延遲焦化水力除焦鉆桿斷裂原因

張 杰

（中國石油玉門油田分公司煉化總廠，甘肅酒泉 735000）

0 引言

玉門煉化總廠50萬t/a延遲焦化裝置1爐2塔，生產(chǎn)周期（24～32）h。裝置內(nèi)鉆桿長38.8 m，為焦炭塔除焦設(shè)備的重要組件。在除焦過程中，鉆桿在塔內(nèi)呈垂直豎立狀態(tài)，頂端由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行升降操作，垂直伸入焦炭塔中以一定的速度上下勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)緩慢順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。除焦時(shí)，鉆桿管內(nèi)20 MPa的除焦水通過底端切焦器向塔內(nèi)噴射高速水流，通過高壓水切割塔內(nèi)焦炭。

1 鉆桿結(jié)構(gòu)

裝置內(nèi)鉆桿采用Φ139.7 mm×10.5 mm規(guī)格，材料35Cr-Mo，5短節(jié)間通過公、母扣熱脹接過盈配合，過盈值0.2 mm，外側(cè)套管采用A507焊條進(jìn)行焊接，但焊縫內(nèi)側(cè)1.5 mm無法焊透。最后經(jīng)加熱至（400～500）℃，保溫8 h以上熱處理。

2 鉆桿斷裂原因分析及預(yù)防思路

鉆桿操作過程中，表面接觸介質(zhì)主要為水蒸氣、二氧化碳和硫化氫等酸性氣體，對鉆桿腐蝕較大。其次在操作過程中，鉆桿在除焦過程中受到不可控外力作用，如塔內(nèi)焦子撞擊造成鉆桿偏斜，在鉆桿自轉(zhuǎn)中造成接頭斷裂。若遇焦炭塌方卡鉆，不及時(shí)處理極易引起鉆桿接頭焊縫撕裂。

2.1 鉆桿接頭為平滑熱脹焊接

目前鉆桿連接方式為熱脹焊接（圖1），在焊縫拉裂時(shí)無法避免鉆桿因自重脫落掉入塔內(nèi)，引發(fā)設(shè)備二次損傷。其次，由于鉆桿在塔內(nèi)的操作溫度150℃左右，鉆桿內(nèi)除焦水溫度僅為30℃，鉆桿長時(shí)間處于高、低溫條件下，由于鉆桿脹套、脹頭分別受到熱脹、冷縮影響，最終脹套膨脹程度大于脹頭，焊縫拉裂時(shí)，無法拽住鉆桿及除焦器。

2.2 接頭為對焊，未能焊透

廠家直供鉆桿接頭選用對焊技術(shù)，只能焊接表面接縫，為不完全焊透，且對深層焊縫沒有成熟檢測手段，只能進(jìn)行簡單的著色觀察。因此造成鉆桿接頭缺陷，強(qiáng)度減弱，成為鉆桿的薄弱環(huán)節(jié)。在鉆桿操作過程中受到強(qiáng)大外力沖擊時(shí)，該位置成為突破口，發(fā)生斷裂墜落。

圖1 鉆桿平焊脹接

2.3 焊縫腐蝕減薄

由于鉆桿在焦炭塔內(nèi)接觸介質(zhì)主要為水蒸汽、二氧化碳和硫化氫等酸性氣體，酸性氣體遇水蒸氣后腐蝕性急劇增強(qiáng)，并附著在鉆桿表面及焊縫處，最終腐蝕焊縫，焊層減薄。其次，由于鉆桿在塔內(nèi)操作過程中環(huán)境溫度較高，加劇了酸與鉆桿的反應(yīng)，即腐蝕加強(qiáng)。

3 改進(jìn)措施

由于鉆桿接頭斷裂主要由于連接方式、焊接方案以及環(huán)境腐蝕最終引起接頭故障，造成接頭斷裂。針對以上原因，提出改進(jìn)措施。

3.1 接頭螺紋連接

目前鉆桿連接為脹接方式，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，脹套受熱膨脹后焊縫出現(xiàn)故障時(shí)，無法拽住除焦器及下部鉆桿。為增強(qiáng)鉆桿連接強(qiáng)度，建議各部鉆桿連接更改為錐螺紋連接。因鉆桿在操作中順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，錐螺紋應(yīng)為正扣，防止運(yùn)作過程中連接松脫（圖2）。

3.2 接頭坡口對焊

現(xiàn)鉆桿接頭均采用平焊方式連接，未進(jìn)行坡口焊接。平焊不能將連接縫隙焊透，且無法檢測焊縫質(zhì)量，存在安全隱患。建議在各段鉆桿接頭處加工坡口，實(shí)現(xiàn)坡口焊接，保證焊接質(zhì)量，見圖2。焊接完成后做全面檢測。

3.3 增大鉆桿管徑及壁厚

目前各煉廠的鉆桿主要有 Φ139.7 mm×10.5 mm和Φ177.8 mm×19 mm的2種規(guī)格。前者為小管徑，鉆桿在操作過程中受到外力沖擊時(shí)，極易發(fā)生彎曲、變形，甚至斷裂。其接頭連接采用熱脹接方式。后者管徑增大，壁厚增加，抗彎曲能力明顯提升，且短節(jié)間采用螺紋連接，可防止脫落。因此，為確保裝置安全平穩(wěn)長周期運(yùn)行，建議鉆桿更換為大管徑，防止鉆桿斷裂。

圖2 鉆桿坡口對焊螺紋連接

3.4 接頭鍍鋅防腐

鉆桿材料采用35Cr-Mo，未對鉆桿表面及焊縫進(jìn)行防腐處理，加之在酸性環(huán)境下腐蝕程度加劇，未焊透的焊縫在這樣的工況下，隱患更大。由于長距離的鉆桿在使用過程中極易偏斜，在焦炭塔頂部均安裝扶正器，需對操作中的鉆桿進(jìn)行固定矯正。在操作中，鉆桿與扶正器之間存在直接摩擦，因此不宜采用刷漆防腐工藝。為加強(qiáng)焊縫質(zhì)量，確保鉆桿的長周期運(yùn)行，建議對焊縫局部進(jìn)行鍍鋅或噴鋅防腐處理，防止酸性介質(zhì)與焊縫直接接觸，腐蝕焊縫。

3.5 降低鉆桿操作環(huán)境溫度

由于腐蝕反應(yīng)隨溫度的升高而加劇，因此，在焦炭塔冷焦過程中，需保證焦炭完全冷透，并實(shí)現(xiàn)塔頂溢流，盡量降低除焦過程中塔內(nèi)溫度。其次，除焦系統(tǒng)也需盡量降低除焦水溫度，將低溫水注入塔內(nèi)，進(jìn)一步降低塔內(nèi)溫度，減小酸性氣體對鉆桿的腐蝕。

3.6 加強(qiáng)巡檢力度嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作

除焦過程中應(yīng)保證鉆桿旋轉(zhuǎn)方向與鉆桿兩端螺紋旋向一致，防止螺紋松脫。還應(yīng)確保切焦器噴嘴孔徑一致，防止偏流，避免偏載。切焦過程嚴(yán)格按照切焦順序操作，首先從上至下進(jìn)行擴(kuò)孔，將錐體焦炭切除，再由下往上再次擴(kuò)孔，最后再由上往下進(jìn)行除焦及后續(xù)的洗塔操作。

4 結(jié)語

結(jié)合鉆桿結(jié)構(gòu)，綜合分析裝置內(nèi)鉆桿斷裂原因，主要原因?yàn)殂@桿接頭為平焊脹接方式，且操作溫度較高，加劇了酸性物質(zhì)對鉆桿的腐蝕。對此，提出鉆桿接頭坡口對焊螺紋連接方案，并對焊縫進(jìn)行局部鍍鋅防腐處理措施。對焦炭塔冷焦以及切焦過程提出更合理的操作方案。