淺談煉油裝置中焦炭塔工作特點(diǎn)及失效模式

周迎義

（滄州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 滄州 061001）

延遲焦化是渣油經(jīng)深度熱裂化轉(zhuǎn)化為氣體和烴、中質(zhì)餾分油和焦炭的加工過程，是煉油廠提高輕質(zhì)油產(chǎn)出率和石油焦的重要手段。其具體過程是：將重油在焦化爐中加熱后送到焦炭塔中進(jìn)行焦化反應(yīng)，把長鏈的環(huán)烷烴分解為焦炭和輕質(zhì)油。焦炭直接作為產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，輕質(zhì)油通過加氫精致制成柴油。

焦炭塔是從室溫到高溫周期性運(yùn)行的設(shè)備。中國石油化工有限公司滄州分公司焦化車間2臺(tái)焦炭塔，材質(zhì)為20 g，高度為34 m，直徑6.1 m，壁厚20～36 mm，工作介質(zhì)為渣油、焦炭、油氣、水、水蒸氣。運(yùn)行周期為48 h。進(jìn)油是局部塔體溫度超過435℃，介質(zhì)溫度為495℃，從下而上在393～475℃之間。操作壓力為0.19 Mpa。

1 焦炭塔工作過程

常溫下封閉塔頂鉆焦口和塔底排焦口，從塔底向塔內(nèi)送入130℃蒸汽，進(jìn)行密封試壓約2.5 h。試壓合格后，通入瓦斯氣預(yù)熱筒體約5 h，塔壁溫度平均每小時(shí)70℃的速度升溫。在預(yù)熱結(jié)束時(shí)，塔外壁溫度達(dá)到370℃。從加熱爐出來的490～500℃的熱渣油進(jìn)入塔內(nèi)，并在塔內(nèi)反應(yīng)結(jié)焦。結(jié)焦過程由下向上逐漸發(fā)生，進(jìn)油結(jié)焦最高可達(dá)塔體高度65℅。結(jié)焦時(shí)一般溫度在430℃。當(dāng)渣油進(jìn)入塔內(nèi)時(shí)，溫度在495℃，但渣油進(jìn)入塔內(nèi)時(shí)迅速擴(kuò)容，并開始結(jié)焦，整個(gè)進(jìn)油生焦過程中塔壁溫度達(dá)到455℃，生焦過程約24 h。未結(jié)焦的油氣被吹入塔內(nèi)的蒸汽帶走，吹蒸汽取油氣時(shí)間為3 h。油氣被蒸汽取盡后，常溫水從塔底進(jìn)入焦炭塔冷焦。冷焦水上升至浸沒油焦，并從塔頂管線溢流到隔油池。當(dāng)塔頂溫度小于80℃時(shí)，停止進(jìn)水。給水時(shí)間一般為4 h。同時(shí)，塔體壁溫隨冷焦水進(jìn)入塔內(nèi)而急速下降。打開呼吸閥，開放塔底放水閥，將冷焦水排入隔油池。待污水排凈后，打開塔頂鉆焦口和塔底排焦口，進(jìn)行水力除焦。14 Mpa的高壓水通過鉆桿從可以升降的切割器中噴出，將塔內(nèi)焦炭擊穿割成碎塊，并和切焦水一起從塔底排焦口流入焦炭池中。水力除焦時(shí)間設(shè)計(jì)為3.5 h。焦炭塔在48 h完成一個(gè)工作周期后，緊接著開始下一個(gè)周期。在一般情況下，兩個(gè)焦炭塔切換操作。焦炭塔工作期間溫度從40～500℃，尤其是在進(jìn)料時(shí)，500℃的熱渣油很快進(jìn)入250℃的焦炭塔，塔內(nèi)外形成很大的溫差應(yīng)力。

2 焦炭塔失效模式及原因

焦炭塔工作中承受的溫差應(yīng)力，是造成焦炭塔失效的主要原因。其具體表現(xiàn)形式是：塔體鼓凸，傾斜，焊縫開裂。尤其是裙座焊縫、堵焦閥周圍經(jīng)常開裂。渣油中在硫高溫時(shí)對塔壁產(chǎn)生腐蝕，在冷卻和切焦時(shí)和冷焦水反應(yīng)生成硫化氫，在常溫或焦炭塔停工時(shí)，對焦炭塔產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

2.1 開裂

焦炭塔局部開裂是主要失效形式。我們在中國石油化工有限公司滄州分公司兩臺(tái)焦炭塔的檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)多處裙座裂紋、塔體內(nèi)表面裂紋。

（1）焦炭塔裙座開裂。其主要原因是：在工作過程中，溫差應(yīng)力造成了裙座焊縫的疲勞開裂現(xiàn)象，一般是從角焊縫根部開裂逐漸向外擴(kuò)展，最后貫穿。為避免這種情況的持續(xù)發(fā)生，建議把塔體和裙座的連接形式進(jìn)行改造，采用“倒Y型”塔裙連體鍛件拼焊結(jié)構(gòu)。在改用這種結(jié)構(gòu)后，能消除塔裙連接焊縫，避免焊接產(chǎn)生的不連續(xù)結(jié)構(gòu)及焊接應(yīng)力，降低應(yīng)力集中。經(jīng)過有關(guān)單位進(jìn)行疲勞對比測試，這種結(jié)構(gòu)的抗疲勞壽命比傳統(tǒng)的裙座與筒體對接結(jié)構(gòu)提高一倍。國內(nèi)部分廠家已進(jìn)行過這種改造。

（2）堵焦閥焊縫及周圍開裂。其開裂原因和裙座開裂相同，只是部位不同。

（3）焦炭塔塔體焊縫內(nèi)表面開裂。其原因是：內(nèi)部的缺陷擴(kuò)展和冷卻停工時(shí)的應(yīng)力腐蝕造成的，焦炭塔塔體焊縫內(nèi)表面開裂部分一般在塔體上部。其主要原因是：塔內(nèi)的結(jié)焦層對焦炭塔塔體起到了很好的保護(hù)作用，這層結(jié)焦在高溫時(shí)，保護(hù)塔體不受高溫硫的腐蝕；在低溫時(shí)，不受濕硫化氫的腐蝕。滄州分公司焦炭塔在檢驗(yàn)過程中，也在塔體上部焊縫內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.2 鼓凸和偏斜

使用多年的焦炭塔都有鼓凸和偏斜現(xiàn)象。長期操作的焦炭塔經(jīng)反復(fù)冷卻、反復(fù)加熱、載荷反復(fù)變化，最終導(dǎo)致焦炭塔環(huán)向鼓凸破裂。鼓凸和偏斜通常發(fā)生在焦炭塔堵焦閥所在的筒體、焦炭塔中部筒體、塔頂上封頭環(huán)焊縫等部位。這些部位經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，塔體直徑變大，塔體局部鼓凸。這是由于塔體承受交變溫差應(yīng)力，使塔體產(chǎn)生單向塑性變形累積的熱棘輪效應(yīng)造成的。這是造成交化塔失效報(bào)廢的主要原因。

2.3 材質(zhì)劣化

焦炭塔長期使用在400～475℃的高溫環(huán)境下，20 g材料的使用性能隨著溫度的升高，其力學(xué)性能將會(huì)下降，特別是其高溫強(qiáng)度下降明顯。當(dāng)焦炭塔長期處于470℃的高溫時(shí)，由于塔體長期承受高溫和應(yīng)力的作用，使得材料內(nèi)部組織會(huì)發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)球化、石墨化傾向，降低了材料本身的強(qiáng)度和疲勞壽命。正因如此，國內(nèi)部分廠家對焦炭塔進(jìn)行了改造，將錐形下封頭改為15CrMoR,將塔體上部泡沫段改為15CrMoR+1Cr18Ni9Ti對材料進(jìn)行了變更，改為耐熱鋼。

2.4 焦炭塔下塔蓋變形

在每一次工作循環(huán)過程中，焦炭塔下塔蓋都要打開除焦，在除焦后再封閉，預(yù)熱后，熱渣油通過下塔蓋進(jìn)料管進(jìn)入焦炭塔。在高溫和頻繁的操作過程中，下塔蓋極易發(fā)生變形，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，工作過程中發(fā)生泄漏，甚至引起火災(zāi)事故。

3 結(jié)束語

綜上所述：焦炭塔使用過程中，從室溫到高溫周期性運(yùn)行，會(huì)承受循環(huán)載荷，溫差應(yīng)力。常見的失效模式主要有：焦炭塔裙座焊縫開裂，堵焦閥焊縫及周圍開裂，焦炭塔塔體焊縫內(nèi)表面開裂；塔體鼓凸、偏斜；塔體材料內(nèi)部組織出現(xiàn)球化、石墨化現(xiàn)象；下塔蓋變形。以上這些失效模式最終導(dǎo)致密封不嚴(yán)，發(fā)生泄漏，甚至引起火災(zāi)事故。

[1]強(qiáng)天棚.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社,2008.