大型焦炭塔的腐蝕分析及防護(hù)措施

丁書(shū)文 梁文彬 趙振新

中海油惠州石化有限公司

世界原油發(fā)展的總體趨勢(shì)是趨向重質(zhì)化和劣質(zhì)化，劣質(zhì)重油的平衡利用與加工是目前世界煉油企業(yè)普遍關(guān)注的重大課題。理論而言，重油輕質(zhì)化有加氫、脫碳兩種途徑[1]，延遲焦化作為脫碳最為徹底的熱裂化工藝，具有投資低廉、操作簡(jiǎn)便、原料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，一直是重油輕質(zhì)化的主要途徑[2]。焦炭塔又稱焦化塔，是渣油發(fā)生焦化反應(yīng)生成輕質(zhì)油品、氣體和焦炭的設(shè)備，屬于延遲焦化裝置的核心設(shè)備。焦炭塔在正常運(yùn)行過(guò)程中承受劇烈的溫度變化，同時(shí)還受到塔本體重力、操作內(nèi)壓、風(fēng)力和除焦載荷的影響，運(yùn)行條件十分惡劣[3-4]。

某煉油廠延遲焦化裝置設(shè)計(jì)加工能力4.2×106t/a，采用兩爐四塔大型化工藝路線，焦炭塔直徑達(dá)到Φ9 800 mm，屬于國(guó)內(nèi)最大的焦炭塔。該塔于2009年4月投入運(yùn)行，2011年10月進(jìn)行首次檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焦炭塔錐段內(nèi)壁進(jìn)料口附近區(qū)域出現(xiàn)大量點(diǎn)蝕坑，內(nèi)壁環(huán)形焊縫處出現(xiàn)許多與焊縫平行的裂紋。2014年10月，再次檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕情況加劇。對(duì)比國(guó)內(nèi)其他焦化裝置，內(nèi)壁焊縫出現(xiàn)裂紋的情況較為罕見(jiàn)，錐段出現(xiàn)大量點(diǎn)蝕坑的情況則屬首例，具有顯著的特殊性。結(jié)合腐蝕檢測(cè)結(jié)果、焦炭塔工況及焦炭塔材質(zhì)對(duì)腐蝕原因進(jìn)行分析，并從工藝操作、材料升級(jí)等方面提出防護(hù)措施，為焦炭塔的設(shè)計(jì)、制造和操作維護(hù)提供借鑒。

1 焦炭塔的基本情況

該延遲焦化裝置焦炭塔直徑為9 800 mm，筒體切線高度23 900 mm，是國(guó)內(nèi)最大的焦炭塔。焦炭塔的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

表1 焦炭塔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of coke drum項(xiàng)目參數(shù)直徑/mm9 800高度/mm33 600/23 900(切)壁厚/mm44/40/36/34/30①+3②/38①+3②容積/m32 152金屬質(zhì)量/kg380 000設(shè)計(jì)壓力/MPa0.415設(shè)計(jì)溫度/℃500 注:①母材厚度;②復(fù)合層厚度。

焦炭塔的操作溫度較高，又處于驟冷驟熱、高壓水沖擊等較為苛刻的操作條件下，易出現(xiàn)塔體腐蝕、鼓包、變形，甚至焊縫開(kāi)裂和塔體傾斜的情況，故焦炭塔的材質(zhì)選擇非常關(guān)鍵。14Cr1MoR鋼是貝氏體組織，沖擊功值更高且穩(wěn)定，對(duì)缺口敏感性小，抗高溫蠕變能力強(qiáng)，耐熱性好。因此，焦炭塔主體材質(zhì)選用14Cr1MoR鋼?？紤]到焦炭塔上部暴露在含硫的腐蝕環(huán)境中，且無(wú)焦炭保護(hù)，焦炭塔上段(自塔頂?shù)脚菽瓕右韵?00 mm處)采用14Cr1MoR+410S復(fù)合鋼板[5]。

焦炭塔采用制造廠整體制造、整體運(yùn)輸和吊裝的安裝方案，筒體縱焊縫采用電弧焊焊接，焊后清根；環(huán)縫采用橫位自動(dòng)埋弧焊接；過(guò)渡段采用整體鍛焊結(jié)構(gòu)代替國(guó)內(nèi)常用的堆焊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可有效降低疲勞裂紋的產(chǎn)生，避免過(guò)渡段開(kāi)裂，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2 焦炭塔的腐蝕情況

在投入運(yùn)行兩年半后，對(duì)焦炭塔進(jìn)行首次檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4臺(tái)焦炭塔均已出現(xiàn)腐蝕情況，下錐段內(nèi)壁出現(xiàn)大量點(diǎn)蝕坑，深度約3 mm，外觀形態(tài)如圖2所示。錐段內(nèi)壁的環(huán)形焊縫出現(xiàn)大量裂紋，深度約3～5 mm，裂紋最大長(zhǎng)度達(dá)1 m，裂紋的外觀形態(tài)如圖3所示，蝕坑和裂紋所處位置如圖4所示。

2014年10月，對(duì)焦炭塔進(jìn)行了第2次全面檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錐段點(diǎn)蝕坑的深度加大，達(dá)到5～8 mm；錐段環(huán)焊縫裂紋數(shù)量增加，部分裂紋連成一體；在塔體中下段未采用410S復(fù)合鋼板的區(qū)域，環(huán)焊縫新出現(xiàn)大量裂紋，裂紋與錐段裂紋相似。

3 焦炭塔的腐蝕分析

3.1 錐體點(diǎn)蝕

3.1.1樣品分析

為準(zhǔn)確判斷出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑的原因，對(duì)點(diǎn)蝕坑取出1個(gè)5 mm×3 mm×6 mm的樣品進(jìn)行分析。

首先，對(duì)樣品進(jìn)行電鏡掃描，低倍觀察點(diǎn)蝕坑的形貌見(jiàn)圖5，可見(jiàn)蝕坑從中間向外布滿了放射狀的裂紋。蝕坑底部及坑內(nèi)的形貌見(jiàn)圖6。圖6中左側(cè)呈韌窩開(kāi)裂，右邊沿晶界開(kāi)裂，底部發(fā)生局部剝落。對(duì)點(diǎn)蝕坑表面進(jìn)行放大觀察，可看到短小、平行的裂紋和沿晶界的較長(zhǎng)裂紋，沿晶界的裂紋還出現(xiàn)分叉，不同的裂紋在發(fā)展、交叉的地方出現(xiàn)凹槽，凹槽中被孤立的部分被工藝介質(zhì)沖刷、剝落后就會(huì)形成1個(gè)新的坑點(diǎn)。

對(duì)樣品磨削拋光后進(jìn)行金相分析，觀察顯微組織，能看出明顯的晶粒變形和碳化物球化，繼續(xù)放大后可以看到晶粒被明顯拉長(zhǎng)，證明發(fā)生了塑性形變，也說(shuō)明這部分板材基體受到了較大的應(yīng)力，甚至超過(guò)了其屈服極限，從而使?jié)B碳體發(fā)生球化。繼續(xù)對(duì)垂直點(diǎn)坑的金相形貌進(jìn)行放大觀察，可看到裂紋沿著奧氏體與珠光體的邊界開(kāi)裂，裂紋沿著變形方向平行擴(kuò)展，并帶有分叉。

3.1.2工藝條件

該延遲焦化裝置原料為減壓渣油，設(shè)計(jì)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.46%，殘?zhí)抠|(zhì)量分?jǐn)?shù)16.23%，酸值1.1 mg KOH/g。設(shè)計(jì)的加熱爐出口溫度507 ℃，焦炭塔反應(yīng)壓力0.15 MPa。焦炭塔生焦周期為18 h，各工序用時(shí)及對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)見(jiàn)表2。該裝置的主要工藝參數(shù)與國(guó)內(nèi)其他焦化裝置的對(duì)比見(jiàn)表3[6]。由表3可知，相對(duì)于其他焦化裝置，加工規(guī)模大、反應(yīng)溫度高、生焦周期短是該裝置的主要特點(diǎn)。

表2 焦炭塔生產(chǎn)工序及操作參數(shù)Table 2 Production processes and operation parameters of coke drum工序時(shí)長(zhǎng)/h塔壁平均溫度/℃塔頂壓力/MPa正常生產(chǎn)18260～4450.12～0.15小吹汽1445～4250.15～0.12大吹汽1425～4050.12～0.15給水6405～1800.15～0.2泡焦、放水2180～1000.2～0除焦3.5100～600關(guān)頂?shù)咨w、試壓160～1100～0.21試壓結(jié)束0.21～0.09預(yù)熱3.5110～2600.09～0.12

表3 工藝參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of process parameters項(xiàng)目國(guó)內(nèi)其他裝置本裝置裝置加工規(guī)模/(106 t·a-1)最大2.54.2加熱爐出口溫度/℃490～500507焦炭塔頂壓力/MPa0.15～0.20.15循環(huán)比0.1～0.250.2生焦周期/h20～2418

在焦炭塔的18 h生焦周期中，大吹汽的時(shí)間只有1 h，吹汽結(jié)束開(kāi)始給水時(shí)，焦炭塔的塔壁溫度還高達(dá)405 ℃，冷焦水注入后，進(jìn)料口附近的塔壁在短時(shí)間內(nèi)被冷卻到與冷焦水相近的溫度，塔壁承受劇烈的冷熱交變應(yīng)力，一旦應(yīng)力超過(guò)塔壁母材的屈服極限，裂紋就很容易出現(xiàn)。

同樣，由于生焦周期較短，焦炭塔的預(yù)熱時(shí)間也被壓縮，切換四通閥前的預(yù)熱終溫只有260 ℃的較低值。切換生產(chǎn)后，超過(guò)490 ℃的高溫渣油進(jìn)入焦炭塔，進(jìn)料口附近的溫度在短時(shí)間內(nèi)從260 ℃升高至490 ℃，塔壁再次承受劇烈的冷熱交變載荷。

3.1.3進(jìn)料方式

該裝置焦炭塔的進(jìn)料方式為錐段單側(cè)進(jìn)料，部分汽化的高溫介質(zhì)進(jìn)塔后呈不規(guī)則的湍流、渦流等狀態(tài)，對(duì)錐段產(chǎn)生較強(qiáng)烈的沖擊，致使進(jìn)料口附近及對(duì)面區(qū)域無(wú)法結(jié)焦，失去了對(duì)塔壁的保護(hù)。

王蘭娟等[7]對(duì)中心進(jìn)料方式的焦炭塔內(nèi)焦層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，認(rèn)為焦炭塔內(nèi)存在中心孔道和分支孔道，給水冷焦時(shí)，冷焦水和汽化蒸汽沿中心孔道上升，水不會(huì)直接與塔壁接觸。而錐段單側(cè)進(jìn)料的焦炭塔，塔內(nèi)焦層分布不規(guī)則，給水冷焦時(shí)，冷焦水從進(jìn)料口處直接與高溫塔壁接觸，在一定范圍內(nèi)發(fā)生劇烈的汽化，出現(xiàn)對(duì)局部錐殼的汽蝕，同時(shí)還對(duì)塔壁產(chǎn)生劇烈沖刷，加速裂紋交叉部位的剝落，進(jìn)一步促進(jìn)蝕坑的產(chǎn)生。

綜上可知，點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)的主要原因是：①焦炭塔長(zhǎng)期處于18 h生焦周期運(yùn)行的狀態(tài)，吹汽結(jié)束給水冷焦的溫度高，切換四通閥前的預(yù)熱溫度低，導(dǎo)致焦炭塔錐段承受極強(qiáng)的交變載荷和沖擊性載荷；②較高的生焦反應(yīng)溫度使母材的高溫抗力下降，錐段母材產(chǎn)生高低溫冷熱疲勞和蠕變開(kāi)裂，裂紋交叉的部位剝落形成蝕坑；③焦炭塔的進(jìn)料方式為錐段單側(cè)進(jìn)料，給水時(shí)在進(jìn)料口附近發(fā)生劇烈汽化和沖刷，加速了裂紋交叉部位的剝落，還產(chǎn)生明顯的汽蝕，進(jìn)而形成大量點(diǎn)蝕坑。

3.2 焊縫裂紋

縱觀國(guó)內(nèi)建造的大型焦炭塔，出現(xiàn)鼓脹變形、裙座焊縫開(kāi)裂的情況較為常見(jiàn)[8]，但錐段和筒體焊縫出現(xiàn)裂紋的情況比較罕見(jiàn)。對(duì)焦炭塔裂紋部位分別進(jìn)行硬度檢測(cè)和金相檢測(cè)。裂紋附近焊縫金屬硬度為181～202 HB，裂紋尖端硬度為166～174 HB，裂紋部位附近母材硬度為165～171 HB，硬度檢測(cè)基本正常。裂紋的金相形貌如圖7所示，裂紋為縱向裂紋，沿著環(huán)焊縫斷續(xù)延伸。由金相形貌可知，此為典型的熱機(jī)械疲勞裂紋。

焦炭塔周期性變溫操作的特點(diǎn)決定了其必然發(fā)生熱機(jī)械疲勞，可以肯定的是，高低溫操作循環(huán)時(shí)間越短，焦炭塔承受的溫度變化梯度越大，產(chǎn)生的應(yīng)力變化幅度就越大。根據(jù)疲勞失效機(jī)理，在較大的應(yīng)變幅度條件下，較少的周次循環(huán)就可能導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。國(guó)內(nèi)其他焦化裝置大部分采用20～24 h的生焦周期，而該裝置一直采用18 h的生焦周期，縮減的時(shí)間幾乎都是大吹汽和預(yù)熱的時(shí)間，即該裝置焦炭塔的急冷速度最快，產(chǎn)生的應(yīng)變幅度最大，這也是錐段和筒體焊縫出現(xiàn)大量裂紋的主要原因。

4 防護(hù)措施

針對(duì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑和焊縫裂紋的原因，裝置從工藝操作和選材方面采取了以下防護(hù)和應(yīng)對(duì)措施：

(1) 升級(jí)焦炭塔錐段材質(zhì)，提高其高溫抗力。參考美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API TR 934-GDesign,Fabrication,OperationalEffects,Inspection,Assessment,andRepairofCokeDrumsandPeripheralComponentsinDelayedCokingUnits(《延遲焦化裝置焦炭塔和外圍部件的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行效果、檢驗(yàn)、評(píng)定和修理》)，于2014年10月檢修時(shí)將錐段材質(zhì)升級(jí)為14Cr1MoR+410S復(fù)合鋼，因施工時(shí)間有限，只改造了C、D兩臺(tái)焦炭塔，A、B焦炭塔待下次檢修時(shí)改造。

(2) 將焦炭的進(jìn)料方式由錐段單側(cè)進(jìn)料改造為雙側(cè)對(duì)稱進(jìn)料，以減緩介質(zhì)對(duì)母體材質(zhì)的沖刷，同樣只改造了C、D兩臺(tái)焦炭塔。

(3) 將裝置生焦周期由18 h延長(zhǎng)至20 h(處理量較低時(shí)可進(jìn)一步延長(zhǎng))，將大吹汽時(shí)間由1 h延長(zhǎng)至3 h，將大吹汽的蒸汽流量由25 t/h提高至30 t/h，以降低給水時(shí)的塔體溫度，從而減少給水冷焦時(shí)塔體的應(yīng)力變化幅度。

(4) 優(yōu)化焦炭塔預(yù)熱操作，減緩新塔引油氣速度，提高換塔前的預(yù)熱終溫，降低焦炭塔的溫變幅度。

5 實(shí)施效果

采取上述應(yīng)對(duì)措施后，于2017年9月再次對(duì)焦炭塔進(jìn)行了全面檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)塔筒體焊縫裂紋仍然存在，但未見(jiàn)明顯的加深和延長(zhǎng)。錐段材質(zhì)升級(jí)后的兩臺(tái)焦炭塔錐段未見(jiàn)焊縫裂紋，也未見(jiàn)明顯點(diǎn)蝕坑；未升級(jí)的兩臺(tái)焦炭塔錐段點(diǎn)蝕坑仍然存在，最大深度約10 mm，錐段焊縫處仍然存在大量裂紋。3次檢驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況見(jiàn)表4。由表4可知，實(shí)施防護(hù)措施后，焦炭塔的腐蝕情況大幅改善，可顯著延長(zhǎng)焦炭塔壽命。

6 結(jié) 論

(1) Φ9 800mm焦炭塔在投入運(yùn)行兩年多后即出現(xiàn)錐段點(diǎn)蝕、環(huán)焊縫裂紋的腐蝕現(xiàn)象。錐段點(diǎn)蝕的原因?yàn)椋狠^高的運(yùn)行溫度降低了焦炭塔母材的高溫抗力，較高的給水冷焦溫度和較低的預(yù)熱終溫導(dǎo)致錐段塔壁承受劇烈的交變載荷和沖擊載荷，母材產(chǎn)生高低溫冷熱疲勞和蠕變開(kāi)裂，裂紋交叉部位剝落產(chǎn)生了點(diǎn)蝕坑。單側(cè)錐段進(jìn)料導(dǎo)致冷焦水在進(jìn)料口附近汽化、沖刷，加速了裂紋交叉部位的剝落，還產(chǎn)生明顯的汽蝕，進(jìn)而形成大量蝕坑。

表4 檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of test results檢驗(yàn)時(shí)間宏觀檢查磁粉檢測(cè)金相檢測(cè)2011年10月下錐段下部有大量點(diǎn)蝕坑,深度約3 mm錐段環(huán)焊縫發(fā)現(xiàn)整圈裂紋,深度3～5 mm發(fā)現(xiàn)許多與環(huán)焊縫平行的顯微穿晶裂紋2014年10月下錐段下部有大量點(diǎn)蝕坑,深度達(dá)5～8 mm,腐蝕坑范圍也擴(kuò)大錐段和筒體下部環(huán)焊縫發(fā)現(xiàn)大量裂紋,數(shù)量增多,開(kāi)口擴(kuò)大發(fā)現(xiàn)多條與環(huán)焊縫平行的顯微穿晶裂紋2017年9月A、B塔下錐段點(diǎn)蝕坑最大深度達(dá)10 mm,范圍未見(jiàn)明顯擴(kuò)大錐段及筒體下部仍有大量表面裂紋C、D塔(錐段材質(zhì)升級(jí)、改雙進(jìn)料)下錐段未見(jiàn)明顯腐蝕坑錐段未見(jiàn)裂紋,筒體下部仍有大量裂紋,未見(jiàn)增多、擴(kuò)大

(2) 產(chǎn)生環(huán)焊縫裂紋的主要原因是18 h的生焦周期產(chǎn)生了較強(qiáng)的熱機(jī)械疲勞，進(jìn)而引起疲勞開(kāi)裂。

(3) 通過(guò)升級(jí)錐段材質(zhì)、改變進(jìn)料方式、延長(zhǎng)生焦周期、延長(zhǎng)大吹汽時(shí)間和提高預(yù)熱終溫等防護(hù)措施的實(shí)施，焦炭塔腐蝕情況得到明顯改善。