焦炭塔在定期检验中应注意的问题

曾鸣

（汉中市特种设备检验所 723000）

焦炭塔在定期检验中应注意的问题

曾鸣

（汉中市特种设备检验所 723000）

延迟焦化是将渣油经深度热裂解转化为气体和烃、中质馏分油及焦炭的加工过程，是炼油厂提高轻质油采收率和生产石油焦的主要手段，而焦炭塔就是延迟焦化装置中必不可少的一种重要设备[1]。随着炼化装置大型化的发展，焦化装置焦炭塔的直径也相应增大，国内设计制造焦炭塔的最大直径已达9.8m，材质的等级也相应提高，但由于焦炭塔的工作温度高，工作周期长和温度变化大等原因，造成焦炭塔在工作中要承受较高的温度疲劳应力，容易造成焦炭塔的整体失效。因此在定期检验中熟练掌握焦炭塔的失效特点和采用正确的检验手段就显得尤为重要。

1 焦炭塔的失效形式及特点

掌握焦炭塔的失效特点，是提高焦炭塔检验水平的关键，只有全面了解焦炭塔的失效特点，才能有针对性的制定检验方案，才能保证焦炭塔的检验水平。焦炭塔的主要失效形式有以下几个方面：

1.1 开裂

焦炭塔的局部开裂是焦炭塔的主要失效形式之一，开裂主要发生在以下几个方面：

（1）焦炭塔的裙座开裂。这是因为焦炭塔工作中，温差应力造成的疲劳开裂。裙座焊缝开裂是从角焊缝的根部起裂，最后贯穿焊缝。

（2）焦炭塔塔体焊缝的开裂。理论上焦炭塔塔体焊缝的开裂主要是焊缝内部缺陷扩展和冷却或停工时的应力腐蚀造成的，其开裂主要发生在上部。实际检验中发现，其开裂主要发生在上部。主要是塔底部的结焦层对焦炭塔塔体有很好的保护作用，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H2S应力腐蚀侵害。焦炭塔上不主要为轻组分的含硫油气，对焦炭塔塔体构成腐蚀，因此开裂多发生在上部。

1.2 鼓凸与偏斜

使用多年的焦炭塔都有不同程度的鼓凸和偏斜发生，这是因为当塔内物料由480℃左右冷却到环境温度过程中，水自轴向流入塔内造成塔体轴向温度梯度，而产生热应力。当轴向温度梯度大于5.6℃/25mm时，产生的热应力可大于塔体材料的屈服极限，这一过程在塔体冷却到环境温度后又循环发生，在冷却和加热的过程中塔的载荷在48h内有空载（200t）升到满载（900t）。长期操作的焦炭塔经反复冷却，反复加热及载荷反复变化而产生变形，导致塔体的环向鼓凸和破裂。由于焦炭塔的鼓凸与偏斜在测量时缺乏基准，目前又无统一的测量标准，因此很难通过测量结果判断焦炭塔在工作中产生的鼓凸与偏斜到底有多大，这是焦炭塔检验中的难点之一。

1.3 材质变异

焦炭塔长期使用在400～475℃的高温环境下，早期的焦炭塔制造材料主要为20G、20R材料，这种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。其内部组织会发生明显的变化，出现球化、石墨化倾向，也降低了材料本身的强度和疲劳寿命，因此高温操作条件下焦炭塔筒体材料的损伤和变异问题，在焦炭塔中是值得注意的一个问题。

1.4 焦炭塔下盖的变形

焦炭塔的下塔盖是焦炭塔的重要部件。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，如工作中下塔盖发生泄漏，将造成极其严重的后果。

2 焦炭塔的定期检验

根据焦炭塔的失效型式和特点，在定期检验中应采取有针对性的检验方法进行检验。

2.1 资料审查

焦炭塔的资料审查常规设计、制造和安装资料，使用登记资料，运行资料、历年的定期检验、停工检修记录、主要零部件的更换记录等项目外，重点应掌握焦炭塔的运行时间和运行次数。认真分析焦炭塔的工艺流程、使用工况及结构特点，制定行之有效的检验方案。

2.2 宏观检验

（1）检查焦炭塔的所有接管角焊缝，尤其是堵焦阀的接管角焊缝。检查有无明显变形和开裂。

（2）检查焦炭塔裙座有无开裂。

（3）用目视和钢板尺结合，检查焦炭塔是否发生鼓凸变形，检查重点是焦炭塔的裙座以上部位。

（4）检查基础是否下沉、塔体是否倾斜、注意观察保温层是否有潮湿、变色、漏气、漏液的痕迹以及保温层的完好程度。

2.3 壁厚测定

壁厚测定，一般采用超声波测原方法，测定位置应当有代表性，有足够的测点数。应以泡沫段以上部位，包括塔体筒节、球形封头、上部的钻焦口、油气出口、安全阀接口、开工线口等接管为重点测量部位。测定后标图记录，对异常测厚点做详细标记。

2.4 无损检测

焦炭塔无损检测以表面检测为主，超声波检测为辅，重点无疑是裙座角焊缝及堵焦阀与筒体连接的接管角焊缝的表面无损检测，焦炭塔内壁上部的焊缝和热影响区也有可能因为应力腐蚀等原因出现裂纹，也应全面进行表面无损检测。框架和构件的支撑点部位、裙座柔性槽及U型槽也是重点部位。

2.5 硬度测定和金相检验

（1）焦炭塔的硬度测定

硬度测定是压力容器定期检验中的重要检测手段之一。焦炭塔在长期运行过程中，由于球化等使材料变异，会导致材料的性能下降，反映在硬度测定结果中，就是硬度值降低。而焦炭塔运行中的热棘轮效应造成的局部屈服，反映在硬度测定结果中就是硬度值升高。裙座以下部位和鼓凸明显的部位是硬度测定的重点。

（2）焦炭塔的金相检验

金相检验是检测金属材料的中重要手段之一。在使用过程中，材料会发生球化变异。金相检验是检查并判断其材质是否正常，在使用中有无发生变异，以及变异程度的直接手段。在焦炭塔现场检验时应在所有有代表性的部位选取测点，以求全面了解焦炭塔的材质情况，对材料组织进行评级。

2.6 应力分析及热应力计算

热应力计算是焦炭塔寿命及安全评估的重要工作。应力分析分为局部应力分析和整体应力分析，局部应力分析工作量小、成本低、但是结果代表性不强，整体应力分析可以进行焦炭塔操作工程中各阶段的温度场分布、载荷、应力分析以及对焦炭塔的寿命进行评估。

整体应力分析建立模型时，对焦炭塔各部位分别进行应力分析，模型中包括与下椎体相连的两个筒节、筒节与筒节、筒节与下椎体间用焊缝连接的部位，建模时还应考虑包裹在塔壁外边的保温材料。计算中根据塔壁温度场的轴对称假设，其位移、应力及应变场是轴对称的要进行分析。应力分析主要有以下几个方面的内容：

（1）塔壁温度场及热应力计算。该项计算包括塔壁在整个操作过程中温度场的变化及由于温度导致的热应力，包括裙座与椎体对接形式和整体结构形式的计算，并对二者的热应力情况进行比较；

（2）机械应力。考虑结构在内压、自重、介质重量、风载和地震载荷作用下的应力情况；

（3）塔壁组合应力的计算。计算塔壁的热应力和机械应力共同作用下的应力情况，考察危险点处的总应力是否达到许用应力，对塔壁进行稳定性分析；

（4）裙座组的应力计算。计算操作各阶段裙座危险界面的最大轴向压应力，进行热稳定性校核；

（5）根据温度分布计算的结果作为输入条件，对塔体进行弹性及塑形计算，同时进行低循环热疲劳计算。

[1]强天鹏.压力容器检验[M].北京：新华出版社，2008，5.

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2016-1-10