焦炭塔在定期檢驗中應注意的問題

曾鳴

（漢中市特種設備檢驗所 723000）

焦炭塔在定期檢驗中應注意的問題

曾鳴

（漢中市特種設備檢驗所 723000）

延遲焦化是將渣油經(jīng)深度熱裂解轉化為氣體和烴、中質餾分油及焦炭的加工過程，是煉油廠提高輕質油采收率和生產(chǎn)石油焦的主要手段，而焦炭塔就是延遲焦化裝置中必不可少的一種重要設備[1]。隨著煉化裝置大型化的發(fā)展，焦化裝置焦炭塔的直徑也相應增大，國內(nèi)設計制造焦炭塔的最大直徑已達9.8m，材質的等級也相應提高，但由于焦炭塔的工作溫度高，工作周期長和溫度變化大等原因，造成焦炭塔在工作中要承受較高的溫度疲勞應力，容易造成焦炭塔的整體失效。因此在定期檢驗中熟練掌握焦炭塔的失效特點和采用正確的檢驗手段就顯得尤為重要。

1 焦炭塔的失效形式及特點

掌握焦炭塔的失效特點，是提高焦炭塔檢驗水平的關鍵，只有全面了解焦炭塔的失效特點，才能有針對性的制定檢驗方案，才能保證焦炭塔的檢驗水平。焦炭塔的主要失效形式有以下幾個方面：

1.1 開裂

焦炭塔的局部開裂是焦炭塔的主要失效形式之一，開裂主要發(fā)生在以下幾個方面：

（1）焦炭塔的裙座開裂。這是因為焦炭塔工作中，溫差應力造成的疲勞開裂。裙座焊縫開裂是從角焊縫的根部起裂，最后貫穿焊縫。

（2）焦炭塔塔體焊縫的開裂。理論上焦炭塔塔體焊縫的開裂主要是焊縫內(nèi)部缺陷擴展和冷卻或停工時的應力腐蝕造成的，其開裂主要發(fā)生在上部。實際檢驗中發(fā)現(xiàn)，其開裂主要發(fā)生在上部。主要是塔底部的結焦層對焦炭塔塔體有很好的保護作用，這層結焦在高溫時保護塔體不受高溫硫的腐蝕，在低溫時不受濕H2S應力腐蝕侵害。焦炭塔上不主要為輕組分的含硫油氣，對焦炭塔塔體構成腐蝕，因此開裂多發(fā)生在上部。

1.2 鼓凸與偏斜

使用多年的焦炭塔都有不同程度的鼓凸和偏斜發(fā)生，這是因為當塔內(nèi)物料由480℃左右冷卻到環(huán)境溫度過程中，水自軸向流入塔內(nèi)造成塔體軸向溫度梯度，而產(chǎn)生熱應力。當軸向溫度梯度大于5.6℃/25mm時，產(chǎn)生的熱應力可大于塔體材料的屈服極限，這一過程在塔體冷卻到環(huán)境溫度后又循環(huán)發(fā)生，在冷卻和加熱的過程中塔的載荷在48h內(nèi)有空載（200t）升到滿載（900t）。長期操作的焦炭塔經(jīng)反復冷卻，反復加熱及載荷反復變化而產(chǎn)生變形，導致塔體的環(huán)向鼓凸和破裂。由于焦炭塔的鼓凸與偏斜在測量時缺乏基準，目前又無統(tǒng)一的測量標準，因此很難通過測量結果判斷焦炭塔在工作中產(chǎn)生的鼓凸與偏斜到底有多大，這是焦炭塔檢驗中的難點之一。

1.3 材質變異

焦炭塔長期使用在400～475℃的高溫環(huán)境下，早期的焦炭塔制造材料主要為20G、20R材料，這種材料的使用性能隨著溫度的升高，其力學性能將會下降，特別是其高溫強度下降明顯。其內(nèi)部組織會發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)球化、石墨化傾向，也降低了材料本身的強度和疲勞壽命，因此高溫操作條件下焦炭塔筒體材料的損傷和變異問題，在焦炭塔中是值得注意的一個問題。

1.4 焦炭塔下蓋的變形

焦炭塔的下塔蓋是焦炭塔的重要部件。在高溫和頻繁的操作過程中，下塔蓋極易發(fā)生變形，導致密封不嚴，如工作中下塔蓋發(fā)生泄漏，將造成極其嚴重的后果。

2 焦炭塔的定期檢驗

根據(jù)焦炭塔的失效型式和特點，在定期檢驗中應采取有針對性的檢驗方法進行檢驗。

2.1 資料審查

焦炭塔的資料審查常規(guī)設計、制造和安裝資料，使用登記資料，運行資料、歷年的定期檢驗、停工檢修記錄、主要零部件的更換記錄等項目外，重點應掌握焦炭塔的運行時間和運行次數(shù)。認真分析焦炭塔的工藝流程、使用工況及結構特點，制定行之有效的檢驗方案。

2.2 宏觀檢驗

（1）檢查焦炭塔的所有接管角焊縫，尤其是堵焦閥的接管角焊縫。檢查有無明顯變形和開裂。

（2）檢查焦炭塔裙座有無開裂。

（3）用目視和鋼板尺結合，檢查焦炭塔是否發(fā)生鼓凸變形，檢查重點是焦炭塔的裙座以上部位。

（4）檢查基礎是否下沉、塔體是否傾斜、注意觀察保溫層是否有潮濕、變色、漏氣、漏液的痕跡以及保溫層的完好程度。

2.3 壁厚測定

壁厚測定，一般采用超聲波測原方法，測定位置應當有代表性，有足夠的測點數(shù)。應以泡沫段以上部位，包括塔體筒節(jié)、球形封頭、上部的鉆焦口、油氣出口、安全閥接口、開工線口等接管為重點測量部位。測定后標圖記錄，對異常測厚點做詳細標記。

2.4 無損檢測

焦炭塔無損檢測以表面檢測為主，超聲波檢測為輔，重點無疑是裙座角焊縫及堵焦閥與筒體連接的接管角焊縫的表面無損檢測，焦炭塔內(nèi)壁上部的焊縫和熱影響區(qū)也有可能因為應力腐蝕等原因出現(xiàn)裂紋，也應全面進行表面無損檢測?？蚣芎蜆嫾闹吸c部位、裙座柔性槽及U型槽也是重點部位。

2.5 硬度測定和金相檢驗

（1）焦炭塔的硬度測定

硬度測定是壓力容器定期檢驗中的重要檢測手段之一。焦炭塔在長期運行過程中，由于球化等使材料變異，會導致材料的性能下降，反映在硬度測定結果中，就是硬度值降低。而焦炭塔運行中的熱棘輪效應造成的局部屈服，反映在硬度測定結果中就是硬度值升高。裙座以下部位和鼓凸明顯的部位是硬度測定的重點。

（2）焦炭塔的金相檢驗

金相檢驗是檢測金屬材料的中重要手段之一。在使用過程中，材料會發(fā)生球化變異。金相檢驗是檢查并判斷其材質是否正常，在使用中有無發(fā)生變異，以及變異程度的直接手段。在焦炭塔現(xiàn)場檢驗時應在所有有代表性的部位選取測點，以求全面了解焦炭塔的材質情況，對材料組織進行評級。

2.6 應力分析及熱應力計算

熱應力計算是焦炭塔壽命及安全評估的重要工作。應力分析分為局部應力分析和整體應力分析，局部應力分析工作量小、成本低、但是結果代表性不強，整體應力分析可以進行焦炭塔操作工程中各階段的溫度場分布、載荷、應力分析以及對焦炭塔的壽命進行評估。

整體應力分析建立模型時，對焦炭塔各部位分別進行應力分析，模型中包括與下椎體相連的兩個筒節(jié)、筒節(jié)與筒節(jié)、筒節(jié)與下椎體間用焊縫連接的部位，建模時還應考慮包裹在塔壁外邊的保溫材料。計算中根據(jù)塔壁溫度場的軸對稱假設，其位移、應力及應變場是軸對稱的要進行分析。應力分析主要有以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）塔壁溫度場及熱應力計算。該項計算包括塔壁在整個操作過程中溫度場的變化及由于溫度導致的熱應力，包括裙座與椎體對接形式和整體結構形式的計算，并對二者的熱應力情況進行比較；

（2）機械應力?？紤]結構在內(nèi)壓、自重、介質重量、風載和地震載荷作用下的應力情況；

（3）塔壁組合應力的計算。計算塔壁的熱應力和機械應力共同作用下的應力情況，考察危險點處的總應力是否達到許用應力，對塔壁進行穩(wěn)定性分析；

（4）裙座組的應力計算。計算操作各階段裙座危險界面的最大軸向壓應力，進行熱穩(wěn)定性校核；

（5）根據(jù)溫度分布計算的結果作為輸入條件，對塔體進行彈性及塑形計算，同時進行低循環(huán)熱疲勞計算。

[1]強天鵬.壓力容器檢驗[M].北京：新華出版社，2008，5.

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1004-7344（2016）03-0200-01

2016-1-10