對焦炭塔塔鼓變形失效的機理分析

黃 磊，張巨偉，屈曉雪

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

對焦炭塔塔鼓變形失效的機理分析

黃 磊，張巨偉，屈曉雪

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

焦炭塔是延遲焦化反應(yīng)的反應(yīng)釜，是延遲焦化裝置的重要組成部分，其長期安全的運行是煉油企業(yè)取得高效益的前提和保障。但由于工作條件的惡劣，焦炭塔普遍存在著塔體變形、裙座及塔體焊接開裂等問題，嚴重影響著焦炭塔的安全運行。究其原因目前主要有以下幾種情況：高溫蠕變的結(jié)果；低周熱疲勞的結(jié)果；高溫蠕變與低周熱疲勞共同作用的結(jié)果冷；急熱溫差熱應(yīng)力引起的局部塑性變形。通過對高溫蠕變與低周熱疲勞的產(chǎn)生條件以及損壞特征的仔細研究，并輔助以各種試驗的結(jié)果，用排除法確定了焦炭塔的腰鼓變形失效的原因為急冷、急熱溫差熱應(yīng)力導(dǎo)致的局部塑性變形，并且總結(jié)出了其變形失效的規(guī)律和防治的具體方法。

焦炭塔；延遲焦化；腰鼓變形；溫差應(yīng)力

焦炭塔是延遲焦化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，一般為板焊結(jié)構(gòu)的薄壁塔式容器，他是一種處于溫度和載荷同時做周期性變化的高溫設(shè)備，當運行若干年后會出現(xiàn)筒體鼓脹變形，目前國內(nèi)制造的焦炭塔的基本結(jié)構(gòu)為直立圓筒形結(jié)構(gòu)，上端球型封頭，下端錐體結(jié)構(gòu)。直徑多為Ф5 400 mm，壁厚t為28 mm，材質(zhì)為20號鍋爐鋼，其含碳量為0.2%，即是一種低碳鋼。工作周期為48 h，設(shè)計操作溫度為475 ℃，工作壓力為0.23 MPa 。設(shè)計使用壽命為20 a，而目前國內(nèi)正在服役的焦炭塔的服役時間基本上都已超過了其設(shè)計使用壽命，而且普遍存在一種鼓脹現(xiàn)象。究其原因主要有以下幾點：

（1）高溫蠕變的結(jié)果；

（2）低周熱疲勞的結(jié)果；

（3）高溫蠕變與低周熱疲勞共同作用的結(jié)果；

（4）急冷、急熱溫差熱應(yīng)力引起的局部塑性變形［1］。

那么究竟是哪一種原因引起焦炭塔的腰鼓變形，其發(fā)展趨勢如何，如何防治呢？這些業(yè)已成為人們急需解決的課題，它的解決將給整個延遲焦化行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。筆者采用排除法來確定焦炭塔腰鼓變形的原因，并粗略地探討了其發(fā)展趨勢以及防治措施［2-5］。

1 變形機理分析

1.1 常規(guī)力學(xué)性能試驗

在一個已使用20年，積累運行時間15萬h的焦炭塔變形最大的部位取樣，同時與化學(xué)成份相近的新的20 g材質(zhì)的常規(guī)力學(xué)性能相比。結(jié)果列于表1，經(jīng)過15萬h的使用后，母材室溫屈服強度σs下降，延性上升，其他各項性能均與新的20 g材質(zhì)相近，在450 ℃時，仍有σ0.2=172 MPa此值說明材質(zhì)損傷并不嚴重。

表1 新舊材料性能對比表Table 1 Properties comparison table of new and old materials

1.2 持久強度實驗

試樣仍然取自上述的已運行20 a的焦炭塔，并且取其變形最大部位的材料，采用Φ5 mm的持久試樣試驗最高溫度為450 ℃，給定不同應(yīng)力水平，測定其持久強度和斷裂時間。試驗時間最長為 4300小時，外推到10 000 h得出450 ℃時的持久極限與新材質(zhì)20 g的持久強度相當，詳見表2。

表2 持久強度對比表Table 2 Comparison table of endurance strength

1.3 金相試驗與金相分析

在已使用20 a的焦炭塔的塔體的變形最嚴重的部位取五塊試樣，金相觀察晶粒度為6級，未見晶粒長大及石墨析出。高倍觀察看到珠光體，內(nèi)有滲碳體球化(約為 2級)，球化反在珠光體內(nèi)，并未向晶界擴散。由于珠光體中的滲碳體球化，使常溫屈服強度下降約為13%。5塊金相試驗試樣中均未見到蠕變孔洞以及疲勞條帶或韌窩狀花紋等。

再做另外一次試驗，在撫順石油一廠的1臺已運行了27年零2個月的焦塔的變形最嚴重的部位取樣，采用110×15×28的5個試樣作為金相分析的對象。金相組織如圖1-2所示，珠光體內(nèi)的滲碳體系有輕度球化現(xiàn)象。滲碳體的球化并未向晶內(nèi)或沿晶界擴散，也沒有發(fā)現(xiàn)蠕變孔洞和帶狀條紋以及輪胎狀花紋等。

1.4 高溫蠕變的機理

蠕變是指金屬材料在恒應(yīng)力長期作用下而發(fā)生的塑性變形現(xiàn)象。蠕變可以在任何一個溫度范圍內(nèi)發(fā)生，不過高溫時，蠕變變形速度大；低溫時，蠕變速度慢，有時可以忽略。可以說各種材料都有其自身的蠕變溫度，一般金屬的蠕變溫度為 Tc：

Tc>(0.25～0.35)K熔。

碳鋼>350 ℃

低碳鋼>400～450 ℃

耐熱合金鋼>600 ℃

圖1 20 g原始組織金相圖片 1 000×Fig.1 Original organization metallography of 20 g 1 000×

圖2 20 g原始組織金相圖片 500×Fig.2 Original organization metallography of 20 g 500×

蠕變損壞有兩種形式：蠕變變形與蠕變斷型。

蠕變的產(chǎn)生條件：首先要有恒應(yīng)力的長期作用，其次，工作應(yīng)力要不小于材料的蠕變溫度。

蠕變變形后的特點：金屬材料在高溫下，金相組織會發(fā)生明顯的變化，晶粒長大，珠光體和某些合金成份有球化或團絮化傾向，鋼中碳化物還能析出石墨等，有的還可能出現(xiàn)蠕變的晶間開裂或疏松微孔。

1.5 低周熱疲勞的機理

熱疲勞是指在無外加機械應(yīng)力的條件下，由溫度變化引起的自由膨脹或收縮受到約束，結(jié)果，在材料內(nèi)部因變形受阻而產(chǎn)生熱應(yīng)力，當溫度反復(fù)變化時，這種熱應(yīng)力也反復(fù)變化，因而使材料受到損傷。

熱疲勞的產(chǎn)生條件：循環(huán)變化的熱載荷以及最大循環(huán)載荷值Smax與材料 σb間的關(guān)系，一般應(yīng)有Smax≥0.28σb。

熱疲勞的損壞特點：宏觀上會產(chǎn)生龜裂或塑性變形；微觀上有疲勞條帶或輪胎狀花紋等。

1.6 應(yīng)力分析

(1)主體和附件重量產(chǎn)生的壓應(yīng)力 由于被分析的對象為簡體的下段，主體和附件的質(zhì)量（kg）:G=1.22×105 ，對下段會產(chǎn)生壓應(yīng)力(MPa)：

(2)內(nèi)壓P=0.23 MPa時產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力(MPa):

(3)軸向溫差應(yīng)力(MPa)

除焦的需吹蒸汽、水冷的軸向溫差大，實測塔體兩環(huán)焊縫之間距離L=2 m，平均溫差ΔT=322 ℃，320℃時，20 g的物性參數(shù)為：： E= 18.6× 104MPa，α=13. 0×10?6/℃，H=0.3，考慮兩環(huán)焊縫對熱差力的邊界效益；計算環(huán)焊縫處溫度梯度引起的軸向熱應(yīng)力(MPa):

(4)徑向溫差應(yīng)力(MPa)

根據(jù)塔壁徑向溫差測量結(jié)果看，從外壁鉆孔到20 mm深處測量塔壁最大溫差；充焦時ΔT=75℃除焦水冷時ΔT=73℃，焦炭塔t=28 mm。現(xiàn)按 T 100 Δ=℃來算：

1.7 鼓脹分析

對塔體變形最大部位的材質(zhì)綜合分析結(jié)果表明：塔體材質(zhì)在450 ℃長期使用過程中，損傷并不嚴重，只有室溫屈服強度下降，延性上升，其它各項性能均與新20 g材質(zhì)相近。高溫性能及10000 h的持久強度也與新20 g材質(zhì)相近。金相觀察多點未見蠕變損傷。即，晶粒長大、晶界的滑動與遷移以及蠕變孔洞等，也未見到熱疲勞損傷，即，疲勞條帶以及輪胎狀花紋等已可以判斷，塔體的鼓脹即不是由高溫蠕變引起的，也不是由低周熱疲勞引起的，即排除了前面所說的四種觀點中的前3種，所以最后得出，塔體鼓脹的原因為急冷急熱溫差熱應(yīng)力引起的局部塑性變形。

2 變形的規(guī)律

(1)塔體下頭筒體環(huán)焊縫以上第2至第4道圈板之間變形最大。這一點主要是由于在充焦和除焦水冷時，內(nèi)外壁溫差最大。北京鋼院測得某焦炭塔壁20 mm深處與塔外壁之間的最大徑向溫差為 75℃(充焦時)和 73 ℃(除焦時)。而這兩項操作都是從塔體下端先進行的。

(2)塔體環(huán)焊縫處變形較小，多年基本無變化。這主要是由于焊縫材質(zhì)較強于母材。

(3)塔體變形量達到一定程度后，漸趨緩慢。這主要是在不斷的塑性變形的過程中，材質(zhì)在不斷的強化，屈服強度在不斷回升的原因。

3 結(jié)束語

焦炭塔鼓凸形的主要原因是溫差熱應(yīng)力導(dǎo)致的局部塑性變形。變形的規(guī)律是變形首先從塔體下數(shù)第二、三節(jié)開始，隨時間的推移向上發(fā)展，在焊縫處產(chǎn)生束腰現(xiàn)象，且在變形到一定程度后，變形趨于停止。因此，為了防止焦炭塔由于溫差熱應(yīng)力引起的塔體鼓凸變形，可采取如下的對應(yīng)措施：

(1)削去焊縫加強高度，這樣可以降低鋼性約束，減小變形。

(2)選擇新型材料。主要是選取不銹鋼和 1Cr-Mo鋼并覆蓋2.5 mm厚的410型不銹鋼。

(3)采用新型的焦炭塔波形保溫結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以大大地減少溫差應(yīng)力，鎮(zhèn)海煉油廠有這方面的經(jīng)驗。

［1］汪大年.金屬塑性成形原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986.

［2］中國機械工程學(xué)會材料學(xué)會.疲勞失效分析[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1991.

［3］李一瑋.延遲焦化裝置焦炭塔的變形開裂機理和安全分析[J].壓力容器，1989，6(4)：61-66.

［4］張猛，胡亞民，李先祿.金屬塑性變形[M].重慶大學(xué)出版社，1989.

［5］曾春華，鄒十踐.疲勞分析引法及應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1991.

［6］金志英，王岫文,等.焦炭塔的鼓脹、裂紋容限及壽命預(yù)測[J].壓力容器,1993，10(2)：67-72.

［7］方子嚴,黃士南,胡家順,等.焦炭塔裙座焊縫區(qū)域溫度及應(yīng)力的測試分析[J].壓力容器, 1992,9(2)：37-42.

［8］卓震.化工容器及設(shè)備[M].北京：中國石化出版社,1998：253-288.

［9］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：中國勞動社會保障出版社,1999：13-22.

Mechanistic Analysis of Loin-drum Deformation Failure of Coke Reactors

HUANG Lei，ZHANG Ju-wei，QU Xiao-xue
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The coke reactor is a drum reactor for delayed coking reaction, is an important component of the delayed coking unit. Its long-term safe operation is a premise to obtain high efficiency for oil refining enterprises. However, due to poor working conditions, the coke tower is widely deformation of the tower and welding cracking which seriously affect the safe operation of the coke drum. There are some reasons to cause this phenomenon, such as high temperature creep, low cycle thermal fatigue, local deformation caused by thermal stress and so on. In this paper, through study on production conditions and failure characteristics of high temperature creep and low cycle thermal fatigue, it’s determined that reason of loin-drum deformation failure was local plastic deformation caused by thermal stress. At the same time, the regularity of deformation failure was given out as well as precaution measures.

Coke reactor; Delayed coking; Loin-drum deformation; Thermal stress

TE 624

A

1671-0460（2012）09-0967-03

2012-03-20

黃磊（1985-），男，遼寧撫順人，助理工程師，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：石油化工設(shè)備的強度分析與安全評價。E-mail：huangleiaa@tom.com。

張巨偉（1962-），男，教授，主要從事石油化工設(shè)備安全方面的研究。E-mail：z6682201@126.com。