延遲焦化裝置焦炭塔定期檢驗案例總結與缺陷分析

錢俊鋒，董杰，劉建杰，杜護軍，陳高俊，儲擁軍

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230021）

焦炭塔是延遲焦化裝置的關鍵設備，其作為一種周期性操作的設備，一般24～48小時溫度波動一次，主要操作過程分為蒸汽預熱、油氣預熱、倒塔、進油生焦、吹蒸汽、水冷卻、排水、除焦等階段。正常生產時通常是兩個塔一組進行切換操作，當一個塔處于進油生焦過程，另一個塔正好處于水力除焦等階段。焦炭塔長期處于急冷、急熱的循環狀態下過程以及周期性變化的內部介質載荷作用（空塔重約170t，滿塔重量約900t）。因此，非常復雜的焦化工藝和十分惡劣的服役環境，使焦炭塔承受著極其復雜的、且隨時間不斷變化著的三維溫度場和應力場作用，導致長期服役的焦炭塔容易產生各類問題。

在參與某公司延遲焦化裝置兩臺焦炭塔定期檢驗工作時，發現這兩臺焦炭塔都出現了鼓脹變形、內壁板材裂紋、塔體傾斜、焊縫埋藏超標缺陷、地腳螺栓銹蝕斷裂、接管傾斜變形及裙座角焊縫開裂等多種問題，現介紹兩臺焦炭塔的檢驗檢測情況，并對發現的相關問題進行原因分析以及處理，以促進焦炭塔的檢驗檢測及運行維護工作。

1 設備概況

1.1 技術參數

某公司焦炭塔（1#、2#）由13個筒節、錐形封頭（下）和球形封頭（上）組成，主要技術參數如下。

主 體 材 質：20g， 規 格：φ6000×31509×32 mm，設計壓力：0.30MPa，設計溫度：475℃，工作壓力：≤0.28Mpa，工作溫度：≤475℃，介質：油氣、焦炭、渣油、水蒸氣，產品標準：GB150-89，投用日期：1996年。

1.2 歷次檢驗情況

該公司兩臺焦炭塔在2008年和2013年檢驗中，除在2#塔裙座角焊縫上發現熱疲勞裂紋，沒有其他問題記錄。

2 本次檢驗情況

2018年，對這兩臺焦炭塔進行了定期檢驗。

2.1 宏觀檢驗

宏觀檢驗過程中發現的主要問題如下。

（1）鼓脹變形。如圖1，兩臺焦炭塔下半段筒節都發生了嚴重鼓脹變形，上半段變形不明顯，半徑方向最大鼓脹量為83mm。多數筒節呈“C”形鼓脹，也有少量呈“ε”形，整體呈現“糖葫蘆狀”。變形較大部位集中在東南-西南半圈。

圖1 板材鼓脹變形

（2）內壁板材裂紋。兩臺塔鼓脹變形嚴重部位的部分板材在約300mm寬范圍內出現肉眼可見的內壁表面裂紋（圖2）。將內表面板材焦層打磨后，裂紋開口很小，肉眼很難發現。經裂紋測深儀和超聲儀對裂紋深度進行測量，檢測結果表明內壁板材裂紋深度均小于3mm。

圖2 內表面板材宏觀裂紋

（3）塔體傾斜。SH/T 3098-2011《石油化工塔器設計規范》規定，塔體安裝垂直度允許偏差為塔器總高度的0.1%且不超過30mm。在停工狀況下，經測量1#塔和2#塔分別向南傾斜80mm和60mm，超過標準規定。

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（4）接管彎曲傾斜。兩臺塔鉆焦口上的急冷油口接管向上嚴重傾斜，如下圖3。

圖3 急冷油口接管向上傾斜

（5）地腳螺栓斷裂。如圖4，每臺焦炭塔有32根地腳螺栓，考慮到設備已使用多年，且塔體發生傾斜，檢驗中對地腳螺栓進行抽查，保溫拆除后發現螺栓發生嚴重銹蝕甚至斷裂。再次將所有地腳螺栓保溫均拆除檢查，所有螺栓均有較大程度銹蝕。1#塔有7根螺栓斷裂以及9根螺栓變細；2#塔有沒有螺栓斷裂，有7根螺栓變細。

圖4 地腳螺栓腐蝕

2.2 壁厚測定

利用CTS-30A型超聲波測厚儀對上球形封頭、筒體及錐封丁字口周邊以及鼓脹變形部位板材進行測厚，發現兩臺焦炭塔壁厚沒有明顯減薄，各位置壁厚均不小于30.0mm。

2.3 表面無損檢測

使用DA1203型便攜式交流磁探儀對下半段筒體和錐形封頭所有內壁對接焊縫、筒體鼓脹變形部位和未變形部位板材的內外壁、上中下筒體對接焊縫外壁（少量抽查）以及裙座角焊縫進行磁粉檢測，并對上封頭上所有接管角焊縫可檢部位進行了滲透檢測，發現以下問題。

（1）內壁板材裂紋。在鼓脹變形相對嚴重部位的板材發現最寬400mm范圍的大量密集環向表面裂紋（包括宏觀檢驗發現的表面裂紋及宏觀檢驗未發現裂紋的板材），如圖5所示。

（2）裙座角焊縫裂紋。在裙座角焊縫上熔合線附近發現斷續整圈裂紋（圖6）。

圖5 內表面磁粉顯示裂紋

2.4 埋藏缺陷檢測

圖6 裙座角焊縫裂紋

在1#塔對接焊縫上發現17處Ⅲ級埋藏超標缺陷，2#塔在對接焊縫上發現26處Ⅲ級埋藏超標缺陷。缺陷尺寸較小，長度為10～30mm，自身高度為2～4mm。板材區域未發現埋藏超標缺陷。

2.5 理化分析

對兩臺焦炭塔筒體縱環縫、錐段縱環縫、筒體無變形區母材、筒體裂紋區母材、錐段母材進行硬度測試和金相分析。

（1）硬度檢測。測試部位硬度值均正常，母材：128～151HB， 焊 縫 金 屬：143～184HB， 焊 接 熱 影 響 區：170～196HB。

（2）金相分析。測試部位金相組織基本正常，均為鐵素體+珠光體組織，未發生球化現象。圖7為無變形區母材和變形嚴重（即宏觀裂紋位置）的金相組織圖。

圖7 板材金相組織

3 缺陷原因分析及處理

3.1 原因分析

（1）內壁鼓脹變形。焦炭塔鼓脹變形是一個普遍現象，主要是由于“熱應力棘輪現象”。即由于焦炭塔的塔壁各位置在運行時存在溫差，導致塔壁各位置變形不一致進而在塔壁上產生熱應力，且焦炭塔長期處于冷熱循環，當結構應力超過材料在該溫度下的屈服強度，會引起塔壁的局部塑性變形并在循環工況下不斷增大。另外由于環焊縫具有較高屈服強度，且比母材稍厚，因而變形較小，整體就產生一個由焊縫處約束母材凸出的如“糖糊蘆”形狀的鼓脹變形。

（2）內壁板材表面裂紋。宏觀發現裂紋為龜裂狀，裂紋短且寬，微觀照片發現裂紋分支少，以穿晶擴展為主，且裂紋間隙存在氧化物，裂紋區域硬度值為128～134HB。根據裂紋形貌及相關檢測結果，結合焦炭塔運行特點，可以判斷裂紋應為熱疲勞裂紋，即裂紋附近位置的板材在焦炭塔運行時經歷的循環熱-機械載荷作用下產生的熱疲勞開裂。

（3）塔體傾斜。兩臺焦炭塔均向南傾斜，考慮到筒體鼓脹變形也是東南-西南半圈相對嚴重，因此分析認為是由于筒節南半邊鼓脹嚴重導致塔體在南邊長度短于北半邊所產生的塔體向南傾斜。

（4）埋藏超標缺陷。超聲檢出的埋藏超標缺陷尺寸較小，且多數可判斷為未熔合、夾渣等缺陷，同時考慮到這兩臺焦炭塔作為I類容器，對制造時的焊縫質量要求較低，因此判斷這些埋藏缺陷應多為容器制造時產生的。

（5）接管傾斜。鉆焦口上東西兩側的急冷油口接管向上傾斜的原因，是因為筒節鼓脹引起塔體發生了一定程度的下沉，由于急冷油口接管上段受到剛性約束，從而產生了傾斜變形。

（6）裙座角焊縫裂紋。焦炭塔在運行過程中，筒體與裙座之間存在軸向溫度梯度，并且在頻繁的加熱和冷卻循環工況下，導致裙座角焊縫及其附近部位受到較大的軸向交變熱應力作用，在裙座角焊縫根部附近產生大量環向熱疲勞裂紋。

（7）地腳螺栓銹蝕斷裂。焦炭塔地腳螺栓是由保溫棉包裹后在外壁用水泥封堵。這兩臺焦炭塔已投用22年，投用期間從未檢查過地腳螺栓，在使用過程中，由于雨水通過毛細作用滲入保溫棉后聚集，難以揮發，導致地腳螺栓經常處于浸泡狀態而引起銹蝕并斷裂。

3.2 缺陷處理

依據TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》，并結合現場實際情況，針對本次檢驗中發現的這些問題作以下處理。

（1）內壁鼓脹變形、內壁板材裂紋、塔體傾斜和埋藏超標缺陷等問題由廠方另行委托有資質的單位進行合于使用評價。

（2）接管傾斜變形要求廠方加強巡檢并適時監控。

（3）裙座角焊縫裂紋廠方已安排相關單位進行打磨消除，并補焊合格。

（4）針對斷裂、變細及銹蝕嚴重的螺栓已要求廠方安排更換，并對所有螺栓進行防腐處理。

4 結語

雖然焦炭塔工作壓力不高，屬于I類設備，但其最高工作溫度接近500℃并長期處于冷熱循環狀態，承受著極其復雜且隨時間不斷變化著的三維溫度場和應力場作用，使其在使用過程中容易產生各類缺陷，一旦發生泄漏或坍塌就會引起大火，產生不可估量的損失和后果。因此必須慎重對待在役焦炭塔的檢驗檢測及運行維護工作。本文主要介紹了檢驗的兩臺焦炭塔發現的各類問題并淺析了問題發生的原因，以保證焦炭塔的檢測質量和安全運行。