在用15CrMoR焦炭塔定期檢驗探究

王清棟

（合肥通用機械研究院安徽壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽合肥 230031）

在用15CrMoR焦炭塔定期檢驗探究

王清棟

（合肥通用機械研究院安徽壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽合肥 230031）

焦炭塔使用過程中存在低周熱應力疲勞和應力腐蝕開裂問題，分析如腐蝕減薄、機械損傷、鼓凸、塔體本身A、B類焊縫和裙座焊縫熱疲勞裂紋、材料裂化等焦炭塔可能的失效模式。說明焦炭塔檢驗過程及注意事項。

15CrMoR；焦炭塔；失效模式；檢驗方案；表面檢測

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.60

0 引言

延遲焦化是一種熱裂化工藝，它以常減壓蒸餾裝置的減壓渣油為原料，在高溫（約500℃）進行深度的熱裂化和縮合反應，生成油氣、輕質油、中間餾分和焦炭。延遲焦化的工藝特點是，每間隔16～48 h，進行一次室溫至487℃之間的升降循環，同時容器內的介質也經歷氣—液—固三相的循環。焦炭塔是延遲焦化的關鍵設備之一，工況的惡劣，運行條件的苛刻，導致其在運行一個或幾個檢驗周期后一般存在腐蝕減薄、塔體A、B類焊縫和裙座焊縫、接管角焊縫開裂等問題。對于焦炭塔這種容積大、溫度高、失效機理復雜、失效后果嚴重的設備，需制定有針對性、完善、可靠的檢驗方案，對焦炭塔實施高效的檢驗。

根據天津某石化廠焦炭塔（C3101A）檢修實例，闡述焦炭塔檢驗過程中存在的問題和處理方法，以期給其他焦炭塔的檢驗提供借鑒。

1 失效原理分析

1.1 焦炭塔風險分析

焦炭塔為單層立式容器，介質為反應油氣，一般硫的質量分數和酸值較高，腐蝕性較強。焦炭塔在16～48 h的生產周期內，一般需經過蒸、油預熱，進油生焦，蒸汽冷卻，給水冷卻，放水，除焦和試壓等多個操作步驟。焦碳塔承受溫度范圍為常溫至487℃周期變化，塔壁內外形成溫差應力，也容易形成熱疲勞裂紋。

焦炭塔工作介質內存在硫、氯等，故主要潛在損傷機理是高溫硫腐蝕、酸性水腐蝕、硫化物應力腐蝕開裂、熱疲勞和熱沖擊等[1]。

1.2 失效模式

根據焦炭塔的工藝、工況、工作介質，分析其主要存在的失效模式有：

（1）腐蝕減薄。焦炭塔的腐蝕主要發生在上段氣相區及泡沫層的碳鋼構件位置,此外高壓水沖刷、介質波動也會加劇腐蝕[2]。常見的腐蝕有：高溫硫腐蝕，H2S-HCl-H2O腐蝕，環烷酸腐蝕和其他腐蝕等。其中高溫硫腐蝕和H2S-HCl-H2O等酸腐蝕發生在塔體內部，主要是封頭頂部，頂部接管、上部筒體處。塔體保溫材料破損或其他原因，致使雨水混同保溫材料中的參與腐蝕物質，在高溫、高濕環境中易形成層下腐蝕，其主要存在塔體（外）封頭頂部、接管及出口管線或保溫層出現破損的部位。對以上部位，宏觀檢查和測厚檢測時應重點關注。

正常操作中，下部筒體內壁會形成一層致密的焦炭，下部筒體一般不考慮高溫硫腐蝕、低溫濕硫化氫腐蝕造成的損害[3]。

（2）應力腐蝕開裂。在濕硫化氫的環境中，腐蝕產生的氫原子擴散到材料中形成氫分子，引發氣泡或材料應力開裂[4]。同時，在殘余應力較高的部位，如上部封頭與筒體對接焊縫、接管角焊縫，筒體對接焊縫均有發生應力腐蝕開裂的可能。

（3）機械損傷。焦炭塔的載荷條件復雜，焦炭塔的工藝流程為：高溫減壓渣油從塔底進入塔中生焦，塔體受熱膨脹，溫度高達490℃，冷焦除焦時，塔內進水冷卻，溫度又急劇降低，造成塔體在一個循環內不同截面不同部位的載荷各異，材料易產生變形。尤其在除焦階段，由于溫度降低（約80℃），焦炭和塔壁均有收縮，但焦炭收縮小于塔體收縮，致使塔壁不能自由收縮，這樣焦炭與塔壁間產生套合壓力，導致塔壁內產生了極大的殘余應力，對塔體造成破壞[5]。

溫度周期變化引起的材料應力的周期變化，也導致了熱疲勞裂紋的產生[4]。尤其裙座部位應力集中，溫差應力較大、塔體變形拘束等不利因素，這些部位極易出現開裂。

（4）材料裂化。因焦炭塔主體材料為15CrMoR，材料裂化發生概率較小。

2 檢驗前準備

基于以上失效原理分析和失效模式判斷，根據相關規范、標準、焦炭塔圖紙及有關技術資料等，制定全面檢驗方案。

依照檢驗方案，對相關輔助單位進行技術交底。裝置停車后，車間負責吹掃置換，用盲板隔斷全部介質來源。高壓水槍清洗塔內壁、腳手架搭設及表面打磨等工作由輔助單位完成，至達到全面檢驗條件。

3 檢驗項目及內容

3.1 資料審查

資料審查主要包括設計、制造資料，安裝施工資料、記錄，使用登記證，歷次檢驗報告，焦炭塔運行時溫度、壓力、介質含H2S等雜質情況的記錄等。焦炭塔主要設計參數：容器類別II類，設計壓力0.35 MPa，設計溫度465～505℃，主體材料15CrMoR，設計年限15 a，制造規范GB 150—1998，封頭型式球形/錐形，支座型式裙座，操作壓力0.24 MPa，操作溫度445～487℃，容積1455 m3，工作介質油氣、水、焦炭。

該塔采用舞陽鋼鐵有限公司生產的15CrMoR（H）制造。隨機調取一張熔爐號為42541N，批號為GC406802的鋼板材料證明書和復驗報告，其力學、彎曲性能實驗報告顯示10℃沖擊吸收能分別為 272 J，286 J，256 J，500 ℃抗拉強度οb=425 MPa，屈服強度ο0.2=235 MPa，斷后伸長率δ5=28%，斷面收縮率ψ=80%，均滿足技術要求。鍛件、焊材等材料的質量證明書和復驗報告等也進行核對。

該塔設計資料、產品質量證明書、產品合格證、使用登記證和歷次檢驗報告等資料齊全，在上次檢驗中，裙座與下錐封焊縫經磁粉檢測發現15處裂紋，已經消除，但報告仍建議2013年對該部位進行表面檢測。故本次重點關注上次檢驗發現問題的焊縫，使得檢驗工作更具有針對性。

3.2 宏觀檢查

3.2.1 結構檢驗

該塔裙座采用對接型角焊縫，環向優化設計均布14個U形槽，避開封頭拼接焊縫，避免焊縫交叉。U形槽部位如不能圓滑過渡，易造成應力集中，也是裂紋多發部位。資料審查時發現該塔裙座U形槽曾發現多處裂紋，已修復。本次檢驗中發現返修部位未進行有效打磨，使之圓滑過渡，產生應力集中，易產生裂紋，需重點關注。

該塔承受高溫交變疲勞載荷，在筒體上應盡量不開孔而改開在封頭上，部分接管補強圈與塔體搭接貼合不良，熱傳遞效果差，溫度越高溫差應力越大，抗疲勞性能越差，應重點進行表面檢測[2]。

3.2.2 幾何尺寸檢驗

塔體焊縫余高，是因其應力集中而產生疲勞裂紋的根源，因此設計技術條件規定：鉻鉬鋼之間的A、B類對接焊縫，其表面必須打磨至與母材平齊，鉻鉬鋼與碳鋼之間的對接接頭的焊縫金屬余高不得大于2 mm，接管與筒體或封頭之間的焊接接頭及其他角焊縫，外部圓滑過渡，內部應打磨至與母材平齊，減小應力集中。宏觀檢查發現，多數焊縫余高符合技術條件要求，但也存在少量鉻鉬鋼之間的A、B類焊縫余高為1～2 mm情況，部分接管角焊縫未圓滑過渡。本次要求打磨接管角焊縫，A、B類焊縫超標余高，使之符合技術要求。其余如A、B焊縫對口錯邊量、棱角度、焊縫布置、封頭形式等未發現異常，一并進行詳細測量和記錄。

3.2.3 殼體外觀腐蝕檢驗

15CrMoR鋼具有良好的高溫力學性能、抗高溫氧化性能和抗腐蝕性能，本次檢查未發現上段氣相區及泡沫層碳鋼構件位置內表面存在腐蝕現象。

（1）地腳螺栓。除焦作業時，使用高壓水沖擊塔壁，塔體振動易導致底座墊鐵外逸，螺栓松動，檢查斜鐵之間以及斜鐵與底座環之間是否焊牢[2]，螺栓是否銹蝕、松動，未發現異常。

（2）鉛垂度。除焦時焦炭塔頭重腳輕，各方向受力不均或者塔體下部鼓脹變形，都會造成塔體的傾斜[2]。此次檢查測得鉛垂線與下部靶心偏離，與上一檢驗周期所測數據相比，基本無變化，判斷偏離已趨于穩定，但也應間隔一段時間對其鉛垂度使用全站儀等設備進行測量。

3.2.4 隔熱層與襯里的檢驗

為減小熱應力，裙座上采用鉻鉬鋼塔器大型背帶式保溫結構，對減少局部應力及塔器外部腐蝕起到了一定的作用，但是，大量的鋼背帶包扎在塔體表面，致使部分A、B類焊縫和D類焊縫無法檢測，而D類焊縫恰是裂紋高發所在，這給檢驗工作帶來不便，也是檢驗工作不足之處。

4 壁厚測定

本次測厚檢測使用CTS-30A儀器，測厚儀校驗合格并在有效期內。封頭與筒體測厚部位距縱、環焊縫50 mm處，接管距焊縫50 mm處分4個方位測定，每張鋼板一般測定4處，以便查找塔體減薄最大處，掌握塔體均勻腐蝕情況。

經過測定，筒體名義壁厚26/28/30/32 mm，2010年4月測量最小值-/28.4/30/31.4 mm，本次實際測量最小值分別為25.3/27.6/29.9/31.4 mm；封頭名義厚度26/32 mm，2010年4月測量最小值25/31.7 mm，本次實際測量最小值25/31.4 mm。同時對接管進行測量并與名義厚度及上次檢驗報告進行對比，未見明顯減薄現象。

5 表面檢測

5.1 內壁表面檢測

為提高缺陷檢出率，內壁表面磁粉檢測時宜采用熒光磁粉。本次檢驗中，塔內光照充足，可見光＞1000 lx，未使用熒光磁粉，采用反差增強劑增加對比度，以提高裂紋檢出率。在內壁檢測中，根據以往的經驗和焦炭塔的工藝特點，對塔體上部及封頭A、B類焊縫抽檢，實際檢測比例達30%。對上封頭接管角焊縫全部進行滲透檢測。對磁粉檢測存在疑問部位輔以滲透檢測驗證。檢測中發現，接管角焊縫存在多處淺表裂紋，打磨后消除，其中油氣出口角焊封發現氣孔超標缺陷，本次一并打磨消除。

對下部筒體與底部錐段對接焊縫及下部錐形封頭內壁A、B類焊縫100%進行磁粉檢測，未發現磁痕顯示。

5.2 外壁表面檢測

外壁表面檢測主要是裙座、下部筒體與底部錐段對接焊縫、上部筒體與上封頭對接焊縫及上封頭拼接焊縫、接管角焊縫等。對裙座與筒體連接的角焊縫、裙座U形槽進行重點檢測，必要時使用內窺鏡檢查裙座角焊封的根部。

經檢測，裙座角焊縫存在多處裂紋，多為環向裂紋，少量裂紋向母材厚度方向擴展，任其擴展恐穿透塔壁造成泄漏。U形槽附近角焊縫焊接時，U形槽邊緣部分未能做到圓滑過渡，作為應力集中處，U形槽的上部出現較多裂紋，部分裂紋擴展至裙座角焊縫，造成整條角焊縫貫穿式開裂。上筒體與上封頭對接焊縫存在多處淺表裂紋，頂部封頭油氣出口接管角焊縫，存在環向斷續淺表裂紋，本次檢驗打磨消除。

其余無法進行打磨消除的裂紋，我單位對廠家下達特種設備檢驗意見通知書。返修單位根據檢驗中發現的缺陷、分析缺陷性質、類別，制定出有針對性的返修方案，對缺陷部位進行消除、補焊并復探合格。

6 超聲檢測

超聲檢測選用儀器型號為PXUT-350+，重點對焦炭塔下部錐形封頭A、B類焊縫、焦炭塔筒體上部A、B類焊縫，應力集中部位進行超聲檢測。按照NB/T 47013.3—2015要求，一般采用一種K值探頭進行單面雙側檢測，必要時采用兩種K值探頭進行重復檢測，以減少盲區影響。對評定線以上的缺陷進行記錄，對定量線以上的缺陷進行記錄并測量長度和埋藏深度[6]。

7 其他理化檢驗

技術條件要求：殼體（包括開口接管）上的A、B、D類焊接接頭的焊縫金屬、熱影響區及母材，下封頭與裙座的焊縫金屬、熱影響區及母材，其熱處理后硬度≤225 HB。本次檢驗，對存在腐蝕、數據異常部位進行重點測定，未發現超標現象存在。金相檢查和安全附件檢查，也按照檢驗方案進行，未發現異常。

8 結語

根據焦炭塔設計結構、材料及工藝，進行風險分析和失效模式判斷，制定詳細、可靠的在用焦炭塔全面檢驗方案。本案例能為同類焦炭塔檢驗提供參考。在焦炭塔的檢驗過程中，如激光全站儀測量鉛垂度，電位法測量裂紋深度，基于風險的檢驗技術（RBI）等先進的檢測方法和理念也在焦炭塔的檢驗中逐步得到推廣，我們應積極使用新方法、新技術，確保焦炭塔安全長周期運行。

［1］周揚等.焦炭塔基于風險的檢驗策略.石油化工設備技術［J］.2014（2）：17.

［2］王新建，徐東，孫衛國.焦炭塔的定期檢驗.中國資源綜合利用［J］.2015（10）：59.

［3］徐勝等.基于風險的檢驗技術（RBI）在焦炭塔上的應用［J］.化工機械，37（2）：219-221.

［4］HG/T 20581—2011.鋼制化工容器材料選用規定［S］.

［5］趙瑩等焦炭塔的鼓凸損傷分析.西安石油學院學報［J］.1998（6）：40-41.

［6］NB/T 47013—2015.承壓無損檢測［S］.

TQ520.5

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〔編輯 李 波〕