焦炭塔披掛式保溫局部超溫原因分析及對策

王永譽(yù)

(中國石油化工股份有限公司九江分公司，江西 九江 332004)

1 焦炭塔保溫的特點(diǎn)

焦炭塔保溫對焦化裝置的操作和焦炭塔壽命的影響至關(guān)重要。根據(jù)資料介紹，焦炭塔內(nèi)介質(zhì)溫度每降低5.6 ℃，液體收率將下降1.1%，故不少煉油廠都很重視焦炭塔的保溫。同時，對降低能耗，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益也發(fā)揮很大作用［1］。但焦炭塔保溫要滿足某些要求以便適用焦炭塔的工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(1)焦炭塔是一種承受低頻熱循環(huán)的壓力容器，操作溫度高達(dá)450～500 ℃，且周期性變化。其生產(chǎn)工藝要求焦炭塔要在20 h 內(nèi)完成從常溫至500 ℃的循環(huán)升降，溫度的周期性變化，會引發(fā)焦炭塔殼體熱脹冷縮的周期性變化。

(2)由于焦化裝置的大型化，焦炭塔的用材已由20g 改為Cr-Mo 鋼。為防止弧坑、咬邊、焊點(diǎn)等形成局部應(yīng)力集中進(jìn)而在熱循環(huán)條件下成為裂紋源，經(jīng)過熱處理后的焦炭塔塔壁不允許施焊任何附件，如保溫釘、支持圈等。

(3)焦炭塔運(yùn)行到一定生產(chǎn)周期可能會出現(xiàn)裂紋缺陷，因此每到裝置停工大修時都要進(jìn)行適當(dāng)檢查。除按壓力容器有關(guān)規(guī)定檢驗(yàn)外，還需對部分區(qū)域做裂紋檢查，所以焦炭塔的保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足易拆卸和易恢復(fù)的要求。

(4)焦炭塔保溫結(jié)構(gòu)必須自成一體，不在塔體上焊接生根，做到不因溫度周期變化而裂開、破損，具有良好的保溫效能［2］。

2 焦炭塔保溫結(jié)構(gòu)及局部超溫現(xiàn)象

2.1 保溫結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

中國石油化工股份有限公司九江分公司(中石化九江分公司)焦化裝置有兩臺焦炭塔，規(guī)格為φ8 400 mm×34 100 mm。建成初期，結(jié)合焦炭塔保溫的特點(diǎn)，外保溫采用淄博北岳設(shè)備防護(hù)工程公司的披掛式保溫技術(shù)［3］。中石化九江分公司焦炭塔披掛式保溫結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，內(nèi)外背帶示意圖見圖2。

圖1 披掛式保溫結(jié)構(gòu)示意

圖2 內(nèi)外背帶示意

披掛式保溫結(jié)構(gòu)，通過采用內(nèi)外背帶組合件承受保溫層及其附件的全部重量，與塔體分離，不直接在塔體上施焊任何附件，完全滿足焦炭塔軸向、徑向熱脹冷縮而保溫層不破損、不失效的要求，保溫層表面溫度不能比周圍大氣溫度高50 ℃以上。

披掛式保溫結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按國家相關(guān)保溫板(氈、毯)材規(guī)范施工、布層合理、搭接縫和塞縫填實(shí)，有效的防止熱量從保溫層搭接縫處擴(kuò)散。

為防止透氣和對流損失，在保溫板外面再涂復(fù)合硅酸鹽涂料(俗稱海泡石)，保溫板和涂料總保溫厚度通常為120～150 mm。

披掛式保溫層的外表面加裝鋁合金瓦楞板保護(hù)板，以防止雨水、除焦水或油污水及風(fēng)的侵襲。選用鋁合金瓦楞板而不選用常用的鍍鋅板做外保護(hù)層，主要有以下原因:

(1)瓦楞板比平板更能適應(yīng)殼體周向的反復(fù)脹縮，減少護(hù)板連接處的鋁鉚釘脫落的可能性。

(2)采用鍍鋅板的缺點(diǎn)是，連接用的鋁鉚釘孔易腐蝕(包括鐵板的腐蝕和Fe-Al 的電偶腐蝕)，鋁鉚釘在反復(fù)脹縮的影響下易脫落。

(3)鋁合金瓦楞板與鍍鋅鐵皮瓦楞板總造價相差不大。雖然鋁合金瓦楞板的單價是鍍鋅板的3 倍，但鋁的密度約是鍍鋅板的1/3，且用了鋁合金瓦楞板可以省掉外層涂漆作業(yè)。

2.2 裙座與錐體連接處保溫

當(dāng)采用堆焊結(jié)構(gòu)時，裙座與錐體連接處由于焊接應(yīng)力較大，加上溫差力的影響，當(dāng)達(dá)到一定的操作周期后，該處極易產(chǎn)生裂紋。為了便于檢查，該處的保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)是可拆式的。美國石油學(xué)會(API)1996 年至1998 年曾對145 臺焦炭塔作調(diào)查，收集到調(diào)查報告的40%主張裙座處的保溫應(yīng)是可拆卸式的，以便于檢查裙座裂紋。

2.3 局部超溫現(xiàn)象

中石化九江分公司兩臺焦炭塔外保溫自2006 年1 月投用到2013 年5 月這段時間里，雖有局部超溫現(xiàn)象，但無大面積超溫嚴(yán)重現(xiàn)象，總體保溫效果良好，在中石化系統(tǒng)內(nèi)屬于保溫效果較好的。2013 年5 月延遲焦化車間發(fā)現(xiàn)焦炭塔存在局部超溫現(xiàn)象，機(jī)動處立刻組織人員對焦炭塔的21，27，33 和38 m 平臺約100 m2的區(qū)域進(jìn)行熱成像測量，選取表面溫度集中較高的點(diǎn)進(jìn)行記錄分析，同時對比環(huán)境溫度(28 ℃)，找出焦炭塔表面溫度的分布及高溫部位的位置。相關(guān)數(shù)據(jù)記錄見表1 和表2。

表1 焦炭塔東塔溫度現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

表2 焦炭塔西塔溫度現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

按照新的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8174—2008《設(shè)備及管道絕熱效果的測試和評價》中有關(guān)規(guī)定，保溫層表面溫度不得大于環(huán)境溫度+25 ℃，即28 ℃+25 ℃=53 ℃，而上述表格中所測溫度普遍高于53 ℃，因此按照規(guī)范應(yīng)當(dāng)進(jìn)行保溫修復(fù)。

那條繁花似錦的寬闊大道果然不見。大道的中間，立著粗礪的水泥墩。它粗暴地從頭延伸到尾，仿佛一個個板著面孔的小矮人，生硬而冷漠地拒絕一切行人橫過馬路。人行橫道線自然也是沒有了。阿東轉(zhuǎn)了半天，發(fā)現(xiàn)果然無奈。所有的路口被封死，主道和輔道全跑汽車。連自行車和三輪車也都沒有了自己可行的路徑。行人過馬路，只能走地下通道。健康人走此路尚且可以，老弱病殘卻委實(shí)難行。至于用輪椅的殘障人士，根本就無路可走。阿里推著羅爹爹的確難以順暢抵達(dá)東湖。

3 局部超溫原因分析

經(jīng)現(xiàn)場檢查并查閱資料判定，焦炭塔局部超溫現(xiàn)象主要有以下原因:

(1)從超溫現(xiàn)場來看，焦炭塔表面超溫部位呈環(huán)狀分布，焦炭塔保溫材料支撐圈有2.5m 的間距，每層由3 組鋁鎂質(zhì)保溫棉疊加，通過束緊帶固定，焦炭塔在給水給汽的操作時，塔本體振動較大，從而導(dǎo)致內(nèi)部雙層硅酸鹽保溫材料向下滑落，保溫效果變得相對較差。

(2)焦炭塔運(yùn)行伴隨的振動造成部分保溫材料變形，導(dǎo)致保溫材料聯(lián)接處縫隙變大;周期性預(yù)熱和冷塔交替操作，造成焦炭塔本體周期性的膨脹和收縮，加劇了保溫層內(nèi)部的擠壓和變形，使得部分保溫材料失效。

(3)焦炭塔表面鋁合金瓦楞板連接失效，存在雨水滲入，造成保溫層內(nèi)部鋁鎂質(zhì)吸水，經(jīng)過焦炭塔近450 ℃高溫烘烤引起鋁鎂質(zhì)變質(zhì)，粉化失效。

4 局部超溫對策

針對本次焦炭塔外保溫出現(xiàn)的局部超溫問題，經(jīng)討論決定升級更換保溫技術(shù)方案。

4.1 主要工程

焦炭塔超溫區(qū)域鋁合金瓦楞板保護(hù)層定點(diǎn)拆除更換，焦炭塔保溫外背帶結(jié)構(gòu)拆除更換，焦炭塔防潮層拆除更換，不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)拆除更換，保溫層拆除更換，內(nèi)背帶結(jié)構(gòu)修復(fù)。

4.2 處理步驟

(1)保溫層拆除。①鋁合金瓦楞板拆除→②外背帶拆除→③防水層拆除→④不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)拆除→⑤保溫結(jié)構(gòu)拆除。

(2)保溫層安裝。①內(nèi)背帶結(jié)構(gòu)修復(fù)→②保溫結(jié)構(gòu)安裝→③不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)安裝→④防水層安裝→⑤外背帶結(jié)構(gòu)安裝→⑥鋁合金瓦楞板結(jié)構(gòu)安裝。

4.3 主要施工方法和技術(shù)要求

焦炭塔保溫內(nèi)外背帶鋼結(jié)構(gòu)采用零件化預(yù)制和現(xiàn)場組對焊接的方法，硅酸鋁針刺毯、憎水型復(fù)合硅酸鹽棉、鋼絲網(wǎng)運(yùn)送到現(xiàn)場后做好圍護(hù)、遮擋防雨防潮措施。

(1)內(nèi)背帶結(jié)構(gòu)修復(fù)。①首先檢查項(xiàng)圈的牢固性，并進(jìn)行加固。②檢查支撐板結(jié)構(gòu)的牢固性，并進(jìn)行加固。③檢查保溫釘?shù)睦喂绦?，并進(jìn)行追加及加固。④檢查背帶的牢固性，并進(jìn)行加固。⑤拉簧更換。⑥不銹鋼束緊帶進(jìn)行束緊。

(2)保溫結(jié)構(gòu)的安裝。①50 mm 硅酸鋁針刺毯鋪設(shè)，拼縫，使縫隙控制在2 mm 以內(nèi)(規(guī)范GB50126—2008《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程施工規(guī)范》要求為不大于5 mm)。②50 mm 憎水型復(fù)合硅酸鹽板材分2 層進(jìn)行鋪設(shè)，做到同層錯縫，且縫隙控制在2 mm 以內(nèi)，上下層壓縫，搭接長度為200 mm。③硅酸鋁針刺氈和憎水型復(fù)合硅酸鹽板從支撐板開始，自下而上拼裝，同時各層表面要進(jìn)行找平和嚴(yán)縫處理。

(3)不銹鋼絲網(wǎng)和束緊帶安裝。不銹鋼絲網(wǎng)應(yīng)緊貼保溫層敷設(shè)，接縫處用鋼筋鉤擰花。松動處使用鋼筋鉤處理平整。檢驗(yàn)合格后使用30 mm×0.5 mm 不銹鋼帶按照間距1.5 m 逐層環(huán)向敷設(shè)捆扎，并用打包扣鎖緊。

(4)防潮層的安裝。①防潮層施工前應(yīng)確保保溫層外表面清理干凈、保持干燥、平整均勻，不得有凸角、凹坑等現(xiàn)象。②保溫棉外表面逐層纏繞玻璃絲布，防水劑涂抹結(jié)構(gòu)所采用的玻璃纖維布選用經(jīng)緯度為10 ×10 根，膠泥涂抹厚度為2～3 mm。③玻璃絲布的環(huán)向纏繞搭接寬帶為300 mm。

(4)保護(hù)層的安裝。①金屬保護(hù)層的材料，采用鋁合金板，厚度δ=0.75 mm;封頭為平板，筒體為瓦楞板。②鋁合金瓦楞板下料，應(yīng)按設(shè)備外形的尺寸進(jìn)行排版拼樣。應(yīng)采用機(jī)械切割，不得用火焰切割。③設(shè)備的絕熱層，其金屬保護(hù)層應(yīng)自下而上進(jìn)行敷設(shè)，預(yù)留100 mm 的膨脹量。環(huán)向接縫宜采用搭接，尺寸50 mm。縱向接縫搭接尺寸應(yīng)為一個波谷。④使用抽芯鋁鉚釘固定在背帶上，釘間距為200～400 mm。⑤封頭采用瓜瓣下料。⑥封頭處短管與封頭保溫做好搭接順?biāo)幚怼?/p>

5 實(shí)施后效果

對焦炭塔局部超溫區(qū)域?qū)嵤┥壐鼡Q保溫技術(shù)以后，超溫區(qū)域溫度顯著下降并達(dá)到規(guī)范要求。兩臺焦炭塔外保溫局部超溫區(qū)域升級更換保溫前后表面最高溫度對比見表3 和表4(環(huán)境溫度:20 ℃)。

表3 東塔超溫區(qū)域升級保溫前后表面溫度

表4 西塔超溫區(qū)域升級保溫前后表面溫度

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T8174—2008《設(shè)備及管道絕熱效果的測試和評價》中相關(guān)條款的要求，認(rèn)定表面溫度應(yīng)不高于環(huán)境溫度+25 ℃，即20 ℃+25 ℃=45 ℃。通過表3、表4 可看出，超溫區(qū)域保溫升級更換后，表面最高溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了設(shè)備防護(hù)的效果。

6 結(jié)束語

焦炭塔披掛式保溫結(jié)構(gòu)是一種為焦炭塔量身打造的較為成功的保溫結(jié)構(gòu)，但由于實(shí)際的運(yùn)行工況的特殊性，仍會出現(xiàn)局部超溫現(xiàn)象，需要我們不斷地從實(shí)踐中尋找解決、完善的方法。針對九江分公司兩臺焦炭塔保溫局部超溫的現(xiàn)象，實(shí)行的超溫區(qū)域保溫升級改造，以較為經(jīng)濟(jì)、合理的方式解決了局部超溫的問題，為企業(yè)的降本增效發(fā)揮了一定的作用。

［1］孫詩琨，郭敏鐸，李鋒.新型背帶式保溫技術(shù)在焦炭塔上的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2005，26(3):22-25.

［2］顧一天，賈桂茹，趙現(xiàn)峰，等.焦炭塔的新型保溫結(jié)構(gòu)［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2005，26(2):7-9.

［3］沈炳岳，吳諄修，李鎮(zhèn)，等.大型鉻鉬鋼塔器背帶式保溫結(jié)構(gòu):中國，01243692.1［P］.2002-04-03.