浅谈炼油装置中焦炭塔工作特点及失效模式

周迎义

（沧州市特种设备监督检验所，河北 沧州 061001）

延迟焦化是渣油经深度热裂化转化为气体和烃、中质馏分油和焦炭的加工过程，是炼油厂提高轻质油产出率和石油焦的重要手段。其具体过程是：将重油在焦化炉中加热后送到焦炭塔中进行焦化反应，把长链的环烷烃分解为焦炭和轻质油。焦炭直接作为产品应用于工业领域，轻质油通过加氢精致制成柴油。

焦炭塔是从室温到高温周期性运行的设备。中国石油化工有限公司沧州分公司焦化车间2台焦炭塔，材质为20 g，高度为34 m，直径6.1 m，壁厚20～36 mm，工作介质为渣油、焦炭、油气、水、水蒸气。运行周期为48 h。进油是局部塔体温度超过435℃，介质温度为495℃，从下而上在393～475℃之间。操作压力为0.19 Mpa。

1 焦炭塔工作过程

常温下封闭塔顶钻焦口和塔底排焦口，从塔底向塔内送入130℃蒸汽，进行密封试压约2.5 h。试压合格后，通入瓦斯气预热筒体约5 h，塔壁温度平均每小时70℃的速度升温。在预热结束时，塔外壁温度达到370℃。从加热炉出来的490～500℃的热渣油进入塔内，并在塔内反应结焦。结焦过程由下向上逐渐发生，进油结焦最高可达塔体高度65℅。结焦时一般温度在430℃。当渣油进入塔内时，温度在495℃，但渣油进入塔内时迅速扩容，并开始结焦，整个进油生焦过程中塔壁温度达到455℃，生焦过程约24 h。未结焦的油气被吹入塔内的蒸汽带走，吹蒸汽取油气时间为3 h。油气被蒸汽取尽后，常温水从塔底进入焦炭塔冷焦。冷焦水上升至浸没油焦，并从塔顶管线溢流到隔油池。当塔顶温度小于80℃时，停止进水。给水时间一般为4 h。同时，塔体壁温随冷焦水进入塔内而急速下降。打开呼吸阀，开放塔底放水阀，将冷焦水排入隔油池。待污水排净后，打开塔顶钻焦口和塔底排焦口，进行水力除焦。14 Mpa的高压水通过钻杆从可以升降的切割器中喷出，将塔内焦炭击穿割成碎块，并和切焦水一起从塔底排焦口流入焦炭池中。水力除焦时间设计为3.5 h。焦炭塔在48 h完成一个工作周期后，紧接着开始下一个周期。在一般情况下，两个焦炭塔切换操作。焦炭塔工作期间温度从40～500℃，尤其是在进料时，500℃的热渣油很快进入250℃的焦炭塔，塔内外形成很大的温差应力。

2 焦炭塔失效模式及原因

焦炭塔工作中承受的温差应力，是造成焦炭塔失效的主要原因。其具体表现形式是：塔体鼓凸，倾斜，焊缝开裂。尤其是裙座焊缝、堵焦阀周围经常开裂。渣油中在硫高温时对塔壁产生腐蚀，在冷却和切焦时和冷焦水反应生成硫化氢，在常温或焦炭塔停工时，对焦炭塔产生应力腐蚀。

2.1 开裂

焦炭塔局部开裂是主要失效形式。我们在中国石油化工有限公司沧州分公司两台焦炭塔的检验过程中发现多处裙座裂纹、塔体内表面裂纹。

（1）焦炭塔裙座开裂。其主要原因是：在工作过程中，温差应力造成了裙座焊缝的疲劳开裂现象，一般是从角焊缝根部开裂逐渐向外扩展，最后贯穿。为避免这种情况的持续发生，建议把塔体和裙座的连接形式进行改造，采用“倒Y型”塔裙连体锻件拼焊结构。在改用这种结构后，能消除塔裙连接焊缝，避免焊接产生的不连续结构及焊接应力，降低应力集中。经过有关单位进行疲劳对比测试，这种结构的抗疲劳寿命比传统的裙座与筒体对接结构提高一倍。国内部分厂家已进行过这种改造。

（2）堵焦阀焊缝及周围开裂。其开裂原因和裙座开裂相同，只是部位不同。

（3）焦炭塔塔体焊缝内表面开裂。其原因是：内部的缺陷扩展和冷却停工时的应力腐蚀造成的，焦炭塔塔体焊缝内表面开裂部分一般在塔体上部。其主要原因是：塔内的结焦层对焦炭塔塔体起到了很好的保护作用，这层结焦在高温时，保护塔体不受高温硫的腐蚀；在低温时，不受湿硫化氢的腐蚀。沧州分公司焦炭塔在检验过程中，也在塔体上部焊缝内表面发现裂纹。

2.2 鼓凸和偏斜

使用多年的焦炭塔都有鼓凸和偏斜现象。长期操作的焦炭塔经反复冷却、反复加热、载荷反复变化，最终导致焦炭塔环向鼓凸破裂。鼓凸和偏斜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，塔体直径变大，塔体局部鼓凸。这是由于塔体承受交变温差应力，使塔体产生单向塑性变形累积的热棘轮效应造成的。这是造成交化塔失效报废的主要原因。

2.3 材质劣化

焦炭塔长期使用在400～475℃的高温环境下，20 g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470℃的高温时，由于塔体长期承受高温和应力的作用，使得材料内部组织会发生明显的变化，出现球化、石墨化倾向，降低了材料本身的强度和疲劳寿命。正因如此，国内部分厂家对焦炭塔进行了改造，将锥形下封头改为15CrMoR,将塔体上部泡沫段改为15CrMoR+1Cr18Ni9Ti对材料进行了变更，改为耐热钢。

2.4 焦炭塔下塔盖变形

在每一次工作循环过程中，焦炭塔下塔盖都要打开除焦，在除焦后再封闭，预热后，热渣油通过下塔盖进料管进入焦炭塔。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，工作过程中发生泄漏，甚至引起火灾事故。

3 结束语

综上所述：焦炭塔使用过程中，从室温到高温周期性运行，会承受循环载荷，温差应力。常见的失效模式主要有：焦炭塔裙座焊缝开裂，堵焦阀焊缝及周围开裂，焦炭塔塔体焊缝内表面开裂；塔体鼓凸、偏斜；塔体材料内部组织出现球化、石墨化现象；下塔盖变形。以上这些失效模式最终导致密封不严，发生泄漏，甚至引起火灾事故。

[1]强天棚.压力容器检验[M].北京：新华出版社,2008.