方式为热机疲劳和蠕变，具体表现为塔体鼓凸、倾斜和焊缝开裂，造成焦炭塔的破坏。其在裙座焊缝和堵焦阀周围容易发生开裂。除了疲劳破坏外，渣油中的硫在焦炭塔中反应生成硫化氢，在常温或焦炭塔停工是对焦炭塔产生应力腐蚀。

1.2　焦炭塔容易出现的缺陷

由于焦炭塔有以上的工作条件，以及焦炭塔本身的特性，焦炭塔容易出现以下几种缺陷。

（1）开裂。

①焦炭塔的裙座开裂。使用超过10年的焦炭塔在定期检验中几乎无一例外地发现焦炭塔裙座角焊缝大量开裂。这是因为在焦炭塔工作过程中，温差应力造成的疲劳开裂。从对开裂焊缝的研究分析中发现，裙座焊缝开裂是从角焊缝的根部起裂的裂纹在焊缝中向外逐渐扩展，最后贯穿焊缝，发生过裙座开裂的焦炭塔，在随后的定期检验中几乎每次都能发现新的开裂，就是因为只处理了被贯穿的焊缝，对已经开裂的还未贯穿的焊缝未做处理的缘故。

②堵焦阀焊缝及其周围的开裂。其开裂原因与裙座焊缝的开裂原因相同，只是部位不同而已，其开裂情况也与裙座开裂的情况相似。

③焦炭塔塔体焊缝的开裂。理论上焦炭塔塔体焊缝的开裂主要是焊缝内部缺陷扩展和冷却停工时的应力腐蚀造成的。实际检验中发现，其开裂部位主要发生在上部。内衬不锈钢衬里的焦炭塔，衬里的作用主要是抗高温硫腐蚀，在检验中经常发现其焊缝和热影响区的开裂。

图2为检验出现的裂纹，图3为打磨1mm后的裂纹。

（2）鼓凸与偏斜。

使用多年的焦炭塔都有不同程度的鼓凸或偏斜发生，其原因主要是由于长期操作的焦炭塔经反复冷却、反复加热及载荷反复变化而产生变形，导致塔体的环向鼓凸和破裂。

焦炭塔的鼓凸损伤通常发生在焦炭塔堵焦阀所在的筒体、焦炭塔中部筒体、塔顶上封头环焊缝等部位，这些部位经过一段时间的运行后，他直径变大，造成塔体局部鼓凸。由于焦炭塔的鼓凸与偏斜在测量时缺乏基准，目前又无统一的测量标准，因此很难通过测量结果判断焦炭塔在工作中产生的鼓凸与偏斜到底有多大，这是焦炭塔检验中的难点之一。

（3）材料变异。

焦炭塔长期使用在400～475℃的高温环境下，早期的焦炭塔制造材料主要为20G、20R材料，这种材料的使用性能随着温度的升高，其力学性能将会下降，特别是其高温强度下降明显。当焦炭塔长期处于高温环境下，塔体长期承受高温和应力的作用，其内部组织会发生明显的变化，出现球化、石墨化倾向，也降低了材料本身的强度和疲劳寿命，因此高温操作条件下焦炭塔筒体材料损伤和变异问题在焦炭塔检验中是值得注意的一个问题。

（4）焦炭塔下塔盖的变形。

焦炭塔的下塔盖是焦炭塔的重要部件，在每一次循环中，下塔盖都要打开除焦，除焦后再将下塔盖安装、坚固，塔经过预热后热油渣通过下塔盖中心的进料管进入焦炭塔。在高温和频繁的操作过程中，下塔盖极易发生变形，导致密封不严，如工作中下塔盖发生泄漏，将造成极其严重的后果。

2 焦炭塔的检验

2.1　焦炭塔的宏观检验

根据焦炭塔的失效报废的主要原因，我们在检验工作中有以下几个检验重点。

（1）检查焦炭塔所有的接管角焊缝，尤其是堵焦阀的接管角焊缝。检验有无明显的变形和开裂。

（2）检验焦炭塔裙座角焊缝有无开裂，除检查裙座角焊缝外部之外，还应用内窥镜检查裙座角焊缝的根部。

（3）用目测和钢板尺结合，检查焦炭塔是否发生鼓凸变形，检点是焦炭塔的裙座以上部位。如发生鼓凸变形，应对鼓凸变形量进行测量，并根据检测量结果对焦炭塔进行强度校核。

（4）检查保温系统对于焦炭塔来说是非常重要的，如果保温有损坏，或安装质量有问题，极有可能使焦炭塔产生温差应力。

2.2　焦炭塔的无损检测

除了宏观检验的所有内容外还应包括以下几个方面。

（1）焦炭塔的上部在运行中有发生高温硫腐蚀的可能性，因此应重点进行超声波测厚。

（2）焦炭塔无损检测的重点无疑是裙座角焊缝及堵焦阀与筒体链接的接管角焊缝的表明无损检测；焦炭塔内壁上部的焊缝和热影响区也有有可能因应力腐蚀等原因出现裂纹，也应全面进行表明无损检测。

2.3　焦炭塔的硬度测定和金相检验

（1）焦炭塔的硬度测定。

焦炭塔在长期运行过程中，由于球化等材料变异，会导致材料的性能下降，反应在硬度测定结果中，就是硬度值降低。焦炭塔的裙座以下部位是材料最易球化的部位，应特别注意。如果在检验中发现硬度异常，则必须进行金相检验。

（2）焦炭塔的金相检验。

焦炭塔在使用中材料会发生球化等变异，焦炭塔的金相检验是检查并判断其材质是否正常，在使用中有无变异发生，以及变异程度的直接手段。

参考文献

[1] 固定式压力容器安全技术检测规程[S].

[2] 压力容器定期检验规则[S].

[3] GB-150.1～150.4-2011《压力容器》.