焦炭塔安全性分析研究進度與展望

， ， ， (中海油惠州石化有限公司， 廣東 惠州　516086)

焦炭塔是煉油廠延遲焦化裝置的關鍵設備之一，始終處于周期性的運行狀態中。一個煉焦周期由蒸汽預熱、油氣預熱、倒塔、進油生焦、吹蒸汽、水冷卻、排水、除焦等主要過程組成。煉焦過程中的溫度、壓力及其變化是煉焦塔的重要特征。

焦炭塔的溫度一般24～48 h波動一次，包括從50～500 ℃的升溫過程、生焦期間約20 h的500 ℃左右高溫保溫過程以及從500～50 ℃的冷卻過程。焦炭塔承受的壓力載荷包括塔體和保溫層重、最高約0.3 MPa的內壓以及周期性變化的內部介質載荷作用。

煉焦過程中這些隨時間不斷變化著的三維溫度場和應力場會在焦炭塔塔體軸向、徑向、環向形成周期性的溫度梯度[1-2]，進而造成溫差熱應力，還會使焦炭塔設備材料，尤其是碳鋼因長期在較高溫度環境下服役發生一定的蠕變變形和材質劣化現象，最終導致焦炭塔可能出現高溫低周疲勞破壞、熱機械疲勞破壞或疲勞蠕變的交互作用等多種失效模式，焦炭塔安全性分析因而也始終是國內外學者研究的重點和難點。

1　焦炭塔主要失效形式和原因

自1968年以來，美國石油學會(API)就焦炭塔完整性和可靠性先后進行了4次調查(1968年、1980年、1996年和2013年)[3]。查閱2013年API對164座焦炭塔(總計已服役超過2 500 a)進行的調查，經分析發現有61%的焦炭塔發生了鼓脹變形,97%的焦炭塔發生了環向開裂,多數鼓脹和開裂位于錐體上方筒體的第3、4、5層側板,78%的焦炭塔有塔體和裙座開裂經歷。

1.1　鼓脹變形

1.1.1強度不匹配[4-5]

當環焊縫的屈服強度高于母體金屬時，母體金屬受到焊縫的約束在焊縫上方或下方向外鼓脹。當焊縫強度低于母體金屬強度時，在焊縫處或附近也會出現鼓脹，但這種鼓脹通常比前一種情況小。因此有研究認為，為降低這一因素引起的局部應力，應將焊接金屬與母體金屬的強度差異控制在10%以內。

1.1.2屈曲[6-8]

承受軸壓與內壓的圓柱薄殼，在存在結構缺陷和循環熱梯度作用下，結構承載能力會逐步降低，從而發生屈曲。

1.1.3疲勞蠕變交互作用

焦炭塔的溫度在室溫至490 ℃ 變化時可能會發生蠕變，但測量結果顯示[9]，在一個循環中塔內溫度超過400 ℃時，塔壁的應力并不高，由此產生的蠕變變形也不明顯。

1.1.4熱沖擊

在焦炭塔急冷階段，塔體內表面出現了嚴重的溫度梯度并產生熱應力。早期研究中，Weil[10]認為當軸向溫差大于2.19 ℃/cm時，產生的熱應力就會超過屈服強度。Weil還定義了急冷因子UQF，即水冷時間與單塔焦炭產量的比值，來判別焦炭塔是否會出現鼓脹。UQF>0.5時，鼓脹可以忽略；UQF>0.8時，則根本不會出現鼓脹。

1.1.5棘輪效應[11]

在焊縫周圍發現了較深的開裂和較大的鼓脹，支持了由強度不匹配引起的應變棘輪說法。

1.1.6焦炭擠壓

焦炭的徑向熱膨脹系數比殼體壁板材質的大，如果筒體用料的冷卻速率比焦炭的快，則會有壓力殘留在塔壁上，此時由于焦炭擠壓會導致筒體鼓脹。另有測試表明[12]，焦炭塔中的焦炭實際上并非多孔性，僅在靠近塔壁處的孔口稍微多些，因而當水冷卻速率過高時，冷水就會流進焦床的外圍去冷卻塔壁。這一點也有助于解釋急冷時塔體鼓脹的現象。

1.1.7熱斑

當機械設備或結構的各部分溫度不同時，如果某一部分的伸縮受到相鄰部分的約束，就會引起熱應力。當受約束的試件內存在溫度梯度時，高溫部分受壓且由于溫度升高屈服強度降低，容易出現塑性變形，使得該部分橫截面面積增大。而當試件冷卻時，原來的高溫部分由于截面面積增大，此時的應力值比相鄰部分低，并且由于溫度降低，屈服強度恢復，與相鄰部分相比，很難產生塑性變形。經過多次循環之后，塑性變形不斷積累，最終在高溫區出現鼓脹，而相鄰區域出現瓶頸現象[13]。在焦炭塔操作過程中也出現同樣的現象，在急冷過程中形成局部高熱應力區，且其應力水平足以使材料屈服。

1.1.8焦炭床層著火

當焦炭塔卸頂蓋之后暴露在空氣中時，可能發生閃火，產生局部超高熱。

1.2　環焊縫開裂

焦炭塔環焊縫開裂主要是環向的，有從內表面萌生，也有從外表面萌生。近年來國內焦炭塔的使用情況表明，環焊縫開裂是焦炭塔常見問題。下錐段、筒體以及上部復合層的環焊縫都出現過開裂現象，嚴重的甚至整圈環焊縫都存在裂紋，且在打磨修復使用一段時間后裂紋仍然會出現。研究表明，焦炭塔環焊縫開裂主要是因為塔內存在嚴重溫度梯度導致軸向應力大于環向應力，在循環軸向應力作用下環向裂紋萌生并逐漸擴展。

1.3　裙座開裂

對于焦炭塔開裂來說，裙座與底部筒節的連接處是最敏感的區域之一[14]，大約78%的焦炭塔有這類開裂。該區域承受著幾種疲勞載荷的作用，①循環熱疲勞載荷。環焊縫內塔半徑部分在加熱時承受壓縮載荷，冷卻時卻承受拉伸載荷。循環熱疲勞載荷引起的失效在焦炭塔裙座開裂失效中所占的比例最大，由裙座與底部筒節在剛度方面的不匹配以及溫度梯度較大造成。②作用于裙座上的循環壓應力，主要是塔內不斷變化的介質重量引起的。③焦炭塔急冷循環過程中塔內焦炭的抑制作用，這是塔壁與焦炭的熱膨脹系數不匹配引起的。幾種載荷交織在一起，在裙座與底部筒節連接處形成了比較大的應力梯度。這種較大的應力梯度和應力波動將不可避免地導致焦炭塔裙座的疲勞開裂。

1.4　柔性槽開裂

對于柔性槽在裙座/筒體連接焊縫壽命中的作用目前仍存爭議。有研究認為增加柔性槽，使焊縫區域應力水平提高，疲勞壽命縮短。但也有現場經驗表明，即使應力集中區(柔性槽)開裂得比較早，但加上擴展到焊縫所需要的時間，其總的疲勞壽命比沒有柔性槽的結構要長。

Antalffy等在關于裙座連接分析的報告中，公布了有關焦炭塔裙座柔性槽的詳細描述[15]。結果表明，柔性槽離裙座/筒體焊縫越近，焊縫的應力水平越低，柔性槽結構有提高焊縫區域疲勞壽命的潛力，其效果取決于柔性槽開裂后裂紋擴展的速率。由此可見，柔性槽結構實際上起著類似于膨脹節的作用，可有效降低裙座角焊縫處的剛度，增加其柔性，因此可有效降低因結構突變、剛度增加而在反復加熱冷卻過程中發生開裂的可能性，但這種結構改變勢必會加劇柔性槽處的應力集中程度，如果結構設計的不合理，在降低角焊縫開裂的同時，也會增加柔性槽鑰匙孔處開裂的幾率[16]。

1.5　珠光體球化及石墨化

1.5.1珠光體球化

珠光體球化是一種高溫條件下的組織轉變現象。幾乎所有的珠光體型鋼(包括碳鋼和低合金鋼)長期在高溫條件下服役都會不同程度地發生珠光體球化現象。

珠光體球化程度可分為未球化(1級)、傾向性球化(2級)、輕度球化(3級)、中度球化(4級)、完全球化(5級)和嚴重球化(6級)。珠光體球化發生的速度主要由溫度和鋼的化學成分所決定，但也與晶粒度、殘余應力及冷變形程度有一定關系。

研究結果表明，珠光體球化對鋼的室溫和高溫力學性能均有一定程度的影響。球化會使鋼的室溫抗拉強度和屈服點降低，但對碳鋼、低碳鉬鋼、鉻鉬鋼以及鉻鉬釩鋼的影響程度不盡相同。對碳鋼而言，由于碳是鋼中的主要強化元素，因此碳的重新聚集與分布對強度的影響相對較大。例如，20鋼達到嚴重球化程度(5級)后，其平均常溫抗拉強度將下降20.6%，屈服強度下降24%，布氏硬度(HB)和鐵素體顯微硬度分別降低17.7%和23.4%，延伸率和斷面收縮率則分別增加20%和15.6%。嚴重球化(5級)的20鋼的高溫短時抗拉強度的下降幅度介于19.4%～24.7%。

1.5.2石墨化

石墨化是一種危險的材質損傷形式。由于鋼中析出的石墨強度極低且一般呈球狀或團絮狀，實際上相當于鋼中的空洞或微裂紋，因此石墨化對鋼的力學性能有明顯不利影響，包括使鋼的常溫強度、塑性有一定程度的下降，沖擊韌性以及高溫持久強度嚴重降低，嚴重石墨化甚至會引發鋼的脆性斷裂。

對于碳鋼和0.5Mo鋼而言，在一定的溫度條件下，可能同時出現珠光體球化和石墨化。一般來說，珠光體球化會先于石墨化發生，但并不一定要等到珠光體完全球化后才發生石墨化。有時在中度球化的鋼中就能觀察到石墨化現象的存在。采用鉻鉬鋼制造的焦炭塔則避免了焦炭塔長期使用產生石墨化現象的可能[17]。

2　焦炭塔設計、制造、工藝和安全性分析技術進展

隨著近年來原油品質的逐步劣化和含酸、含硫原油的逐漸增多，煉油過程當中焦化的地位越來越高。國內外石油煉制公司相繼對焦炭塔設計、制造技術及操作工藝做了大量的革新和改造，一方面是為了解決焦炭塔服役過程中出現的各種安全問題，另一方面是為了提高產品收率和進一步降低成本。

2.1　設計與制造

2.1.1大型化

提高焦炭塔單體規模、減少焦化焦炭塔的數量，是提高延遲焦化裝置經濟性的有效方法。最初人們認為，由于切焦技術水平有限，焦炭塔直徑不會超過8.2 m。但事實上焦炭塔的直徑在不斷加大，1994年最大焦炭塔直徑達到8.2 m，1999年焦炭塔直徑達到8.5 m，目前國外已有直徑12.2 m焦炭塔投入使用[18]，2014年國內最大的直徑9.8 m、高度40.7 m、重580 t焦炭塔也建成投用。另一方面，大型化也是對焦炭塔設計、制造技術以及安全保障等的一種挑戰，這種進程依然還會受制于其它技術(如除焦技術等)發展，因此大型化終究是有限度的。

2.1.2材料

焦炭塔服役環境復雜、惡劣，失效模式多樣，選擇合適的材料是焦炭塔長期安全運行的關鍵。目前，在役焦炭塔的材料主要有碳鋼、碳鉬鋼和鉻鉬鋼。國外在上世紀70年代以前主要采用碳鋼和碳鉬鋼，70年代以后逐漸采用鉻鉬鋼，如1Cr0.5Mo、1.25Cr0.5Mo、2.25Cr1Mo。美國石油學會的分析和調查表明，鉻鉬鋼焦炭塔使用壽命是12 a, 碳鉬鋼焦炭塔使用壽命是8 a，碳鋼焦炭塔使用壽命只有7 a。國內上世紀焦炭塔制造多采用碳鋼材料，至上世紀末本世紀初才逐漸采用鉻鉬鋼，如15CrMo、14Cr1Mo等。我國第一臺1.25Cr0.5Mo制焦炭塔于2004年建成投用。

雖然鉻鉬鋼材料具有較好的高溫和抗疲勞開裂性能。但是近年來的使用情況表明，鉻鉬鋼材質的焦炭塔也出現了不同程度的鼓脹和開裂現象[19]，因此部分企業在綜合考慮了鉻鉬鋼的開裂修復、抗熱棘輪變形性能以及經濟性等因素后，又重新選擇碳鋼作為焦炭塔的主體材料。

2.1.3裙座結構

(1)裙座頂部結構裙座頂部與焦炭塔連接處是塔式設備結構的不連續部位，容易在焦炭塔循環的熱載荷和機械載荷作用下發生開裂，因而一直是關注的焦點問題。美國機械工程師協會(ASME)曾對該部位的4種連接形式(即一般對接型、搭接型、堆焊型和整體鍛焊型)進行了應力和疲勞壽命分析，結果表明，整體鍛焊型產生的應力最小，疲勞壽命最長，而一般對接型和搭接型應力均較大，疲勞壽命明顯較短。早期的焦炭塔受制造水平影響，裙座和焦炭塔連接多采用焊接方式。近年來，隨著制造水平的提高，整體鍛焊型的結構形式已逐漸普遍應用于焦炭塔的設計制造中[20]，有效降低了裙座頂部與焦炭塔連接部位開裂的可能性。

(2)熱溫箱結構在裙座上部設置熱溫箱結構，能降低焦炭塔內外壁的溫差，減緩熱沖擊，延長疲勞壽命。計算表明，在生焦和除焦階段有熱溫箱可使焦炭塔的熱應力下降1/4～1/3，同時可根據不同尺寸結構熱溫箱的計算結果，完成對熱溫箱的結構優化設計[21]。

(3)保溫結構老式的焦炭塔的保溫形式大多采用一般塔器的保溫結構，即塔體上焊保溫釘和保溫支撐圈，這種保溫形式不但熱損失大，而且焊接產生的應力集中易引發開裂。近年來，背帶式保溫結構已在國內焦炭塔上得到廣泛應用。此種結構將保溫支撐圈和保溫釘固定在背帶上，消除了直接焊接對焦炭塔安全產生的不利影響，產生了較好的效果[22]。使用這種保溫形式時需要特別注意塔振動引起的保溫材料滑落、保溫材料連接處縫隙變大導致塔局部超溫等問題。

2.2　操作工藝

2.2.1縮短生焦周期

焦炭塔為間歇操作，輪流進行生焦和切焦操作，縮短生焦周期成為提高裝置產量的有效方法。以生焦周期20 h或18 h計算，相比同焦炭塔尺寸條件下24 h的生焦周期，焦炭塔的處理能力將提高16% ～25%。國內早期焦炭塔生焦周期為24 h，近年來為適應生產的需要，通過技術改進，不少裝置的生焦周期已可降至18 h。國外焦炭塔生焦所需時間更少，周期可短至10～12 h。生焦周期縮短在提高裝置產量的同時，必然會減少焦炭塔各工序的時間，特別是大吹汽、冷焦和預熱階段的時間[23]，加快焦炭塔升溫和降溫速率，產生較大的應力/應變幅。鑒于低循環熱機械疲勞是確認的焦炭塔失效機理，因此縮短生焦周期也必然導致焦炭塔服役壽命縮短。此外，縮短生焦周期還將引起加熱爐負荷增加，導致爐管溫度升高、油氣焦粉攜帶等問題[24]。

2.2.2降低循環比

循環比是影響裝置處理能力、產品性質及其分布的重要操作參數。降低循環比、提高裝置處理量是延遲焦化工藝總的發展趨勢。國外焦化裝置循環比一直呈降低趨勢。凱洛格公司設計的典型循環比已可降至0.05甚至更低，福斯特惠勒公司推薦的低循環比為0.05，阿莫科公司采用了單程焦化的操作，其循環比為0。國內焦化裝置循環比大多在0.2～0.4，部分企業通過技術改進(如調節循環比工藝流程)使裝置能夠在循環比0.11～0.15時穩定運行[25]，但與國外的技術尚有一定的差距。循環比較低時，要防止參數大幅波動帶來的影響[26]。

2.2.3大吹汽節能技術

大吹汽的作用主要是降低焦炭塔內焦炭溫度，將焦炭塔內焦炭溫度從430 ℃左右降低至360 ℃左右，為后續給水冷焦等過程創造條件，同時還可以最大限度汽提出焦炭內的輕質油，增加延遲焦化裝置液體收率，降低焦炭揮發分含量，減少焦炭收率。大吹汽過程消耗的蒸汽量大，且是間歇操作，為節約能源，國內已有企業采用了智能霧化器將水霧化，與蒸汽一起通入焦炭塔進行降溫的技術，由此節省了60% ～70%蒸汽，經濟效益顯著。但由于用水代替了汽，焦炭塔降溫速度有了一定的提升。全部采用蒸汽時降溫速度為11.2 ℃/h，而節省60%蒸汽時降溫速度為26.7 ℃/h[27]。由于降溫速度與焦炭塔的應力應變有直接的關系，因此該技術對焦炭塔安全性的影響尚有待進一步的研究。

2.3　焦炭塔安全性分析

焦炭塔的工藝特點決定了其安全性分析是復雜而艱巨的。幾十年來，國內外工程技術人員和科技工作者相繼投入大量人力、物力，對在用焦炭塔展開了深入調查、理論研究以及現場分析測試，并通過進一步探討研究其故障原因，得到了一些關于焦炭塔變形、開裂等現象的機理理論，從焦炭塔不同失效模式出發，例如熱機械疲勞、高溫低周疲勞、棘輪、蠕變等，提出了基于這些模式的焦炭塔安全性分析方法。

2.3.1熱機械疲勞

該觀點認為[28-30]，焦炭塔運行期間經常承受劇烈的溫度循環變化，其劣化問題屬于熱機械疲勞損傷范疇，剩余壽命的分析應主要基于熱機械疲勞理論。在這類理論中，首先對焦炭塔母材和焊縫材料進行熱機械疲勞試驗，得到Manson-Coffin關系表達式后，結合焦炭塔的軸對稱應力、應變場計算結果，選取合適的當量應變范圍，預測焦炭塔的剩余壽命。國內早期針對20g制焦炭塔材料熱機械疲勞性能已開展了試驗，獲得了一些基礎數據[31]，但是針對本世紀相繼投用的鉻鉬鋼制焦炭塔，相關的試驗數據仍然比較欠缺。雖然熱機械疲勞被普遍認為是造成焦炭塔鼓脹變形、開裂的失效模式，但目前的方法沒有考慮材質劣化對材料熱機械疲勞性能的影響，在剩余壽命預測時會得到不安全的結果。目前有關焦炭塔母材和焊縫熱機械疲勞試驗的數據仍然比較少，特別是本世紀以來國內許多焦炭塔制造采用的鉻鉬鋼材料數據更加匱乏，基礎試驗工作仍亟待開展。

2.3.2高溫低周疲勞

此觀點認為焦炭塔的失效是高溫環境下低周疲勞造成的[32-33]。由于焦炭塔屬于薄壁容器，故可將復雜應力狀態簡化為二維應力狀態，通過單軸高溫低周疲勞實驗，分別得出母材和焊縫的Manson-Coffin關系式，按照高溫強度理論和局部應力應變理論，采用當量應變范圍法對焦炭塔進行剩余壽命評估，計算出焦炭塔最大當量應變范圍，由Manson-Coffin關系式求出焦炭塔的剩余壽命。這種方法沒有考慮溫度變化帶來的熱機械疲勞載荷作用，其壽命預測結果偏于不安全。

2.3.3安定性分析

塔體結構在循環載荷作用下，除在初始階段少數幾個載荷循環中產生一定的塑性變形外，在繼續施加的循環外載荷作用下不再發生新的塑性變形或者不出現塑性疲勞或棘輪現象，此時結構處于安定狀態。焦炭塔在反復的熱疲勞、機械疲勞循環載荷下會產生累積的塑性變形。為此，有學者從兩方面針對該問題進行了分析。一方面，保證結構處于安定狀態，通過結構幾個循環的應力、應變計算，分析應變隨循環周次的變化情況，研究結構的安定性[34]。另一方面，如果結構不滿足安定狀態條件，通過考慮棘輪效應和疲勞耦合作用下的損傷模型，研究焦炭塔的壽命預測方法[35]。

2.3.4持久強度方法

該方法認為[36-37]，當塔體鼓脹變形嚴重時，會使塔體穩定性下降，強度削弱，由此提出了用持久強度來預測焦炭塔的剩余壽命。選擇已服役多年(發生輕度球化)的20g鋼板，做成2組(輕度球化和中度球化各6個)標準試樣，在焦炭塔使用溫度下做持久試驗，然后利用雙對數曲線進行外推得出焦炭塔的剩余壽命。這種方法簡單地將焦炭塔失效模式歸因于高溫蠕變，雖然考慮了材質劣化對其高溫持久強度的影響，但仍然有悖于焦炭塔的實際服役工況和失效機理。

2.3.5基于珠光體球化的剩余壽命計算法

一種觀點認為珠光體球化的主要影響因素是溫度、時間和化學成分，其理論基礎是，20g珠光體球化的實質是具有較高表面能的片狀珠光體在高溫下有向低表面能球狀珠光體轉化的趨勢，溫度越高、時間越長，珠光體球化程度越嚴重，進行焦炭塔壽命預測時則假定材料完全球化是設備壽命的終點[38]。

另外一種觀點認為珠光體球化不僅與溫度、時間、化學成分有關，而且與應力水平也有很大的關系，利用珠光體球化轉變的動力學方程給出剩余壽命的計算模型[39-40]。焦炭塔剩余壽命計算模型主要考慮了溫度、應力對珠光體球化速度的影響。珠光體球化模型只將珠光體球化作為衡量焦炭塔是否安全的主要標志，沒有考慮載荷及溫度循環對材料造成的損傷，目前仍存在很大爭議。

3　今后研究重點

盡管國內外關于焦炭塔安全性分析已開展了大量的研究工作，但目前國內焦炭塔使用中仍然頻繁出現開裂、鼓脹等現象，一些關鍵問題仍未得到有效解決，亟需開展更進一步的研究工作，包括以下幾點。

(1) 考慮材質劣化條件下的焦炭塔熱機械疲勞壽命研究。焦炭塔材料特別是碳鋼在投用一段時間后材質會出現劣化，如珠光體球化等。國內一些企業通過在用焦炭塔檢測發現塔體材料存在中度甚至完全球化現象，需要開展研究分析這些焦炭塔是否還有服役潛力，從而為企業報廢換新、縮短停工時間提供科學技術支撐。

(2) 考慮應力松弛的焦炭塔壽命預測技術研究。從損傷角度考慮，焦炭塔熱機械疲勞失效是一種低周應變控制的疲勞損傷累積結果。應變控制條件下，在保載時(生焦階段)將發生應力松弛現象，產生蠕變損傷，根據英國高溫結構完整性評定規范R5[41]，這部分損傷應計入結構損傷分析中，因此，有必要針對這方面開展研究工作。

(3) 焦炭對焦炭塔結構響應影響研究。由于焦炭熱膨脹系數與鋼材不一致，在焦炭塔冷卻時必然會對塔本體產生附加作用力。目前焦炭塔結構響應研究仍主要采用數值模擬方法，雖然對加熱速率、冷卻速率等工藝參數的影響已開展了一些研究工作，但關于焦炭影響的研究仍然較少。

(4) 焦炭塔局部的熱斑和冷斑對塔壽命的影響研究。焦炭塔冷卻時，焦炭空洞和通道分布的不均勻性和隨機性，使得塔壁某些局部位置的冷卻速率快于或慢于周圍其它部位，產生熱斑和冷斑。國外已通過現場檢測和數值模擬等方法開展了熱斑和冷斑對焦炭塔壽命的影響研究[42]，國內目前在這方面仍處于空白。

(5) 目前焦炭塔材料熱機械疲勞試驗數據仍不充分，特別是國內近年來新投用焦炭塔所用的鉻鉬鋼材料，一些基礎試驗工作仍亟待開展。

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