延遲焦化裝置焦炭塔錐體裂紋產生原因與修復

(中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆 庫車 842000)

某煉油廠延遲焦化裝置主要加工常減壓蒸餾裝置減壓深拔后的渣油，渣油進入延遲焦化裝置后，先通過加熱爐加熱達到反應條件，然后再進入焦炭塔內進行反應，塔頂的反應油氣進入分餾塔進行分離，塔底的焦炭則經冷卻水高壓除焦后進入焦池，裝車出廠。焦炭塔T301C內徑為9 m，筒體切線高度為24 m，總高度為38.626 m。焦炭塔上段材質(從封頭算起到14.523 m處)為SA387Gr11CL1+06Cr13復合鋼板，下段材質為SA387Gr11CL1鋼，并且根據設計年限和原料性質選定腐蝕裕量為5 mm。

1 焦炭塔錐體裂紋情況

從焦炭塔T301C錐體外部觀察(見圖1)，該穿透性裂紋位于裙座底部第一道環焊縫下方約80 cm處，起源于原焊道(錐體外部遺留焊道)的熱影響區，并沿與水平方向成30°角的方向斜向上擴展，裂紋長約16 cm，寬約2 mm；從焦炭塔T301C錐體內部觀察(見圖2)，裂紋長約8 cm，寬約1 mm。

圖1 焦炭塔T301C錐體外部裂紋

圖2 焦炭塔T301C錐體內部裂紋

2 焦炭塔材質檢測

2.1 化學元素分析

采用便攜式光譜儀對焦炭塔T301C錐體裂紋附近材質進行了化學元素分析，結果見表1。從表1可以看出，主要合金元素Cr含量較低，為標準規定下限值，其他化學成分基本符合標準要求。

2.2 硬度檢測

采用里氏硬度計(HL)對焦炭塔T301C錐體外部裂紋附近及遺留焊道進行硬度檢測，檢測位置如圖3所示，檢測結果換算成布氏硬度(HB)值，列于表2。硬度檢測結果表明，裂紋左下方位置⑤的硬度偏低(80～133 HB)，位置⑩的硬度最高，為216 HB，其余部位硬度為180 HB左右。

表1 錐體裂紋附近材質化學元素分析 w,%

圖3 錐體外部硬度測量位置分布

表2 錐體裂紋附近硬度檢測結果

2.3 金相檢測分析

先對焦炭塔T301C錐體裂紋進行修補，再在錐體外表面距離裂紋修補區較遠的三處典型位置進行取樣(見圖4)，然后依次對試樣進行打磨、拋光和浸蝕處理，最后采用便攜式金相顯微鏡進行金相觀察，金相形貌分析見圖5。分析圖5可知，1號位置的金相組織主要為鐵素體與索氏體，其中黑白條紋部分是索氏體，白色部分是鐵素體。2號和3號位置為遺留焊縫的熱影響區，金相組織均為索氏體與鐵素體，其組織已經發生了劣化，晶粒異常粗大，推測晶粒在高溫下發生了再結晶現象。白色塊狀物內部析出的黑色碳化物，使晶內強度提高。同時，3號位置的金相組織出現許多微裂紋，并且主要以沿晶裂紋為主，晶粒粗大處裂紋明顯增多[1]。

圖4 錐體外部金相試樣取樣位置

圖5 錐體外部的金相組織形貌分析

3 焦炭塔錐體產生裂紋的原因分析

焦炭塔T301C在吊耳焊接作業時遺留一焊道,錐體裂紋在其附近,恰好處于其熱影響區內。由于焊后熱處理不合格，導致焊縫熱影響區的晶內強度提高，晶界塑性變形能力降低，實際變形量超過晶界的塑性變形極限，導致3號位置金相組織中出現以沿晶裂紋為主的微裂紋[2]。對3號位置的微觀裂紋與現場的宏觀裂紋進行對比分析發現，兩者十分相似,因此可認為貫穿裂紋是微小裂紋不斷地擴展和長大的結果。

現場硬度檢測發現，1號位置的硬度為176 HB/181 HB，2號位置的硬度為168 HB/175 HB，3號位置的硬度為149 HB/146 HB/137 HB，為三者中最低。3號位置由于晶粒粗大，強度和韌性下降，在晶界最薄弱部位易出現沿晶微裂紋?，F場貫穿裂紋位置與3號位置類似，均處于遺留焊縫的熱影響區，該貫穿裂紋左下角硬度處于最低值(115 HB/80 HB/83 HB/133 HB)，該位置晶界強度和韌性均較低，極易誘發裂紋。熱影響區內局部晶粒劣化產生微裂紋，在熱疲勞應力的作用下，裂紋加速延伸擴展，不斷地在錐體外表面斜向上及向內生長，最終導致貫穿裂紋的產生和擴展[3]。

4 焦炭塔下部錐體裂紋處理

對焦炭塔T301C錐體裂紋進行滲透探傷(PT)，確定裂紋長度。分別在錐體裂紋兩端開設止裂孔，打磨清除錐體內部和外部的裂紋，出現金屬光澤并經滲透探傷合格后方可進行焊接處理。

焊前預熱后，分別從錐體內外對裂紋進行補焊，焊后進行350 ℃消氫處理，處理時間為2 h。消氫后對焊縫進行射線探傷(RT)[4]，探傷合格后再對其進行焊后熱處理。焊后熱處理制度：400 ℃以上升溫速率為55～140 ℃/h，(690±14) ℃恒溫2 h，400 ℃以上降溫速率為55～180 ℃/h，400 ℃以下進行空氣冷卻。

5 結束語

焦炭塔生產為周期性熱脹冷縮的疲勞過程,其錐體長期處于熱交變應力的作用下，容易產生裂紋，特別是在快速升溫和降溫的過程中，遺留焊縫熱影響區內存在的缺陷極易誘發裂紋的產生。因此，在焦炭塔操作過程中，一定要規范操作，嚴格控制預熱和給水的操作進度，特別是在焦炭塔切換時，一定要將焦炭塔預熱到位，避免溫度急劇上升對焦炭塔本體產生較大的影響。