大型焦炭塔的設(shè)計

江學(xué)俊

（安徽省安慶實華工程設(shè)計有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246002）

1 概述

延遲焦化是石油深度加工的主要工藝之一。隨著裝置規(guī)模不斷擴大，其關(guān)鍵設(shè)備焦炭塔也日趨大型化。焦炭塔是延遲焦化裝置中的核心設(shè)備，其用途使原料油發(fā)生焦化反應(yīng)生成焦炭、油氣等產(chǎn)品。在生產(chǎn)過程中，焦炭塔呈間歇式工作，每一個生產(chǎn)周期為48h,主要分為升溫、進油生焦、冷卻、切焦4個工序，溫度循環(huán)為80℃-475℃-80℃。工作溫度高、生產(chǎn)流程中存在急冷工序、間歇式工作的方式使焦炭塔在運行過程中要承受較大的交變熱應(yīng)力，導(dǎo)致焦炭塔容易產(chǎn)生裂紋、塔體鼓脹等熱疲勞損傷。國內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生過因裙座角焊縫開裂導(dǎo)致塔體脫落的事故。為防止事故的發(fā)生，現(xiàn)代焦炭塔在設(shè)計選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面改進很多，制造要求也非常嚴(yán)格。

2 主要設(shè)計參數(shù)

我公司設(shè)計的一套100 萬噸/年延遲焦化裝置，其焦炭塔的主要參數(shù)如下：直徑為8.4米，高23.5米（切線），設(shè)備總高35.5米，設(shè)計壓力為0.35MPq,最高工作壓力為0.25MPa,設(shè)計溫度為450℃/495℃，工作溫度為445℃/490℃，容器類別為二類。

3 材料選擇

目前國內(nèi)焦炭塔所用材質(zhì)主要為：上段塔體即泡沫層下200mm 以上的塔體選用復(fù)合板15CrMoR+0Cr13;塔體中下段采用15CrMoR。這是因為15CrMoR 的高溫韌性、強度和塑性較碳鋼高，即抗鼓凸性能較碳鋼高，而發(fā)生蠕變的可能性則小得多。從高溫綜合力學(xué)性能考慮，焦炭塔在長期高溫及交變載荷下運行，選用15CrMoR 鋼比碳鋼更加安全，可靠。焦炭塔泡沫段以上部位腐蝕較為嚴(yán)重，因受氣相段H2S、S 作用產(chǎn)生較嚴(yán)重腐蝕，其中硫化氫對設(shè)備的腐蝕從240℃開始隨著溫度升高而迅速加劇，到480℃左右達到最高點，以后又逐漸減弱。抵抗高溫硫化氫腐蝕的能力主要是隨設(shè)備材質(zhì)中鉻含量的增加而提高。鉻是具有鈍化傾向的元素，由于鉻的存在，促進了鋼材表面的鈍化，能夠減少鋼材對硫化氫的吸收量，因而高溫下的硫化氫對含鉻合金鋼的腐蝕率遠比碳鋼小。同時，焦炭塔生焦段塔壁通常都附著一層牢固而致密的由焦炭形成的保護層，較為有效地隔開了腐蝕介質(zhì)，因而塔體中下段腐蝕不明顯。上段塔體即泡沫層，因受氣相段H2S、S 作用產(chǎn)生較嚴(yán)重腐蝕。

15CrMoR屬于低合金鉻鉬型耐熱鋼，在500℃以下具有良好的抗高溫氧化和抗蠕變性能。當(dāng)溫度不大于550℃，可用做壓力容器鋼板。該鋼長期工作在500-550℃會產(chǎn)生碳化物球化，鋼的強度降低。當(dāng)溫度超過550 時，蠕變強度有顯著降低。由于有空淬傾向，焊后焊縫及熱影響區(qū)硬度高，塑性差。因而對于本設(shè)備所用的15CrMoR 鋼板和15CrMo 鍛件除應(yīng)分別符合GB713-2008 和JB4727-2000 要求外，還須滿足下列條件：（1）產(chǎn)品化學(xué)成分：P≤0.015%，S≤0.010%，Ni≤0.25%，Cu≤0.20%；（2）室溫夏比沖擊值≥54J，0℃夏比沖擊值≥41J，σ475℃0.2≥176.5MPa。材料訂購時要求控制Sn、Sb、As 等有害雜質(zhì)元素的總量；對于鍛件要求：P≤0.010%，S≤0.008%，C：0.14%～0.16%，Si：0.020%～0.04%，Mn：0.4%～ 0.6%；對于 焊 材 要 求 ：P≤0.010% ，S≤0.008% ，Si：0.025%～0.038%，C：0.06%～ 0.10%，以減少 P在晶界集聚，提高焊縫金屬的沖擊韌性。

焊條選擇：對于15CrMoR 采用E5515-B2；過渡層、復(fù)層的焊接材料可采用E309L 或Nil82。309L 焊條的焊縫組織為奧氏體加鐵素體，Nil82 焊條的焊縫組織為奧氏體，兩種焊條均滿足抗裂性要求。由于Nil82 為Ni 基焊條，價格比E309L 高很多，實際焊接時應(yīng)采用E309L，但考慮到焦碳塔工作條件比較苛刻，承受疲勞載荷，而Nil82 焊條熔敷金屬的膨脹系數(shù)與15CrMoR 膨脹系數(shù)接近，可以保證復(fù)層焊縫不易剝落，有利于焦碳塔長周期穩(wěn)定運行，所以在經(jīng)濟條件允許的情況下是，用Ni182 是個很好的選擇。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于焦炭塔特殊的操作工藝，使其長期承受高溫交變載荷，焦炭塔普遍存在熱損傷及疲勞破壞問題，塔體變形、裙座與塔體焊縫開裂等缺陷影響著焦炭塔的安全運行，因此有必要根據(jù)容器疲勞設(shè)計的要求對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4.1 焊縫

焦炭塔在反復(fù)的加熱冷卻循環(huán)過程中，塔體環(huán)焊縫會產(chǎn)生疲勞裂紋，而且多在焊縫熔合線溝槽的應(yīng)力集中處。

在設(shè)計制造過程中要求采用自動焊；控制焊縫的表面質(zhì)量，減少氣孔和夾渣的出現(xiàn)；焊前預(yù)熱及焊后熱處理；對焦炭塔生焦層以下的焊縫應(yīng)磨平焊縫余高，對泡沫層即上段塔體焊縫進行打磨，使焊縫和母材之間圓滑過渡，焊縫余高不超過1.5mm，減少應(yīng)力集中系數(shù)，增加疲勞強度。

4.2 裙座

4.2.1 裙座裂縫產(chǎn)生原因

裙座一直是焦炭塔最薄弱的環(huán)節(jié)，裙式支座的主要問題是熱應(yīng)力，即由裙座與塔體相接觸處的溫度梯度及裙座與其冷底座之間的溫差所引起。對于大直徑的焦炭塔來看，采用JB/T4710-2005《鋼式塔式容器》中通用的裙座焊縫結(jié)構(gòu)，則其開裂破壞幾率比較大。因為在急驟升溫階段，裙座與下部塔體有較大溫差，各自徑向自由熱變形不一致，而裙座又具有較大剛度，在裙座與塔體焊縫外側(cè)形成彎曲拉應(yīng)力。沿裙座的軸向溫差越大，則該應(yīng)力值也越大。在長期受到較大的軸向交變熱應(yīng)力作用下，焊縫表面及焊縫根部附近產(chǎn)生大量熱疲勞裂紋，進而穿過焊縫擴展到塔體壁厚中。

4.2.2 改善措施

采用整體鍛件可以避免上述的角接結(jié)構(gòu)，能有效提高抗疲勞性能，但8400mm 直徑的15CrMo 鍛件成本太高了，為了降低成本，目前裙座和塔體的連接大多采用焊接結(jié)構(gòu)。為了保證裙座和塔體的焊縫的安全性，防止設(shè)備的疲勞破壞，關(guān)鍵在于降低焊縫中存在的對疲勞應(yīng)力敏感的高度應(yīng)力集中及通過降低沿裙座高度上的溫度梯度，使熱應(yīng)力減至最小?？梢圆扇∫韵麓胧?/p>

1）裙座與筒體對接焊，即在筒體部分堆焊出一個構(gòu)件，使裙座與構(gòu)件形成全焊透焊接，既可保證焊接質(zhì)量、降低焊接應(yīng)力，又可降低裙座的剛性約束點、增加裙座頂部的撓性（圖1）。

2）在裙座圓周上開出均勻的窄槽（圖2），使開槽部分起到許多懸臂梁的作用而增加裙座撓性。為了降低開槽引起截面改變所造成的應(yīng)力集中，需在每條槽的兩端鉆孔。這些槽也要有一定間隔，它們在裙座四周均勻分布，以便取得較寬的懸臂結(jié)構(gòu)，保證能承受水平剪力。

3）設(shè)置空氣囊，即在裙座與錐形筒體間設(shè)置一環(huán)形擋板，保持環(huán)形擋板與錐形筒體外壁有一定間隙，使熱流通過對流和輻射方式從塔體傳到裙座上，從而減小溫度梯度。

4）改善保溫結(jié)構(gòu)，采用披掛式整體保溫結(jié)構(gòu)，即在設(shè)備的縱、橫兩個方向上均勻的拉上鋼帶，保溫釘和保溫支持圈焊在鋼帶上，同時在塔體和裙座連接處的保溫層采用可拆式結(jié)構(gòu)。

5）對開孔接管的補強采用整體鍛件進行補強，而不能用補強圈進行補強，對于φ900的鉆焦口則要采用整體凸緣進行補強。

6）要盡量降低局部區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)；在應(yīng)力集中最嚴(yán)重部位加大過渡圓角半徑，接管根部及內(nèi)壁拐角處焊縫應(yīng)打磨光滑，避免焊縫余高過多。

5 結(jié)語

綜上所述，合理的選用焦炭塔的主體材料，采用適當(dāng)?shù)暮附庸に嚰皺z驗步驟及手段，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮容器疲勞的影響因素，將大大改善焦炭塔的焊縫開裂情況，保證焦炭塔安全運行。

[1]侯春宇，韓放,王莉.焦炭塔熱應(yīng)力的推導(dǎo)計算[J].化工裝備技術(shù)，2009-10-10.