焦炭塔在定期檢驗(yàn)中應(yīng)注意的問題

曾鳴

（漢中市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 723000）

焦炭塔在定期檢驗(yàn)中應(yīng)注意的問題

曾鳴

（漢中市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 723000）

延遲焦化是將渣油經(jīng)深度熱裂解轉(zhuǎn)化為氣體和烴、中質(zhì)餾分油及焦炭的加工過程，是煉油廠提高輕質(zhì)油采收率和生產(chǎn)石油焦的主要手段，而焦炭塔就是延遲焦化裝置中必不可少的一種重要設(shè)備[1]。隨著煉化裝置大型化的發(fā)展，焦化裝置焦炭塔的直徑也相應(yīng)增大，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造焦炭塔的最大直徑已達(dá)9.8m，材質(zhì)的等級(jí)也相應(yīng)提高，但由于焦炭塔的工作溫度高，工作周期長(zhǎng)和溫度變化大等原因，造成焦炭塔在工作中要承受較高的溫度疲勞應(yīng)力，容易造成焦炭塔的整體失效。因此在定期檢驗(yàn)中熟練掌握焦炭塔的失效特點(diǎn)和采用正確的檢驗(yàn)手段就顯得尤為重要。

1 焦炭塔的失效形式及特點(diǎn)

掌握焦炭塔的失效特點(diǎn)，是提高焦炭塔檢驗(yàn)水平的關(guān)鍵，只有全面了解焦炭塔的失效特點(diǎn)，才能有針對(duì)性的制定檢驗(yàn)方案，才能保證焦炭塔的檢驗(yàn)水平。焦炭塔的主要失效形式有以下幾個(gè)方面：

1.1 開裂

焦炭塔的局部開裂是焦炭塔的主要失效形式之一，開裂主要發(fā)生在以下幾個(gè)方面：

（1）焦炭塔的裙座開裂。這是因?yàn)榻固克ぷ髦?，溫差?yīng)力造成的疲勞開裂。裙座焊縫開裂是從角焊縫的根部起裂，最后貫穿焊縫。

（2）焦炭塔塔體焊縫的開裂。理論上焦炭塔塔體焊縫的開裂主要是焊縫內(nèi)部缺陷擴(kuò)展和冷卻或停工時(shí)的應(yīng)力腐蝕造成的，其開裂主要發(fā)生在上部。實(shí)際檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，其開裂主要發(fā)生在上部。主要是塔底部的結(jié)焦層對(duì)焦炭塔塔體有很好的保護(hù)作用，這層結(jié)焦在高溫時(shí)保護(hù)塔體不受高溫硫的腐蝕，在低溫時(shí)不受濕H2S應(yīng)力腐蝕侵害。焦炭塔上不主要為輕組分的含硫油氣，對(duì)焦炭塔塔體構(gòu)成腐蝕，因此開裂多發(fā)生在上部。

1.2 鼓凸與偏斜

使用多年的焦炭塔都有不同程度的鼓凸和偏斜發(fā)生，這是因?yàn)楫?dāng)塔內(nèi)物料由480℃左右冷卻到環(huán)境溫度過程中，水自軸向流入塔內(nèi)造成塔體軸向溫度梯度，而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)軸向溫度梯度大于5.6℃/25mm時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力可大于塔體材料的屈服極限，這一過程在塔體冷卻到環(huán)境溫度后又循環(huán)發(fā)生，在冷卻和加熱的過程中塔的載荷在48h內(nèi)有空載（200t）升到滿載（900t）。長(zhǎng)期操作的焦炭塔經(jīng)反復(fù)冷卻，反復(fù)加熱及載荷反復(fù)變化而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致塔體的環(huán)向鼓凸和破裂。由于焦炭塔的鼓凸與偏斜在測(cè)量時(shí)缺乏基準(zhǔn)，目前又無(wú)統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，因此很難通過測(cè)量結(jié)果判斷焦炭塔在工作中產(chǎn)生的鼓凸與偏斜到底有多大，這是焦炭塔檢驗(yàn)中的難點(diǎn)之一。

1.3 材質(zhì)變異

焦炭塔長(zhǎng)期使用在400～475℃的高溫環(huán)境下，早期的焦炭塔制造材料主要為20G、20R材料，這種材料的使用性能隨著溫度的升高，其力學(xué)性能將會(huì)下降，特別是其高溫強(qiáng)度下降明顯。其內(nèi)部組織會(huì)發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)球化、石墨化傾向，也降低了材料本身的強(qiáng)度和疲勞壽命，因此高溫操作條件下焦炭塔筒體材料的損傷和變異問題，在焦炭塔中是值得注意的一個(gè)問題。

1.4 焦炭塔下蓋的變形

焦炭塔的下塔蓋是焦炭塔的重要部件。在高溫和頻繁的操作過程中，下塔蓋極易發(fā)生變形，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，如工作中下塔蓋發(fā)生泄漏，將造成極其嚴(yán)重的后果。

2 焦炭塔的定期檢驗(yàn)

根據(jù)焦炭塔的失效型式和特點(diǎn)，在定期檢驗(yàn)中應(yīng)采取有針對(duì)性的檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.1 資料審查

焦炭塔的資料審查常規(guī)設(shè)計(jì)、制造和安裝資料，使用登記資料，運(yùn)行資料、歷年的定期檢驗(yàn)、停工檢修記錄、主要零部件的更換記錄等項(xiàng)目外，重點(diǎn)應(yīng)掌握焦炭塔的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行次數(shù)。認(rèn)真分析焦炭塔的工藝流程、使用工況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定行之有效的檢驗(yàn)方案。

2.2 宏觀檢驗(yàn)

（1）檢查焦炭塔的所有接管角焊縫，尤其是堵焦閥的接管角焊縫。檢查有無(wú)明顯變形和開裂。

（2）檢查焦炭塔裙座有無(wú)開裂。

（3）用目視和鋼板尺結(jié)合，檢查焦炭塔是否發(fā)生鼓凸變形，檢查重點(diǎn)是焦炭塔的裙座以上部位。

（4）檢查基礎(chǔ)是否下沉、塔體是否傾斜、注意觀察保溫層是否有潮濕、變色、漏氣、漏液的痕跡以及保溫層的完好程度。

2.3 壁厚測(cè)定

壁厚測(cè)定，一般采用超聲波測(cè)原方法，測(cè)定位置應(yīng)當(dāng)有代表性，有足夠的測(cè)點(diǎn)數(shù)。應(yīng)以泡沫段以上部位，包括塔體筒節(jié)、球形封頭、上部的鉆焦口、油氣出口、安全閥接口、開工線口等接管為重點(diǎn)測(cè)量部位。測(cè)定后標(biāo)圖記錄，對(duì)異常測(cè)厚點(diǎn)做詳細(xì)標(biāo)記。

2.4 無(wú)損檢測(cè)

焦炭塔無(wú)損檢測(cè)以表面檢測(cè)為主，超聲波檢測(cè)為輔，重點(diǎn)無(wú)疑是裙座角焊縫及堵焦閥與筒體連接的接管角焊縫的表面無(wú)損檢測(cè)，焦炭塔內(nèi)壁上部的焊縫和熱影響區(qū)也有可能因?yàn)閼?yīng)力腐蝕等原因出現(xiàn)裂紋，也應(yīng)全面進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)。框架和構(gòu)件的支撐點(diǎn)部位、裙座柔性槽及U型槽也是重點(diǎn)部位。

2.5 硬度測(cè)定和金相檢驗(yàn)

（1）焦炭塔的硬度測(cè)定

硬度測(cè)定是壓力容器定期檢驗(yàn)中的重要檢測(cè)手段之一。焦炭塔在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于球化等使材料變異，會(huì)導(dǎo)致材料的性能下降，反映在硬度測(cè)定結(jié)果中，就是硬度值降低。而焦炭塔運(yùn)行中的熱棘輪效應(yīng)造成的局部屈服，反映在硬度測(cè)定結(jié)果中就是硬度值升高。裙座以下部位和鼓凸明顯的部位是硬度測(cè)定的重點(diǎn)。

（2）焦炭塔的金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)是檢測(cè)金屬材料的中重要手段之一。在使用過程中，材料會(huì)發(fā)生球化變異。金相檢驗(yàn)是檢查并判斷其材質(zhì)是否正常，在使用中有無(wú)發(fā)生變異，以及變異程度的直接手段。在焦炭塔現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)在所有有代表性的部位選取測(cè)點(diǎn)，以求全面了解焦炭塔的材質(zhì)情況，對(duì)材料組織進(jìn)行評(píng)級(jí)。

2.6 應(yīng)力分析及熱應(yīng)力計(jì)算

熱應(yīng)力計(jì)算是焦炭塔壽命及安全評(píng)估的重要工作。應(yīng)力分析分為局部應(yīng)力分析和整體應(yīng)力分析，局部應(yīng)力分析工作量小、成本低、但是結(jié)果代表性不強(qiáng)，整體應(yīng)力分析可以進(jìn)行焦炭塔操作工程中各階段的溫度場(chǎng)分布、載荷、應(yīng)力分析以及對(duì)焦炭塔的壽命進(jìn)行評(píng)估。

整體應(yīng)力分析建立模型時(shí)，對(duì)焦炭塔各部位分別進(jìn)行應(yīng)力分析，模型中包括與下椎體相連的兩個(gè)筒節(jié)、筒節(jié)與筒節(jié)、筒節(jié)與下椎體間用焊縫連接的部位，建模時(shí)還應(yīng)考慮包裹在塔壁外邊的保溫材料。計(jì)算中根據(jù)塔壁溫度場(chǎng)的軸對(duì)稱假設(shè)，其位移、應(yīng)力及應(yīng)變場(chǎng)是軸對(duì)稱的要進(jìn)行分析。應(yīng)力分析主要有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）塔壁溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力計(jì)算。該項(xiàng)計(jì)算包括塔壁在整個(gè)操作過程中溫度場(chǎng)的變化及由于溫度導(dǎo)致的熱應(yīng)力，包括裙座與椎體對(duì)接形式和整體結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算，并對(duì)二者的熱應(yīng)力情況進(jìn)行比較；

（2）機(jī)械應(yīng)力。考慮結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓、自重、介質(zhì)重量、風(fēng)載和地震載荷作用下的應(yīng)力情況；

（3）塔壁組合應(yīng)力的計(jì)算。計(jì)算塔壁的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用下的應(yīng)力情況，考察危險(xiǎn)點(diǎn)處的總應(yīng)力是否達(dá)到許用應(yīng)力，對(duì)塔壁進(jìn)行穩(wěn)定性分析；

（4）裙座組的應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算操作各階段裙座危險(xiǎn)界面的最大軸向壓應(yīng)力，進(jìn)行熱穩(wěn)定性校核；

（5）根據(jù)溫度分布計(jì)算的結(jié)果作為輸入條件，對(duì)塔體進(jìn)行彈性及塑形計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行低循環(huán)熱疲勞計(jì)算。

[1]強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社，2008，5.

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1004-7344（2016）03-0200-01

2016-1-10