提高焦炭塔的可靠性和寿命的措施

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1、提高焦炭塔操作可靠性延长焦炭塔疲劳寿命的若干措施中国石化工程建设公司 顾一天2007年11月20号 焦炭塔是延迟焦化装置重要设备，操作压力约为0.10.7MPa（表），操作温度高达427495，生产针状焦的焦炭塔操作压力达0.70.8MPa，操作温度达510520。通常操作温度在常温至约500之间变化，一般每48小时为一个操作周期，生焦周期为24小时，焦炭塔反复处于骤冷骤热，承受高压水冲击等苛刻条件中。焦炭塔是炼油厂中操作条件最苛刻的疲劳容器之一。目前为了提高装置的处理量，生焦周期趋向缩短，一般为1618小时，操作周期为3236小时。这样对焦炭塔的疲劳寿命提出了更高要求。焦炭塔的破坏形式包括：

2、裙座鼓包和开裂、壳体鼓包和开裂、复层开裂、腐蚀和剥离。鼓包和开裂是影响焦炭塔完整性和可靠性的常见因素。焦炭塔每天都在经受严厉的热循环、压力循环、和机械循环，在这种环境下操作的焦炭塔用不了多久，在其环焊缝附近就会鼓胀，鼓胀可能引起不可接受的应力直至开裂。焦炭塔的开裂，一般来说有以下原因：设计时未考虑低周疲劳和焦炭的压应力没有采用实测的瞬时热应力或应力范围操作切换和冷却程序更加苛刻制造过程有缺点焦化的操作周期越来越短（1016小时）原料油性质不同，加工更加困难。焦炭塔的失效发生在不同的操作周期，失效的频率随使用年限的增加而增加。通常发生穿透性裂纹所需要的典型时间间隔是30005000周期（2436

3、小时每一个循环），但是有的炼厂报告在使用时间不长的情况下也发生开裂。正常情况下，如果焦炭塔是首次使用，头5年不应发生鼓胀和开裂。在发生鼓胀和开裂的地方，通常会测量到超常大的应力值，焦炭塔的轴向应力和周向应力峰值分别超过843.7Mpa和808.5MPa。平均轴向应力和周向应力为337.4MPa和281.2MPa。在循环过程中产生的超常应力将严重影响焦炭塔的寿命。有资料介绍国外某公司建于90年代的大多数焦炭塔（至少8台）45年内壳体和裙座就出现穿透性裂纹。提高焦炭塔的可靠性，延长疲劳寿命是焦炭塔设计、制造、操作等各方面所追求的共同目标，目前世界各国都在为此研究开发各项新技术。根据对国内外焦炭塔成

4、熟的新技术的调查，一般采取以下措施：一、提高焦炭塔塔体材质美国石油学会于1968年、1980年和1996年对美国国内外145台焦炭塔的使用状况进行了三次调查研究，并提出了报告。报告表明，美国用于制造焦炭塔的材质主要有三种：（1）碳钢（例如A285C级）。（2）碳钼钢（例如A204C级）。（3）铬钼钢（例如SA387 Gr.11）。用碳钢制造的焦炭塔已使用多年，其优点是制造容易，对于小直径的塔，价格便宜，投资省。缺点是耐热强度低，易变形，焊缝易开裂，维修费用高。用碳钼钢的优点是耐热强度稍高，但制造较复杂，需要整体热处理。用铬钼钢，耐热强度更高，抗腐蚀性好，尽管制造也有一定难度，需要热处理等，但高

5、温性能好、疲劳寿命较长。通常铬钼钢焦炭塔最早产生穿透裂纹的时间为12年；碳钼钢焦炭塔为8年； 碳钢焦炭塔只有7年。据1996年API调查，19501959年，大量采用碳钢和CMo钢。19801997年大量使用Cr-Mo钢。CrMo钢中常用的是1Cr-1/2Mo、1 1/4Cr-1/2Mo-Si和2 1/4Cr-1Mo钢，从1970年以后，Cr-Mo钢塔的数量不断增加，尤其是1 1/4Cr-1/2Mo-Si钢塔增加很快。因为1 1/4Cr-1/2Mo-Si钢和1Cr-1/2Mo钢相比，许用应力高，对缺口敏感性小，耐热性更好。见表1：表1 焦碳塔所用不同钢材的性能比较材料1Cr-1/2Mo1 1/

6、4Cr-1/2Mo-Si注许用应力475(Mpa)107116按ASME VIII篇第一分篇高温屈服强度475(Mpa)176.5185.5按ASME II篇D分篇 1Cr-1/2Mo钢主要是珠光体组织而1 1/4Cr-1/2Mo-Si钢主要是贝氏体组织，后者钢板二分之一厚度处的冲击值更高且稳定。 API调查指出：新塔的材料选择趋向于提高Cr-Mo合金元素的含量。例如采用2 14Cr-1.0Mo钢，因为它具有更高的屈服强度、蠕变强度和抗蠕变疲劳能力，因而能更好的抵抗热循环。为了进一步提高焦炭塔寿命，美国已开始采用2 1/4Cr-1Mo钢，例如福斯特惠勒（Foster-Wheeler）公司为印度

7、信诚石油公司（Reliance Petroleum Ltd）设计的直径29英尺的焦炭塔下部锥体采用2 1/4Cr-1Mo钢，上部壳体采用1 1/4Cr-1/2Mo-Si钢。据资料介绍，美国目前正在研究采用含3Cr钢制造焦炭塔。我国的15CrMoR相当于1Cr-1/2Mo钢，14Cr1MoR相当于1 1/4Cr-1/2Mo-Si 2类钢。15CrMoR钢比碳钢（20R）有明显的优越性，见表2。而且15Cr1MoR钢板，生产成熟，性能稳定，已被列入国标GB66541996压力容器用钢板，舞阳钢厂、武汉钢厂等都能批量生产，所以自2000年我国第一台15CrMoR焦炭塔投产以来，焦炭塔大量采用15Cr

8、MoR，也有不少焦炭塔已采用了14Cr1MoR，（见表6）。表2 15CrMoR与20R性能比较 钢号性能15CrMoR20R475许用应力MPa11041475十万小时持久强度MPa18059蠕变强度 MPa100（475）44（450）二、改进裙座结构焦炭塔是一个承受热循环和机械循环的压力容器，在可预见的将来，由于经济上的原因，加热和冷却速度还将提高，这类循环操作将在塔裙中产生比较高的应力。焦炭塔疲劳开裂的激发和扩散是由焦化过程热循环操作特性导致的。尽管比较好的设计能使这些开裂降到最小。但是不管在什么地方，这些塔使用110年都可能发生开裂。在API调查的焦炭塔中，有约12的塔在靠近塔裙壳体

9、连接处的塔裙发生开裂，开裂常常发生在塔裙壳体连接结构附近，由于其对流和辐射传热面积较大，通常要经受比较大的温度梯度。设计焦炭塔的难点之一是塔裙的设计。原因是它不仅需要足够的强度才能支撑设计负荷条件下的壳体，同时还要求其径向有较好的柔韧性，以便避免热应力的影响。经研究表明，壳体和裙座之间的连接细节是非常重要的，好的塔裙设计能够大大延长其使用寿命。 筒体与裙座的连接方式有如下四种： 第一种 一般对接型式，其结构简单，但易产生应力集中和裂纹。 第二种 搭接型式，其结构简单，但易产生应力集中和裂纹，裂纹扩展后将会造成塔体下沉的严重后果。 第三种 堆焊型，应力集中系数较小，产生裂纹的可能性小，但制造较复

10、杂，焊接工作量较大。裙座开槽孔（即膨胀缝），有利于应力释放，防止焊缝开裂。但槽孔处易开裂。 第四种 整体型，即采用整体锻件，应力集中系数最小，但制造难度较大，成本高。 1995年ASME石油化工设备与服务部的一份报告，介绍了对这四种结构的应力分析，并进行了比较。分析结果表明第四种型式的疲劳寿命最长，第三种型式次之，见下表3。 表3 裙座连接处的应力值，应力集中系数和疲劳寿命型式一般对接型搭接型堆焊型整体型裙座连接处加热时的应力值（psi）66627在裙座内表面焊肉上和在与裙座相连的锥体上72963在裙座内表面焊肉上和在与裙座相连接的锥体上54384在裙座内表面和在与裙座相接的锥体上47262在

11、裙座内表面和在与裙座相接的锥体上裙座连接处冷却时的应力值（psi）41440在裙座内表面的焊肉上，在裙座与锥体连接处44117在裙座内表面焊肉上，在与裙座相连接的锥体上21834在裙座内外表面在与裙座相接的锥体上13824在裙座内外表面和在与裙座相接的锥体上应力集中系数（用于疲劳计算）1.51.51.01.0计算疲劳寿命(周期)598478550310704槽孔应力值(加热时)（psi）68200(槽孔顶部)槽孔应力值(冷却时)（psi）22500(槽孔顶部)槽孔应力集中系数1.5槽孔计算疲劳寿命(周期)3302必须指出，热应力水平的确定取决于加热速度和冷却速度，以上热应力是在塔升温（11F/

12、分）和冷却（4F/分）条件下，对最高应力点的强度水平计算出来的，实际操作时实测的加热速度约为14F/分,冷却速度为6F/分，这还是相当低的。有的延迟焦化装置加热和冷却速度往往分别达到20F/分和30F/分。这样将产生更高的热应力，随之相应的疲劳寿命将大大减少。这点由一般的焦炭塔裙座在投产五年内开裂而得到证明。整体锻焊结构能提供最好的计算寿命，甚至在操作条件达到了最高的加热速度和最高的冷却速度时，也能提供较长的无裂纹寿命。 这种整体锻焊结构已在日本和西班牙的4台焦炭塔和我国上海高桥石化分公司炼油厂的8800焦炭塔等10多台焦炭塔上得到实际应用。 采用整体锻焊结构，塔的成本将增加大约10%。 据A

13、PI调查指出：87的裙座发生焊缝开裂而仅13的裙座有鼓包变形，直线型裙座占没有发生裂缝裙座的83，没有发生裂缝裙座的75焊缝是磨平的，两者结合起来，没有发生裂缝裙座的67是直线型设计并且焊缝是磨平的。 所以在决定裙座结构型式时，应该选择直线型设计（即裙座外壁与壳体外壁成一直线），焊缝应打磨平滑。根据具体情况选择堆焊结构或整体锻焊结构，在有条件的情况下，为了尽量延长焦炭塔的疲劳寿命，应优先选择整体锻焊结构。三、采用背带式保温结构，代替传统的焊接式保温支持圈及保温钉结构 焦炭塔保温对完善渣油的裂化反应是至关重要的。如果保温不好，热量大量损失，将使反应温度降低，裂化反应不能充分完成，甚至局部部位无法

14、结焦。据估算，焦炭塔内温度每降低5.6，将使液体收率降低1.1。 焦炭塔塔体表面保温的好坏，也对减少局部应力及塔壁腐蚀有着极其重要的作用，应当引起我们的高度重视。当塔体表面某些部位缺少保温或保温破损，长期裸露，特别在下雨、下雪时，会造成塔内外温差陡增，热应力增大，是塔体变形，焊缝开裂的潜在隐患。一些炼厂焦炭塔接管，支腿加强板处焊缝开裂就是与保温不善，内应力过大有着很大关系。在塔顶部位，因保温不善而引起塔内壁处接管的加速腐蚀，直至局部渗透、泄漏。 胜利炼油厂曾对已换下来的旧塔塔体检查后发现，凡塔体壁未结焦而腐蚀产生处，塔外壁均有焊接件，导致保温不好。塔外壁保温不好，使得塔内壁温度小于410，不易

15、结焦，塔内壁就失去一层保护屏障，腐蚀加剧。据资料介绍，塔顶温度为432时，内壁结一层致密的焦层，温度小于410时内壁结焦轻微，温度为380390时就不易结焦。南京炼油厂也有同样的问题，3、4焦炭塔封头下部的一圈钢板在四根平台支腿的加强板处，塔壁从24毫米减至17毫米。由于外壁保温不善，塔内油气在露点温度时变成冷凝液，旋流冲刷内壁，造成坑点腐蚀，并使接管下端腐蚀加剧，直至断裂、泄漏。 从防腐蚀的观点出发，塔体上也不宜焊接支吊架、加强板、支腿等焊接件。 1996年API调查询问了保温支持圈的焊缝问题，29的用户说，在焊缝处有贯穿塔壁的裂纹，52的用户说有裂纹但还没有延伸成贯穿裂纹。API调查报告也

16、指出，早期的设计将井架和除焦平台的附件都焊在塔顶，在连接板和塔体上都发现有裂纹，焊到塔体上的管线支吊架也有相似的情况。 焦炭塔承受热疲劳载荷，要求表面形状圆滑过渡，故不宜在其表面焊接保温钉或保温支持圈。对必要的焊接件也应使其焊缝圆滑过渡。若塔体采用Cr-Mo钢，因Cr-Mo钢对裂纹的敏感性更强，故更不能在塔体上焊保温钉和保温支持圈，所以焦炭塔应参考加氢反应器的保温结构，采用“背带”结构，在“背带”上焊保温钉并固定保温支持圈，内部的保温材料应能耐500以上高温，外表面应有保护层，例如铝合金瓦楞板等。这种结构，国内已有相应的专利。 鉴于焦炭塔的操作特点，所采用的保温结构应能适应其周期性的膨胀收缩。

17、为此要求： 1、保温材料应是软质的，本身能吸收膨胀，而不易损坏。 2、保温层内外侧温差很大，外侧的保护层即保温铁皮（或瓦楞板）不应与内部的保温钉连接，否则保护层易被损坏。 裙座上部和焦炭塔锥体之间应设有热盒，见图1，此热盒能使裙座与锥体连接部位的焊缝处的热量损失减少，当焦炭塔操作时，能有效减少该处的温度梯度，也就是能减少该处的热应力，防止该处焊缝产生裂纹。图1 焦炭塔裙座热盒和保温简图四、结构设计的改进按疲劳容器的要求进行具体设计a) 采用无堵焦阀设计，在筒体上不开孔。尽量减少与筒体相焊的连接件。所有与壳体相焊的连接焊缝处打磨圆滑。b) 因为塔体焊缝加强高度在焦炭塔操作条件下是引起应力集中产生

18、疲劳裂纹的根源，同时也是筒体段鼓凸变形的一个因素，为此焊缝内外侧应全部磨平，其焊缝余高应为0。不等厚壁板相焊时，应打磨成1：10斜坡。这样能减少由热循环引起的峰值应力。c) 对接焊缝采用X型坡口以减小变形和应力。d) 上封头上的开孔连接处取消补强圈，采取整体补强设计。连接处圆弧过渡特别是底盖进料口处设计成翻边结构，避免应力集中。 针对裙座与筒体焊缝处出现裂纹的状况，采取以下措施a) 当采用堆焊型结构时，裙座焊缝应圆滑过渡，并增加焊缝高度，（控制焊缝外表面与垂线成15角）。尤其是焊缝下部应打磨成圆弧状，焊缝应保证全焊透。有条件时应采用整体锻焊结构。b) 当采用堆焊结构时裙座与筒体焊缝处加设加热盘

19、管，以减少操作时的温差，即可减少温差应力。 因为水力除焦时，高压水对筒壁冲击造成塔体振动，引起底座垫铁外逸，螺栓松动。采取措施：a） 斜铁（二斜一正）找正后，斜铁之间及斜铁与底座环之间都焊死焊牢。b） 地脚螺栓上螺母下加弹簧垫圈或弹簧。 由于焦炭塔的鼓凸变形和焊缝开裂经常发生在环焊缝及其周围，所以制造时尽量减少环焊缝数量。并且环焊缝强度应有特殊要求，即控制焊缝屈服强度不宜高于母材的10。五、提高钢材的冲击韧性不论是碳钢还是C1/2Mo钢塔，随着时间的日益增长会变脆，C1/2Mo钢制造的塔对于脆化和破裂更为敏感。当壳体发生穿透破裂时，碳钢塔显示比C1/2Mo钢塔有更严重的鼓凸。穿透壳体的裂缝是环

20、向的。穿透性裂纹往往发生在急速冷却时、吹蒸汽冷却时或刚开始升温时。伴随着塔的恶劣工作条件，壳体裂纹主要发生在环焊缝的热影响区，或发生在鼓凸的波峰或波谷。穿透性裂纹的长度从几英尺到30英尺不等，它们几乎都是与钢材脆化有关。据1968年API调查结果，碳钢塔和C1/2Mo钢塔塔体明显脆化了，测量一些塔破裂时的冲击韧性，发现在21时降到了23英尺磅力。为了减小裂纹的倾向性，必须提高材料的冲击韧性。低合金Cr-Mo钢中影响冲击值的因素有如下几种1.化学成分：不同化学成分的材料对缺口敏感性尤其是0冲击韧性的影响是不同的。在各种元素中，P的影响最大，其次是Si、Sb、As、Sn等。2.晶粒度：细而均匀的晶

21、粒意味着单位体积内的晶粒多，受冲击后裂纹沿晶间扩展的阻力大，材料吸收冲击能的能力较强。这里特别要防止大型锻件里常见的混晶，它会使材料整体抗冲击的能力大大降低。3.组织：不同热处理状态下的析出组织（如不同百分比组合的奥氏体、珠光体、马氏体包括位错、层错，孪晶等亚组织）及不同纯净度且杂质不同分布的材料对冲击的影响有着截然不同的结果。4.热处理状态：15CrMoR是常用钢，热处理工艺已十分成熟。但应注意，由于时间冷速温度比较而言，温度起的作用最大。所以应主要考虑温度因素。焊后热处理温度对冲击值的影响是很显致的。例如对从厚160mm的15CrMo锻件焊接件上锯下的试片分别进行了675、690和705的

22、焊后热处理，得到如下不同的冲击功值，见表4： 表4 不同焊后热处理温度下冲击值比较现场焊后回火6755h,试片又经PWHT（如下）2h接头b（10）Akv(0)Akv(0)母材焊缝HAZ母材焊缝HAZ67553460691265204838102105242801989821069050960811028052102801121052811602031132007055035881402896211376225152268115211117190由此可见，选择合理的热处理温度，控制热处理温度偏差，对提高冲击韧性来说是至关重要的。提高材料冲击韧性的措施一般为：1） 采用细晶粒钢加正火处理，其冲击

23、韧性将大大提高。目前一般都采用Cr-Mo钢。尤其是采用1 1/4Cr-1/2Mo-Si钢。因为它是贝氏体组织而1Cr-1/2Mo钢是珠光体组织，贝氏体钢比珠光体钢冲击韧性更好。2） Cr-Mo钢应经精炼，严格控制S.P含量。有资料介绍，国外某公司控制P0.008% S0.005%。目前国内一般能控制P0.012% S0.010%。舞阳钢厂能达到P0.010% S0.005%。3） 提高Cr-Mo焊接的予热温度,一般应为160250。4） 选择低热输入的焊接工艺，（例如小电流手工焊）以抑制热影响区晶粒的长大。5） 提高焊后热处理温度（PWHT）,一般为69014，并适当延长其保温时间，有的试验结

24、果证明，最小焊后热处理（minPWHT）保温时间由2小时延长至4小时更能提高钢材的冲击韧性。6） 为了减少钢材对高温蠕变脆化的敏感性，延长操作寿命，1996年API 938强烈建议操作温度大于441（825）的压力容器应选用SA387 Gr.11class1钢板而不选用class2钢板。国外有的公司规定：操作温度超过445的压力容器，SA387 Gr.11的钢材类别应是1类，而不应是2类，也就是说要降低强度，增加冲击韧性。在美国，有的公司明确规定焦炭塔选用SA387 Gr.11 class1或SA387 Gr.22class1,并要求29的Akv54J（焦耳）。六、加强焦炭塔的检测确定焊缝开裂

25、的最直接方法是从焦炭塔内部进行肉眼检查和着色渗透检查，或者从外部进行超声波检查。由于一座焦炭塔有150-300多米长的焊道，100地检查出初期焊缝开裂是不切实际的。常用的检测方法有：1、用断面激光遥控系统监测变形早期的焦炭塔变形定位和定性的人工检查是在塔内搭脚手架后进行的。这种检查方法目前已经基本上由断面激光遥控系统所取代。操作断面激光遥控系统能够在很短时间内从塔内绘制出焦炭塔剖面图，不用等到检修期就能进行内部测量，见图2。检查所得的常规激光剖面图能帮助操作者做下列几项工作：1）比较不同焦炭塔的变形程度，据此确定哪些焦炭塔需更多的检查。2）把检查工作集中到靠近变形区域的焊道。3）比较超时焦炭塔

26、的变形程度，预测焦炭塔鼓胀何时才能达到临界水平。图2 具有激光剖面仪的焦炭塔检查系统2、遥控内部直观检查配备高分辨率变焦镜头的彩色视频摄像机能够详细观察焦炭塔内部，确认表面开裂状况，这是人工检查不能相比的。用这类设备能够获得价值比较高的开裂激发点信息，能够确认开裂位置和开裂程度。检查精度取决于焦炭塔内壁表面的清洁度。应用遥控视频检查技术，不用等到检修期，就能连续记录和同时能够自动打上定位信息。3、应用应变测量仪，定量测出焦炭塔某处的实际应力应变测量仪是一个能够确定焦炭塔壁板和塔裙在操作过程中承受实际负荷应力范围的重要工具。高温应变测量仪是附着在焦炭塔外侧的单轴向电阻传感器，高温应变测量仪以周向

27、轴向的形式安装在焦炭塔上。4、声发射试验自1985年以来，声发射试验被用来执行焦炭塔的在线检查，找出裂纹的活动。借助于表面热电偶和高温应变测量仪能够监测几个循环。对于低循环疲劳来说，应当检查相关的内外径尺寸并绘图。利用已有的常规的声发射检查知识，就能制定停工计划。利用以上检测技术以及它们的组合，就能避免或减少人进入焦炭塔。减少内部检查，不仅节约经费，而且能够明显降低相关人员的危险性，对焦炭塔的在线检测应当是经常性的，以便确定它们何时何处在变化和变形速率是多少。根据这些信息，能够确定修补对策，随着焦炭塔达到它寿命的终点，这些检测能够帮助操作者确定焦炭塔更换之前还能使用多久。这类超前信息和可予测性

28、对制定壁板更换计划是必不可少的。焦炭塔的寿命评估：焦炭塔所承受的是炼油厂最苛刻的热循环，它是一个低周期疲劳容器，其寿命的计算通常采用静态应力分析法，即采用有限元应力分析方法，计算出最危险点的应力范围，根据JB473295“钢制压力容器分析设计标准”中图C1，查得允许的循环次数，即预测焦炭塔的疲劳寿命。但此分析法，没有考虑到最大应力点的位置实际上是在变化的，最高应力值也是在变化的，是随着操作过程中升温和降温的速率在变化的，所以出现了另一种方法，称为动态应力分析法。即用有限元应力分析法建立一个数学模型，此数学模型是根据用应力应变仪和热电偶实测的操作中的实际瞬时应力范围来修正的。用此数学模型来评估焦炭塔的寿命。焦炭塔的寿命评估，一般由专业公司来实施，例如：美国的SES公司，该公司在现场安装应变仪和热电偶测量操作中的实际瞬时应力。采用“寿命控制系统”来监测操作中的焦炭塔。通过“寿命控制”系统，改变影响焦炭塔损伤的过程和操作方法。1）通过5070周期的瞬时数据确定实际的应力范围。2）计算出每个周期直到失效时累积的疲劳损伤。3）给出与DCS操作对应的损伤累积分布图。4）发现操作人员在操作中存在的问题，优化日常操作，特别是优化升温和冷却速率，以减少疲劳损伤和裂纹扩展。12