對焦炭塔塔鼓變形失效的機理分析

黃 磊，張巨偉，屈曉雪

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

對焦炭塔塔鼓變形失效的機理分析

黃 磊，張巨偉，屈曉雪

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

焦炭塔是延遲焦化反應的反應釜，是延遲焦化裝置的重要組成部分，其長期安全的運行是煉油企業取得高效益的前提和保障。但由于工作條件的惡劣，焦炭塔普遍存在著塔體變形、裙座及塔體焊接開裂等問題，嚴重影響著焦炭塔的安全運行。究其原因目前主要有以下幾種情況：高溫蠕變的結果；低周熱疲勞的結果；高溫蠕變與低周熱疲勞共同作用的結果冷；急熱溫差熱應力引起的局部塑性變形。通過對高溫蠕變與低周熱疲勞的產生條件以及損壞特征的仔細研究，并輔助以各種試驗的結果，用排除法確定了焦炭塔的腰鼓變形失效的原因為急冷、急熱溫差熱應力導致的局部塑性變形，并且總結出了其變形失效的規律和防治的具體方法。

焦炭塔；延遲焦化；腰鼓變形；溫差應力

焦炭塔是延遲焦化裝置中的關鍵設備，一般為板焊結構的薄壁塔式容器，他是一種處于溫度和載荷同時做周期性變化的高溫設備，當運行若干年后會出現筒體鼓脹變形，目前國內制造的焦炭塔的基本結構為直立圓筒形結構，上端球型封頭，下端錐體結構。直徑多為Ф5 400 mm，壁厚t為28 mm，材質為20號鍋爐鋼，其含碳量為0.2%，即是一種低碳鋼。工作周期為48 h，設計操作溫度為475 ℃，工作壓力為0.23 MPa 。設計使用壽命為20 a，而目前國內正在服役的焦炭塔的服役時間基本上都已超過了其設計使用壽命，而且普遍存在一種鼓脹現象。究其原因主要有以下幾點：

（1）高溫蠕變的結果；

（2）低周熱疲勞的結果；

（3）高溫蠕變與低周熱疲勞共同作用的結果；

（4）急冷、急熱溫差熱應力引起的局部塑性變形［1］。

那么究竟是哪一種原因引起焦炭塔的腰鼓變形，其發展趨勢如何，如何防治呢？這些業已成為人們急需解決的課題，它的解決將給整個延遲焦化行業帶來巨大的經濟效益。筆者采用排除法來確定焦炭塔腰鼓變形的原因，并粗略地探討了其發展趨勢以及防治措施［2-5］。

1 變形機理分析

1.1 常規力學性能試驗

在一個已使用20年，積累運行時間15萬h的焦炭塔變形最大的部位取樣，同時與化學成份相近的新的20 g材質的常規力學性能相比。結果列于表1，經過15萬h的使用后，母材室溫屈服強度σs下降，延性上升，其他各項性能均與新的20 g材質相近，在450 ℃時，仍有σ0.2=172 MPa此值說明材質損傷并不嚴重。

表1 新舊材料性能對比表Table 1 Properties comparison table of new and old materials

1.2 持久強度實驗

試樣仍然取自上述的已運行20 a的焦炭塔，并且取其變形最大部位的材料，采用Φ5 mm的持久試樣試驗最高溫度為450 ℃，給定不同應力水平，測定其持久強度和斷裂時間。試驗時間最長為 4300小時，外推到10 000 h得出450 ℃時的持久極限與新材質20 g的持久強度相當，詳見表2。

表2 持久強度對比表Table 2 Comparison table of endurance strength

1.3 金相試驗與金相分析

在已使用20 a的焦炭塔的塔體的變形最嚴重的部位取五塊試樣，金相觀察晶粒度為6級，未見晶粒長大及石墨析出。高倍觀察看到珠光體，內有滲碳體球化(約為 2級)，球化反在珠光體內，并未向晶界擴散。由于珠光體中的滲碳體球化，使常溫屈服強度下降約為13%。5塊金相試驗試樣中均未見到蠕變孔洞以及疲勞條帶或韌窩狀花紋等。

再做另外一次試驗，在撫順石油一廠的1臺已運行了27年零2個月的焦塔的變形最嚴重的部位取樣，采用110×15×28的5個試樣作為金相分析的對象。金相組織如圖1-2所示，珠光體內的滲碳體系有輕度球化現象。滲碳體的球化并未向晶內或沿晶界擴散，也沒有發現蠕變孔洞和帶狀條紋以及輪胎狀花紋等。

1.4 高溫蠕變的機理

蠕變是指金屬材料在恒應力長期作用下而發生的塑性變形現象。蠕變可以在任何一個溫度范圍內發生，不過高溫時，蠕變變形速度大；低溫時，蠕變速度慢，有時可以忽略。可以說各種材料都有其自身的蠕變溫度，一般金屬的蠕變溫度為 Tc：

Tc>(0.25～0.35)K熔。

碳鋼>350 ℃

低碳鋼>400～450 ℃

耐熱合金鋼>600 ℃

圖1 20 g原始組織金相圖片 1 000×Fig.1 Original organization metallography of 20 g 1 000×

圖2 20 g原始組織金相圖片 500×Fig.2 Original organization metallography of 20 g 500×

蠕變損壞有兩種形式：蠕變變形與蠕變斷型。

蠕變的產生條件：首先要有恒應力的長期作用，其次，工作應力要不小于材料的蠕變溫度。

蠕變變形后的特點：金屬材料在高溫下，金相組織會發生明顯的變化，晶粒長大，珠光體和某些合金成份有球化或團絮化傾向，鋼中碳化物還能析出石墨等，有的還可能出現蠕變的晶間開裂或疏松微孔。

1.5 低周熱疲勞的機理

熱疲勞是指在無外加機械應力的條件下，由溫度變化引起的自由膨脹或收縮受到約束，結果，在材料內部因變形受阻而產生熱應力，當溫度反復變化時，這種熱應力也反復變化，因而使材料受到損傷。

熱疲勞的產生條件：循環變化的熱載荷以及最大循環載荷值Smax與材料 σb間的關系，一般應有Smax≥0.28σb。

熱疲勞的損壞特點：宏觀上會產生龜裂或塑性變形；微觀上有疲勞條帶或輪胎狀花紋等。

1.6 應力分析

(1)主體和附件重量產生的壓應力 由于被分析的對象為簡體的下段，主體和附件的質量（kg）:G=1.22×105 ，對下段會產生壓應力(MPa)：

(2)內壓P=0.23 MPa時產生的薄膜應力(MPa):

(3)軸向溫差應力(MPa)

除焦的需吹蒸汽、水冷的軸向溫差大，實測塔體兩環焊縫之間距離L=2 m，平均溫差ΔT=322 ℃，320℃時，20 g的物性參數為：： E= 18.6× 104MPa，α=13. 0×10?6/℃，H=0.3，考慮兩環焊縫對熱差力的邊界效益；計算環焊縫處溫度梯度引起的軸向熱應力(MPa):

(4)徑向溫差應力(MPa)

根據塔壁徑向溫差測量結果看，從外壁鉆孔到20 mm深處測量塔壁最大溫差；充焦時ΔT=75℃除焦水冷時ΔT=73℃，焦炭塔t=28 mm。現按 T 100 Δ=℃來算：

1.7 鼓脹分析

對塔體變形最大部位的材質綜合分析結果表明：塔體材質在450 ℃長期使用過程中，損傷并不嚴重，只有室溫屈服強度下降，延性上升，其它各項性能均與新20 g材質相近。高溫性能及10000 h的持久強度也與新20 g材質相近。金相觀察多點未見蠕變損傷。即，晶粒長大、晶界的滑動與遷移以及蠕變孔洞等，也未見到熱疲勞損傷，即，疲勞條帶以及輪胎狀花紋等已可以判斷，塔體的鼓脹即不是由高溫蠕變引起的，也不是由低周熱疲勞引起的，即排除了前面所說的四種觀點中的前3種，所以最后得出，塔體鼓脹的原因為急冷急熱溫差熱應力引起的局部塑性變形。

2 變形的規律

(1)塔體下頭筒體環焊縫以上第2至第4道圈板之間變形最大。這一點主要是由于在充焦和除焦水冷時，內外壁溫差最大。北京鋼院測得某焦炭塔壁20 mm深處與塔外壁之間的最大徑向溫差為 75℃(充焦時)和 73 ℃(除焦時)。而這兩項操作都是從塔體下端先進行的。

(2)塔體環焊縫處變形較小，多年基本無變化。這主要是由于焊縫材質較強于母材。

(3)塔體變形量達到一定程度后，漸趨緩慢。這主要是在不斷的塑性變形的過程中，材質在不斷的強化，屈服強度在不斷回升的原因。

3 結束語

焦炭塔鼓凸形的主要原因是溫差熱應力導致的局部塑性變形。變形的規律是變形首先從塔體下數第二、三節開始，隨時間的推移向上發展，在焊縫處產生束腰現象，且在變形到一定程度后，變形趨于停止。因此，為了防止焦炭塔由于溫差熱應力引起的塔體鼓凸變形，可采取如下的對應措施：

(1)削去焊縫加強高度，這樣可以降低鋼性約束，減小變形。

(2)選擇新型材料。主要是選取不銹鋼和 1Cr-Mo鋼并覆蓋2.5 mm厚的410型不銹鋼。

(3)采用新型的焦炭塔波形保溫結構。這種結構可以大大地減少溫差應力，鎮海煉油廠有這方面的經驗。

［1］汪大年.金屬塑性成形原理[M].北京：機械工業出版社，1986.

［2］中國機械工程學會材料學會.疲勞失效分析[M]. 北京：機械工業出版社，1991.

［3］李一瑋.延遲焦化裝置焦炭塔的變形開裂機理和安全分析[J].壓力容器，1989，6(4)：61-66.

［4］張猛，胡亞民，李先祿.金屬塑性變形[M].重慶大學出版社，1989.

［5］曾春華，鄒十踐.疲勞分析引法及應用[M]. 北京：國防工業出版社，1991.

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［7］方子嚴,黃士南,胡家順,等.焦炭塔裙座焊縫區域溫度及應力的測試分析[J].壓力容器, 1992,9(2)：37-42.

［8］卓震.化工容器及設備[M].北京：中國石化出版社,1998：253-288.

［9］國家質量技術監督局.壓力容器安全技術監察規程[S].北京：中國勞動社會保障出版社,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

黃磊（1985-），男，遼寧撫順人，助理工程師，遼寧石油化工大學在讀碩士研究生，研究方向：石油化工設備的強度分析與安全評價。E-mail：huangleiaa@tom.com。

張巨偉（1962-），男，教授，主要從事石油化工設備安全方面的研究。E-mail：z6682201@126.com。