在用焦炭塔檢驗(yàn)及缺陷分析

賈丙中，王芳芳，錢俊鋒，唐 志，趙 閣

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230031)

0 引言

焦炭塔是煉油工業(yè)中延遲焦化的關(guān)鍵設(shè)備，一般為板焊結(jié)構(gòu)的壁塔式容器，由于延遲焦化工藝的特點(diǎn)，使焦炭塔經(jīng)歷循環(huán)的升溫、降溫過(guò)程，同時(shí)容器承載的介質(zhì)由氣態(tài)到液態(tài)至固態(tài)，工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，因此國(guó)內(nèi)許多煉油廠的焦炭塔會(huì)發(fā)生徑向鼓凸變形，焊縫及筒體開(kāi)裂的現(xiàn)象。在對(duì)國(guó)內(nèi)多家大型煉油廠延遲焦化裝置的焦炭塔全面檢驗(yàn)后，根據(jù)焦炭塔的設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)焦炭塔的常見(jiàn)缺陷進(jìn)行分析，有助于焦炭塔的檢驗(yàn)檢測(cè)及運(yùn)行維護(hù)。

1 焦炭塔的工藝特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

焦炭塔的工藝特點(diǎn)是操作溫度高，最高可達(dá)500 ℃，操作溫度變化頻繁，每個(gè)操作周期都要由常溫變化到最高操作溫度，并且生焦周期越短，溫度變化速度越快；焦炭塔是反應(yīng)器,還是裝焦炭的容器。焦炭塔一般是2臺(tái)一組，一臺(tái)塔在反應(yīng)生焦時(shí)，另一臺(tái)塔處于處理階段。每臺(tái)塔的切換使用周期一般為48 h，其中生焦24 h，除焦及其他輔助操作24 h。

焦炭塔是一個(gè)直立圓柱殼壓力容器，如圖1所示，頂部是球形或橢圓形封頭，下部是錐體，直徑通常為4.6～9.4 m，高25～35 m。國(guó)內(nèi)早期焦炭塔材質(zhì)多選用碳鋼，但由于碳鋼耐熱強(qiáng)度低，抗疲勞及蠕變的能力差，隨著煉油廠的大型化，國(guó)內(nèi)多選用高溫性能好的耐熱鋼制造大型焦炭塔，如15CrMoR、14Cr1MoR等。由于焦炭塔上部泡沫段以上部分的腐蝕介質(zhì)與塔體直接接觸，因此焦炭塔上部塔體采用不銹鋼復(fù)合板制造，復(fù)層為厚2.0～3.2 mm的405或410S不銹鋼，以防止腐蝕[1-2]。

圖1 焦炭塔結(jié)構(gòu)圖

2 焦炭塔的全面檢驗(yàn)

根據(jù)焦炭塔的工藝特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，檢驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包括宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、無(wú)損檢測(cè)[3]、硬度檢測(cè)及金相分析。

2.1 宏觀檢驗(yàn)

主要采用目視方法(必要時(shí)利用放大鏡、內(nèi)窺鏡或者其他輔助儀器設(shè)備、測(cè)量工具)檢驗(yàn)壓力容器本體結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、表面情況(如裂紋、腐蝕、泄漏、變形)，以及焊縫、隔熱層、襯里等。

2.2 壁厚測(cè)定

一般采用超聲測(cè)厚方法，對(duì)易受介質(zhì)腐蝕的部位、物料進(jìn)口部位、流動(dòng)轉(zhuǎn)向易受沖蝕的部位、制造成型時(shí)壁厚減薄部位、使用中易產(chǎn)生變形及磨損的部位、接管部位、宏觀檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題部位進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)厚。

2.3 無(wú)損檢測(cè)

表面缺陷檢測(cè)，應(yīng)采用NB/T 47013.4—2015中的磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)方法對(duì)主焊縫、應(yīng)力集中部位、變形部位、宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋的部位進(jìn)行檢測(cè)，異種鋼焊接接頭、T型接頭、接管角接接頭、補(bǔ)焊區(qū)、工卡具焊跡、電弧損傷處和易產(chǎn)生裂紋部位應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)。

埋藏缺陷檢測(cè)，應(yīng)采用NB/T 47013.3—2015中的超聲檢測(cè)或NB/T 47013.10—2015中的TOFD等方法對(duì)主焊縫、鼓脹變形部位、使用過(guò)程中補(bǔ)焊過(guò)的部位、檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫表面裂紋部位進(jìn)行檢測(cè)。

2.4 硬度檢測(cè)及金相分析

對(duì)殼體主焊縫(檢測(cè)部位包括熔敷金屬、熱影響區(qū)和母材)、鼓脹變形及發(fā)現(xiàn)表面裂紋部位進(jìn)行硬度檢測(cè)及金相分析。

3 焦炭塔常見(jiàn)缺陷及原因分析

3.1 塔體鼓脹變形

如圖2所示，煉油廠延遲焦化裝置焦炭塔發(fā)生塔體鼓脹變形，3臺(tái)焦炭塔半徑方向最大鼓脹量分別為83、75、80 mm。

(a)東營(yíng)某煉油廠焦炭塔

由于焦炭塔的工藝特點(diǎn)，在初始預(yù)熱和急冷階段，塔體產(chǎn)生了嚴(yán)重的熱梯度，在局部區(qū)域引起了超過(guò)塔體材料屈服極限的熱應(yīng)力，并且由于環(huán)焊縫金屬與塔體母材金屬?gòu)?qiáng)度的差異，筒節(jié)變形受到約束，向外鼓凸，隨著循環(huán)次數(shù)增多,塑形變形不斷積累，最終出現(xiàn)了嚴(yán)重的鼓脹變形[4]。

3.2 內(nèi)壁熱疲勞裂紋

圖3為煉油廠焦炭塔內(nèi)壁裂紋宏觀形貌，3臺(tái)焦炭塔內(nèi)壁裂紋宏觀形貌均為短且細(xì)，龜裂，密集分布，有部分裂紋從母材擴(kuò)展至焊縫。

(a)東營(yíng)某煉油廠焦炭塔(材質(zhì)20g)

對(duì)裂紋部分進(jìn)行硬度測(cè)定和金相分析，裂紋部位硬度值均未超標(biāo)，微觀形貌見(jiàn)圖4，放大倍數(shù)均為200倍。微觀上觀察，金相組織均為鐵素體+珠光體，裂紋以穿晶擴(kuò)展為主，尖端無(wú)分叉，且裂紋內(nèi)充滿氧化物。綜合判斷，焦炭塔在周期性的熱脹冷縮過(guò)程中，裂紋附近的板材會(huì)在焦炭塔運(yùn)行時(shí)經(jīng)歷的循環(huán)熱-機(jī)械載荷作用下產(chǎn)生熱疲勞開(kāi)裂[5-6]。

(a)東營(yíng)某煉油廠焦炭塔

3.3 內(nèi)壁冷裂紋

圖5為天津某煉油廠焦炭塔內(nèi)壁裂紋宏觀形貌。裂紋位于焊縫上，部分延伸至母材。對(duì)裂紋部分進(jìn)行硬度測(cè)定和金相分析，裂紋部位焊縫金屬硬度值260～280 HB(HB為布氏硬度)，偏高；微觀形貌見(jiàn)圖6，放大倍數(shù)均為200倍。微觀上觀察，母材金相組織為鐵素體+珠光體，焊縫金屬金相組織為鐵素體+馬氏體，裂紋以穿晶擴(kuò)展為主。從裂紋宏觀和微觀形貌特征判斷，該裂紋屬于制造過(guò)程中產(chǎn)生的冷裂紋。

圖5 天津某煉油廠焦炭塔內(nèi)壁冷裂紋宏觀形貌

3.4 裙座角焊縫裂紋

圖7為煉油廠焦炭塔裙座角焊縫裂紋宏觀形貌，裂紋位于裙座角焊縫熔合線上以及焊縫金屬上，沿焊縫方向整圈斷續(xù)分布。

(a)東營(yíng)某煉油廠焦炭塔

焦炭塔長(zhǎng)期在高溫及充焦與除焦的冷熱疲勞作用下運(yùn)行，循環(huán)操作和較大的溫度梯度，使得裙座角焊縫處產(chǎn)生比較高的交變應(yīng)力，從而導(dǎo)致該部位裂紋的產(chǎn)生[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

焦炭塔由于其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)行一段時(shí)間后極易產(chǎn)生塔體鼓脹變形、熱疲勞裂紋等缺陷。根據(jù)缺陷產(chǎn)生原因，結(jié)合實(shí)際檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，制訂全面、合理的檢驗(yàn)方案，針對(duì)重點(diǎn)檢驗(yàn)部位實(shí)施多種檢測(cè)項(xiàng)目以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。