淺談煉油裝置中焦炭塔工作特點及失效模式

周迎義

（滄州市特種設備監督檢驗所，河北 滄州 061001）

延遲焦化是渣油經深度熱裂化轉化為氣體和烴、中質餾分油和焦炭的加工過程，是煉油廠提高輕質油產出率和石油焦的重要手段。其具體過程是：將重油在焦化爐中加熱后送到焦炭塔中進行焦化反應，把長鏈的環烷烴分解為焦炭和輕質油。焦炭直接作為產品應用于工業領域，輕質油通過加氫精致制成柴油。

焦炭塔是從室溫到高溫周期性運行的設備。中國石油化工有限公司滄州分公司焦化車間2臺焦炭塔，材質為20 g，高度為34 m，直徑6.1 m，壁厚20～36 mm，工作介質為渣油、焦炭、油氣、水、水蒸氣。運行周期為48 h。進油是局部塔體溫度超過435℃，介質溫度為495℃，從下而上在393～475℃之間。操作壓力為0.19 Mpa。

1 焦炭塔工作過程

常溫下封閉塔頂鉆焦口和塔底排焦口，從塔底向塔內送入130℃蒸汽，進行密封試壓約2.5 h。試壓合格后，通入瓦斯氣預熱筒體約5 h，塔壁溫度平均每小時70℃的速度升溫。在預熱結束時，塔外壁溫度達到370℃。從加熱爐出來的490～500℃的熱渣油進入塔內，并在塔內反應結焦。結焦過程由下向上逐漸發生，進油結焦最高可達塔體高度65℅。結焦時一般溫度在430℃。當渣油進入塔內時，溫度在495℃，但渣油進入塔內時迅速擴容，并開始結焦，整個進油生焦過程中塔壁溫度達到455℃，生焦過程約24 h。未結焦的油氣被吹入塔內的蒸汽帶走，吹蒸汽取油氣時間為3 h。油氣被蒸汽取盡后，常溫水從塔底進入焦炭塔冷焦。冷焦水上升至浸沒油焦，并從塔頂管線溢流到隔油池。當塔頂溫度小于80℃時，停止進水。給水時間一般為4 h。同時，塔體壁溫隨冷焦水進入塔內而急速下降。打開呼吸閥，開放塔底放水閥，將冷焦水排入隔油池。待污水排凈后，打開塔頂鉆焦口和塔底排焦口，進行水力除焦。14 Mpa的高壓水通過鉆桿從可以升降的切割器中噴出，將塔內焦炭擊穿割成碎塊，并和切焦水一起從塔底排焦口流入焦炭池中。水力除焦時間設計為3.5 h。焦炭塔在48 h完成一個工作周期后，緊接著開始下一個周期。在一般情況下，兩個焦炭塔切換操作。焦炭塔工作期間溫度從40～500℃，尤其是在進料時，500℃的熱渣油很快進入250℃的焦炭塔，塔內外形成很大的溫差應力。

2 焦炭塔失效模式及原因

焦炭塔工作中承受的溫差應力，是造成焦炭塔失效的主要原因。其具體表現形式是：塔體鼓凸，傾斜，焊縫開裂。尤其是裙座焊縫、堵焦閥周圍經常開裂。渣油中在硫高溫時對塔壁產生腐蝕，在冷卻和切焦時和冷焦水反應生成硫化氫，在常溫或焦炭塔停工時，對焦炭塔產生應力腐蝕。

2.1 開裂

焦炭塔局部開裂是主要失效形式。我們在中國石油化工有限公司滄州分公司兩臺焦炭塔的檢驗過程中發現多處裙座裂紋、塔體內表面裂紋。

（1）焦炭塔裙座開裂。其主要原因是：在工作過程中，溫差應力造成了裙座焊縫的疲勞開裂現象，一般是從角焊縫根部開裂逐漸向外擴展，最后貫穿。為避免這種情況的持續發生，建議把塔體和裙座的連接形式進行改造，采用“倒Y型”塔裙連體鍛件拼焊結構。在改用這種結構后，能消除塔裙連接焊縫，避免焊接產生的不連續結構及焊接應力，降低應力集中。經過有關單位進行疲勞對比測試，這種結構的抗疲勞壽命比傳統的裙座與筒體對接結構提高一倍。國內部分廠家已進行過這種改造。

（2）堵焦閥焊縫及周圍開裂。其開裂原因和裙座開裂相同，只是部位不同。

（3）焦炭塔塔體焊縫內表面開裂。其原因是：內部的缺陷擴展和冷卻停工時的應力腐蝕造成的，焦炭塔塔體焊縫內表面開裂部分一般在塔體上部。其主要原因是：塔內的結焦層對焦炭塔塔體起到了很好的保護作用，這層結焦在高溫時，保護塔體不受高溫硫的腐蝕；在低溫時，不受濕硫化氫的腐蝕。滄州分公司焦炭塔在檢驗過程中，也在塔體上部焊縫內表面發現裂紋。

2.2 鼓凸和偏斜

使用多年的焦炭塔都有鼓凸和偏斜現象。長期操作的焦炭塔經反復冷卻、反復加熱、載荷反復變化，最終導致焦炭塔環向鼓凸破裂。鼓凸和偏斜通常發生在焦炭塔堵焦閥所在的筒體、焦炭塔中部筒體、塔頂上封頭環焊縫等部位。這些部位經過一段時間的運行后，塔體直徑變大，塔體局部鼓凸。這是由于塔體承受交變溫差應力，使塔體產生單向塑性變形累積的熱棘輪效應造成的。這是造成交化塔失效報廢的主要原因。

2.3 材質劣化

焦炭塔長期使用在400～475℃的高溫環境下，20 g材料的使用性能隨著溫度的升高，其力學性能將會下降，特別是其高溫強度下降明顯。當焦炭塔長期處于470℃的高溫時，由于塔體長期承受高溫和應力的作用，使得材料內部組織會發生明顯的變化，出現球化、石墨化傾向，降低了材料本身的強度和疲勞壽命。正因如此，國內部分廠家對焦炭塔進行了改造，將錐形下封頭改為15CrMoR,將塔體上部泡沫段改為15CrMoR+1Cr18Ni9Ti對材料進行了變更，改為耐熱鋼。

2.4 焦炭塔下塔蓋變形

在每一次工作循環過程中，焦炭塔下塔蓋都要打開除焦，在除焦后再封閉，預熱后，熱渣油通過下塔蓋進料管進入焦炭塔。在高溫和頻繁的操作過程中，下塔蓋極易發生變形，導致密封不嚴，工作過程中發生泄漏，甚至引起火災事故。

3 結束語

綜上所述：焦炭塔使用過程中，從室溫到高溫周期性運行，會承受循環載荷，溫差應力。常見的失效模式主要有：焦炭塔裙座焊縫開裂，堵焦閥焊縫及周圍開裂，焦炭塔塔體焊縫內表面開裂；塔體鼓凸、偏斜；塔體材料內部組織出現球化、石墨化現象；下塔蓋變形。以上這些失效模式最終導致密封不嚴，發生泄漏，甚至引起火災事故。

[1]強天棚.壓力容器檢驗[M].北京：新華出版社,2008.