对焦炭塔塔鼓变形失效的机理分析

2012-09-15 08:31张巨伟屈晓雪
当代化工 2012年9期
关键词:塔体塑性变形热应力

黄 磊,张巨伟,屈晓雪

(辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001)

对焦炭塔塔鼓变形失效的机理分析

黄 磊,张巨伟,屈晓雪

(辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001)

焦炭塔是延迟焦化反应的反应釜,是延迟焦化装置的重要组成部分,其长期安全的运行是炼油企业取得高效益的前提和保障。但由于工作条件的恶劣,焦炭塔普遍存在着塔体变形、裙座及塔体焊接开裂等问题,严重影响着焦炭塔的安全运行。究其原因目前主要有以下几种情况:高温蠕变的结果;低周热疲劳的结果;高温蠕变与低周热疲劳共同作用的结果冷;急热温差热应力引起的局部塑性变形。通过对高温蠕变与低周热疲劳的产生条件以及损坏特征的仔细研究,并辅助以各种试验的结果,用排除法确定了焦炭塔的腰鼓变形失效的原因为急冷、急热温差热应力导致的局部塑性变形,并且总结出了其变形失效的规律和防治的具体方法。

焦炭塔;延迟焦化;腰鼓变形;温差应力

焦炭塔是延迟焦化装置中的关键设备,一般为板焊结构的薄壁塔式容器,他是一种处于温度和载荷同时做周期性变化的高温设备,当运行若干年后会出现筒体鼓胀变形,目前国内制造的焦炭塔的基本结构为直立圆筒形结构,上端球型封头,下端锥体结构。直径多为Ф5 400 mm,壁厚t为28 mm,材质为20号锅炉钢,其含碳量为0.2%,即是一种低碳钢。工作周期为48 h,设计操作温度为475 ℃,工作压力为0.23 MPa 。设计使用寿命为20 a,而目前国内正在服役的焦炭塔的服役时间基本上都已超过了其设计使用寿命,而且普遍存在一种鼓胀现象。究其原因主要有以下几点:

(1)高温蠕变的结果;

(2)低周热疲劳的结果;

(3)高温蠕变与低周热疲劳共同作用的结果;

(4)急冷、急热温差热应力引起的局部塑性变形[1]。

那么究竟是哪一种原因引起焦炭塔的腰鼓变形,其发展趋势如何,如何防治呢?这些业已成为人们急需解决的课题,它的解决将给整个延迟焦化行业带来巨大的经济效益。笔者采用排除法来确定焦炭塔腰鼓变形的原因,并粗略地探讨了其发展趋势以及防治措施[2-5]。

1 变形机理分析

1.1 常规力学性能试验

在一个已使用20年,积累运行时间15万h的焦炭塔变形最大的部位取样,同时与化学成份相近的新的20 g材质的常规力学性能相比。结果列于表1,经过15万h的使用后,母材室温屈服强度σs下降,延性上升,其他各项性能均与新的20 g材质相近,在450 ℃时,仍有σ0.2=172 MPa此值说明材质损伤并不严重。

表1 新旧材料性能对比表Table 1 Properties comparison table of new and old materials

1.2 持久强度实验

试样仍然取自上述的已运行20 a的焦炭塔,并且取其变形最大部位的材料,采用Φ5 mm的持久试样试验最高温度为450 ℃,给定不同应力水平,测定其持久强度和断裂时间。试验时间最长为 4300小时,外推到10 000 h得出450 ℃时的持久极限与新材质20 g的持久强度相当,详见表2。

表2 持久强度对比表Table 2 Comparison table of endurance strength

1.3 金相试验与金相分析

在已使用20 a的焦炭塔的塔体的变形最严重的部位取五块试样,金相观察晶粒度为6级,未见晶粒长大及石墨析出。高倍观察看到珠光体,内有渗碳体球化(约为 2级),球化反在珠光体内,并未向晶界扩散。由于珠光体中的渗碳体球化,使常温屈服强度下降约为13%。5块金相试验试样中均未见到蠕变孔洞以及疲劳条带或韧窝状花纹等。

再做另外一次试验,在抚顺石油一厂的1台已运行了27年零2个月的焦塔的变形最严重的部位取样,采用110×15×28的5个试样作为金相分析的对象。金相组织如图1-2所示,珠光体内的渗碳体系有轻度球化现象。渗碳体的球化并未向晶内或沿晶界扩散,也没有发现蠕变孔洞和带状条纹以及轮胎状花纹等。

1.4 高温蠕变的机理

蠕变是指金属材料在恒应力长期作用下而发生的塑性变形现象。蠕变可以在任何一个温度范围内发生,不过高温时,蠕变变形速度大;低温时,蠕变速度慢,有时可以忽略。可以说各种材料都有其自身的蠕变温度,一般金属的蠕变温度为 Tc:

Tc>(0.25~0.35)K熔。

碳钢>350 ℃

低碳钢>400~450 ℃

耐热合金钢>600 ℃

图1 20 g原始组织金相图片 1 000×Fig.1 Original organization metallography of 20 g 1 000×

图2 20 g原始组织金相图片 500×Fig.2 Original organization metallography of 20 g 500×

蠕变损坏有两种形式:蠕变变形与蠕变断型。

蠕变的产生条件:首先要有恒应力的长期作用,其次,工作应力要不小于材料的蠕变温度。

蠕变变形后的特点:金属材料在高温下,金相组织会发生明显的变化,晶粒长大,珠光体和某些合金成份有球化或团絮化倾向,钢中碳化物还能析出石墨等,有的还可能出现蠕变的晶间开裂或疏松微孔。

1.5 低周热疲劳的机理

热疲劳是指在无外加机械应力的条件下,由温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束,结果,在材料内部因变形受阻而产生热应力,当温度反复变化时,这种热应力也反复变化,因而使材料受到损伤。

热疲劳的产生条件:循环变化的热载荷以及最大循环载荷值Smax与材料 σb间的关系,一般应有Smax≥0.28σb。

热疲劳的损坏特点:宏观上会产生龟裂或塑性变形;微观上有疲劳条带或轮胎状花纹等。

1.6 应力分析

(1)主体和附件重量产生的压应力 由于被分析的对象为简体的下段,主体和附件的质量(kg):G=1.22×105 ,对下段会产生压应力(MPa):

(2)内压P=0.23 MPa时产生的薄膜应力(MPa):

(3)轴向温差应力(MPa)

除焦的需吹蒸汽、水冷的轴向温差大,实测塔体两环焊缝之间距离L=2 m,平均温差ΔT=322 ℃,320℃时,20 g的物性参数为:: E= 18.6× 104MPa,α=13. 0×10−6/℃,H=0.3,考虑两环焊缝对热差力的边界效益;计算环焊缝处温度梯度引起的轴向热应力(MPa):

(4)径向温差应力(MPa)

根据塔壁径向温差测量结果看,从外壁钻孔到20 mm深处测量塔壁最大温差;充焦时ΔT=75℃除焦水冷时ΔT=73℃,焦炭塔t=28 mm。现按 T 100 Δ=℃来算:

1.7 鼓胀分析

对塔体变形最大部位的材质综合分析结果表明:塔体材质在450 ℃长期使用过程中,损伤并不严重,只有室温屈服强度下降,延性上升,其它各项性能均与新20 g材质相近。高温性能及10000 h的持久强度也与新20 g材质相近。金相观察多点未见蠕变损伤。即,晶粒长大、晶界的滑动与迁移以及蠕变孔洞等,也未见到热疲劳损伤,即,疲劳条带以及轮胎状花纹等已可以判断,塔体的鼓胀即不是由高温蠕变引起的,也不是由低周热疲劳引起的,即排除了前面所说的四种观点中的前3种,所以最后得出,塔体鼓胀的原因为急冷急热温差热应力引起的局部塑性变形。

2 变形的规律

(1)塔体下头筒体环焊缝以上第2至第4道圈板之间变形最大。这一点主要是由于在充焦和除焦水冷时,内外壁温差最大。北京钢院测得某焦炭塔壁20 mm深处与塔外壁之间的最大径向温差为 75℃(充焦时)和 73 ℃(除焦时)。而这两项操作都是从塔体下端先进行的。

(2)塔体环焊缝处变形较小,多年基本无变化。这主要是由于焊缝材质较强于母材。

(3)塔体变形量达到一定程度后,渐趋缓慢。这主要是在不断的塑性变形的过程中,材质在不断的强化,屈服强度在不断回升的原因。

3 结束语

焦炭塔鼓凸形的主要原因是温差热应力导致的局部塑性变形。变形的规律是变形首先从塔体下数第二、三节开始,随时间的推移向上发展,在焊缝处产生束腰现象,且在变形到一定程度后,变形趋于停止。因此,为了防止焦炭塔由于温差热应力引起的塔体鼓凸变形,可采取如下的对应措施:

(1)削去焊缝加强高度,这样可以降低钢性约束,减小变形。

(2)选择新型材料。主要是选取不锈钢和 1Cr-Mo钢并覆盖2.5 mm厚的410型不锈钢。

(3)采用新型的焦炭塔波形保温结构。这种结构可以大大地减少温差应力,镇海炼油厂有这方面的经验。

[1]汪大年.金属塑性成形原理[M].北京:机械工业出版社,1986.

[2]中国机械工程学会材料学会.疲劳失效分析[M]. 北京:机械工业出版社,1991.

[3]李一玮.延迟焦化装置焦炭塔的变形开裂机理和安全分析[J].压力容器,1989,6(4):61-66.

[4]张猛,胡亚民,李先禄.金属塑性变形[M].重庆大学出版社,1989.

[5]曾春华,邹十践.疲劳分析引法及应用[M]. 北京:国防工业出版社,1991.

[6]金志英,王岫文,等.焦炭塔的鼓胀、裂纹容限及寿命预测[J].压力容器,1993,10(2):67-72.

[7]方子严,黄士南,胡家顺,等.焦炭塔裙座焊缝区域温度及应力的测试分析[J].压力容器, 1992,9(2):37-42.

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[9]国家质量技术监督局.压力容器安全技术监察规程[S].北京:中国劳动社会保障出版社,1999:13-22.

Mechanistic Analysis of Loin-drum Deformation Failure of Coke Reactors

HUANG Lei,ZHANG Ju-wei,QU Xiao-xue
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China)

The coke reactor is a drum reactor for delayed coking reaction, is an important component of the delayed coking unit. Its long-term safe operation is a premise to obtain high efficiency for oil refining enterprises. However, due to poor working conditions, the coke tower is widely deformation of the tower and welding cracking which seriously affect the safe operation of the coke drum. There are some reasons to cause this phenomenon, such as high temperature creep, low cycle thermal fatigue, local deformation caused by thermal stress and so on. In this paper, through study on production conditions and failure characteristics of high temperature creep and low cycle thermal fatigue, it’s determined that reason of loin-drum deformation failure was local plastic deformation caused by thermal stress. At the same time, the regularity of deformation failure was given out as well as precaution measures.

Coke reactor; Delayed coking; Loin-drum deformation; Thermal stress

TE 624

A

1671-0460(2012)09-0967-03

2012-03-20

黄磊(1985-),男,辽宁抚顺人,助理工程师,辽宁石油化工大学在读硕士研究生,研究方向:石油化工设备的强度分析与安全评价。E-mail:huangleiaa@tom.com。

张巨伟(1962-),男,教授,主要从事石油化工设备安全方面的研究。E-mail:z6682201@126.com。

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