焦炭塔裙座環(huán)焊縫裂紋原因分析及改進措施

侍 毅

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院連云港分院）

焦炭塔是延遲焦炭塔裝置的主要設(shè)備。 焦炭塔長期運行在高溫、充焦和除焦的冷熱疲勞操作條件下，操作條件十分苛刻。 如果焦炭塔出現(xiàn)故障，則延遲焦化整個工藝流程就無法進行。 在實際生產(chǎn)過程中，焦炭塔與裙座連接的環(huán)焊縫最容易出現(xiàn)裂紋，有的裂紋會穿透整個焊縫，嚴重時甚至造成焦炭塔體與裙座脫開的事 故［1］。

連云港某石化企業(yè)有兩臺焦炭塔裝置建于2009 年12 月，在2018 年4 月大修期間對該裝置進行定期檢驗，發(fā)現(xiàn)塔體與裙座連接的環(huán)焊縫存在多處裂紋。 該焦炭塔的檢驗周期為6 年，查看上次定期檢驗報告，發(fā)現(xiàn)裙座與塔體連接處也有多處裂紋。 筆者就焦炭塔裂紋產(chǎn)生的原因進行分析，并根據(jù)成因針對性地提出改善措施，以確保焦炭塔平穩(wěn)、安全運行。

1 焦炭塔結(jié)構(gòu)及參數(shù)

焦炭塔屬于塔式容器，塔式容器一般直徑較大、高度較高、質(zhì)量較大，普通的支腿難以支撐塔式容器， 而裙座有非常好的承載能力和穩(wěn)定性，因此裙座是塔式容器常見的支撐形式。 焦炭塔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 塔體與裙座的連接一般采用對接和搭接形式，該焦炭塔塔體與裙座采用的是搭接形式，具體如圖2 所示。

圖1 焦炭塔結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 焦炭塔塔體與裙座連接形式

焦炭塔的基本參數(shù)如下：

設(shè)計壓力 0.35MPa

設(shè)計溫度 450（上）/475（下）/495（塔底）℃

操作壓力 0.20MPa

操作溫度 450（上）/475（下）/495（塔底）℃

工作介質(zhì) 渣油、油氣、蒸汽、焦炭

塔體材料 15CrMoR/15CrMoR+410S

封頭材料 15CrMoR/15CrMoR+410S

裙座材料 Q345

塔體厚度 30.0/32.0/36.0/22.0mm+3.0mm

封頭厚度 30.0/38.0/24.0mm+3.0mm

容器內(nèi)徑 8 400mm

容器高度 35 340mm

容積 1 700m3

2 焦炭塔檢驗情況

2.1 宏觀檢驗

經(jīng)現(xiàn)場宏觀檢驗， 焦炭塔保溫層整體良好，但是下部尤其是裙座附近有部分破損，保溫巖棉裸露在外， 拆除部分巖棉發(fā)現(xiàn)有雨水進入的情況。 內(nèi)外表面腐蝕情況良好，塔體未出現(xiàn)變形、鼓包等情況，直線度符合標準要求。 內(nèi)部堆焊層無龜裂、剝離和脫落現(xiàn)象。 裙座及其基礎(chǔ)未出現(xiàn)下沉、傾斜和開裂情況。

2.2 無損檢測

焦炭塔的塔體和裙座材料均為鐵磁性材料，根據(jù)TSG 21—2016 標準中8.3.6 條規(guī)定［2］，鐵磁性材料優(yōu)先采用磁粉檢測，同時考慮焦炭塔的結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場情況，焦炭塔塔體與裙座連接處表面缺陷檢測采用宏觀檢驗和磁粉檢測相結(jié)合的方法， 檢測設(shè)備為磁粉探傷機 （型號ZCMDX1203）。 經(jīng)檢驗，在裙座與焦炭塔塔體連接的焊縫處發(fā)現(xiàn)多處裂紋且都呈橫向延伸， 長度在30～300m，其中一條裂紋經(jīng)打磨深度達20mm，所有裂紋均未損傷到焦炭塔本體。

2.3 壁厚檢驗

利用CYGNUS 3+型超聲波測厚儀對上下封頭和塔體進行測厚，每塊鋼板測3 個點，3 個點分布在每塊鋼板的上、中、下3 個部位。 檢測后與設(shè)計資料以及上次檢驗報告數(shù)據(jù)進行對比，焦炭塔壁厚沒有明顯減薄， 各位置壁厚均符合設(shè)計要求。

2.4 光譜分析

使用直讀式光譜儀對焦炭塔母材進行材質(zhì)分析， 檢測設(shè)備為美國尼通XL3t-800 合金分析儀。 結(jié)果表明， 材料化學成分滿足GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求。

3 理化分析

3.1 硬度檢測

對焦炭塔塔體與裙座連接的角焊縫、塔體母材和裙座進行硬度檢測。 檢測部位的硬度均正常，母材129～150HB，焊縫金屬145～180HB，熱影響區(qū)176～193HB。

3.2 金相分析

裂紋處附件的塔體母材顯微組織為鐵素體和珠光體； 熱影響區(qū)顯微組織為鐵素體和大小不均的珠光體；焊縫顯微組織為鐵素體和珠光體。 金相組織均正常，且未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋和球化現(xiàn)象。

4 焦炭塔裙座環(huán)焊縫裂紋原因分析

分析光譜、金相、硬度檢測和壁厚檢驗結(jié)果可知，焦炭塔沒有出現(xiàn)脫碳、增碳、球墨化及材質(zhì)硬化等現(xiàn)象，并且也沒有出現(xiàn)壁厚減薄影響焦炭塔整體強度的情況。 這些裂紋主要是由于塔體與裙座的溫差、相互的變形約束、頻繁加熱冷卻引起的交變熱應(yīng)力及局部機械應(yīng)力等原因聯(lián)合造成的。

焦炭塔塔體與裙座之間的連接角焊縫焊量很大，堆焊上百遍，十多層焊道，焊縫寬帶有百余毫米［3］。 此外，焦炭塔為現(xiàn)場安裝組焊，現(xiàn)場施焊環(huán)境較為惡劣，盡管能有效改善裙座的總體應(yīng)力水平，但是由于焊縫的熱機械強度低于母材的熱機械強度，同時角焊縫有著較大的剛性約束。 因此在頻繁極度冷熱循環(huán)條件下，焦炭塔裙座與塔體連接焊縫及其附近有著較大的交變熱應(yīng)力，從而導致了熱疲勞裂紋產(chǎn)生。

保溫層破損也是造成裂紋產(chǎn)生的主要原因［4］。焦炭塔保溫質(zhì)量的好壞，對減少局部應(yīng)力腐蝕也有極其重要的作用。 當保溫層破損，長期裸露， 尤其在冬季或者下雨下雪等溫度較低的時候，會造成塔內(nèi)外溫差劇增，熱應(yīng)力變大，造成塔體變形、焊縫開裂。 現(xiàn)場檢驗發(fā)現(xiàn)裙座附近的保溫層有修補的痕跡， 而且修補的地方保溫不嚴密，容易進入雨水。

5 安全措施及建議

為了防止焦炭塔裙座與焦炭塔體連接處在使用過程中產(chǎn)生裂紋，應(yīng)從設(shè)計制造安裝、使用管理和檢驗維修3 方面著手制定相應(yīng)的安全措施：

a. 設(shè)計制造安裝方面。 設(shè)計過程中，通過改善焊接結(jié)構(gòu)和保溫措施適當降低塔體與裙座之間的溫差，改善焊縫及其附近的應(yīng)力狀況，如裙座與殼體連接部位采用整體鍛焊結(jié)構(gòu)代替堆焊結(jié)構(gòu)。 焦炭塔現(xiàn)場安裝施工過程中，要嚴格執(zhí)行焊接工藝參數(shù)，控制層間溫度，認真做好焊前焊后熱處理，防止冷裂紋的產(chǎn)生［5］。

b. 使用管理方面。 焦炭塔在使用過程中，確保保溫層的質(zhì)量， 一旦發(fā)現(xiàn)保溫破損或脫落，應(yīng)當及時進行修復(fù)。 此外，嚴格執(zhí)行工藝操作規(guī)程，確保每個步驟有足夠的時間，盡量減少溫度的急劇升降，降低溫度梯度，減小熱應(yīng)力。 在日常生產(chǎn)中，企業(yè)應(yīng)認真做好定期自行檢查工作，嚴格按照標準要求對壓力表、測溫儀器和安全閥進行校驗，防止設(shè)備出現(xiàn)超溫超壓使用的情況。 定期對設(shè)備進行巡查，認真檢查日常維護記錄、運行記錄，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行的異常情況。

c. 檢驗維修方面。 對于檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的裂紋， 應(yīng)打磨進行消除， 若打磨后形成的凹坑在TSG 21—2016 標準8.5.4 條允許范圍內(nèi)， 則不影響定級。 否則，應(yīng)進行補焊或者應(yīng)力分析，合格后方可使用。

6 結(jié)束語

焦炭塔是石化企業(yè)的核心設(shè)備之一，在生產(chǎn)過程中，焦炭塔裙座與塔體連接處的環(huán)焊縫極易產(chǎn)生橫向裂紋。 裂紋產(chǎn)生的根本原因是保溫層破損導致內(nèi)外溫差所引起的熱應(yīng)力和現(xiàn)場組焊過程中焊接應(yīng)力聯(lián)合作用產(chǎn)生的。 而企業(yè)對設(shè)備出現(xiàn)問題后不能及時解決是裂紋產(chǎn)生的直接原因。因此，要降低焦炭塔的安全隱患，應(yīng)當從焦炭塔的設(shè)計、現(xiàn)場組焊安裝及企業(yè)使用管理等多方面著手，對焦炭塔進行全過程、全方面的質(zhì)量控制，尤其需要關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接工藝、現(xiàn)場施焊、缺陷處理及日常安全檢查等重點環(huán)節(jié)。