延遲焦化裝置焦炭塔錐體裂紋產(chǎn)生原因與修復(fù)

(中國石化塔河煉化有限責(zé)任公司，新疆 庫車 842000)

某煉油廠延遲焦化裝置主要加工常減壓蒸餾裝置減壓深拔后的渣油，渣油進(jìn)入延遲焦化裝置后，先通過加熱爐加熱達(dá)到反應(yīng)條件，然后再進(jìn)入焦炭塔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，塔頂?shù)姆磻?yīng)油氣進(jìn)入分餾塔進(jìn)行分離，塔底的焦炭則經(jīng)冷卻水高壓除焦后進(jìn)入焦池，裝車出廠。焦炭塔T301C內(nèi)徑為9 m，筒體切線高度為24 m，總高度為38.626 m。焦炭塔上段材質(zhì)(從封頭算起到14.523 m處)為SA387Gr11CL1+06Cr13復(fù)合鋼板，下段材質(zhì)為SA387Gr11CL1鋼，并且根據(jù)設(shè)計年限和原料性質(zhì)選定腐蝕裕量為5 mm。

1 焦炭塔錐體裂紋情況

從焦炭塔T301C錐體外部觀察(見圖1)，該穿透性裂紋位于裙座底部第一道環(huán)焊縫下方約80 cm處，起源于原焊道(錐體外部遺留焊道)的熱影響區(qū)，并沿與水平方向成30°角的方向斜向上擴(kuò)展，裂紋長約16 cm，寬約2 mm；從焦炭塔T301C錐體內(nèi)部觀察(見圖2)，裂紋長約8 cm，寬約1 mm。

圖1 焦炭塔T301C錐體外部裂紋

圖2 焦炭塔T301C錐體內(nèi)部裂紋

2 焦炭塔材質(zhì)檢測

2.1 化學(xué)元素分析

采用便攜式光譜儀對焦炭塔T301C錐體裂紋附近材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)元素分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出，主要合金元素Cr含量較低，為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值，其他化學(xué)成分基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 硬度檢測

采用里氏硬度計(HL)對焦炭塔T301C錐體外部裂紋附近及遺留焊道進(jìn)行硬度檢測，檢測位置如圖3所示，檢測結(jié)果換算成布氏硬度(HB)值，列于表2。硬度檢測結(jié)果表明，裂紋左下方位置⑤的硬度偏低(80～133 HB)，位置⑩的硬度最高，為216 HB，其余部位硬度為180 HB左右。

表1 錐體裂紋附近材質(zhì)化學(xué)元素分析 w,%

圖3 錐體外部硬度測量位置分布

表2 錐體裂紋附近硬度檢測結(jié)果

2.3 金相檢測分析

先對焦炭塔T301C錐體裂紋進(jìn)行修補(bǔ)，再在錐體外表面距離裂紋修補(bǔ)區(qū)較遠(yuǎn)的三處典型位置進(jìn)行取樣(見圖4)，然后依次對試樣進(jìn)行打磨、拋光和浸蝕處理，最后采用便攜式金相顯微鏡進(jìn)行金相觀察，金相形貌分析見圖5。分析圖5可知，1號位置的金相組織主要為鐵素體與索氏體，其中黑白條紋部分是索氏體，白色部分是鐵素體。2號和3號位置為遺留焊縫的熱影響區(qū)，金相組織均為索氏體與鐵素體，其組織已經(jīng)發(fā)生了劣化，晶粒異常粗大，推測晶粒在高溫下發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象。白色塊狀物內(nèi)部析出的黑色碳化物，使晶內(nèi)強(qiáng)度提高。同時，3號位置的金相組織出現(xiàn)許多微裂紋，并且主要以沿晶裂紋為主，晶粒粗大處裂紋明顯增多[1]。

圖4 錐體外部金相試樣取樣位置

圖5 錐體外部的金相組織形貌分析

3 焦炭塔錐體產(chǎn)生裂紋的原因分析

焦炭塔T301C在吊耳焊接作業(yè)時遺留一焊道,錐體裂紋在其附近,恰好處于其熱影響區(qū)內(nèi)。由于焊后熱處理不合格，導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)的晶內(nèi)強(qiáng)度提高，晶界塑性變形能力降低，實(shí)際變形量超過晶界的塑性變形極限，導(dǎo)致3號位置金相組織中出現(xiàn)以沿晶裂紋為主的微裂紋[2]。對3號位置的微觀裂紋與現(xiàn)場的宏觀裂紋進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，兩者十分相似,因此可認(rèn)為貫穿裂紋是微小裂紋不斷地擴(kuò)展和長大的結(jié)果。

現(xiàn)場硬度檢測發(fā)現(xiàn)，1號位置的硬度為176 HB/181 HB，2號位置的硬度為168 HB/175 HB，3號位置的硬度為149 HB/146 HB/137 HB，為三者中最低。3號位置由于晶粒粗大，強(qiáng)度和韌性下降，在晶界最薄弱部位易出現(xiàn)沿晶微裂紋?，F(xiàn)場貫穿裂紋位置與3號位置類似，均處于遺留焊縫的熱影響區(qū)，該貫穿裂紋左下角硬度處于最低值(115 HB/80 HB/83 HB/133 HB)，該位置晶界強(qiáng)度和韌性均較低，極易誘發(fā)裂紋。熱影響區(qū)內(nèi)局部晶粒劣化產(chǎn)生微裂紋，在熱疲勞應(yīng)力的作用下，裂紋加速延伸擴(kuò)展，不斷地在錐體外表面斜向上及向內(nèi)生長，最終導(dǎo)致貫穿裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展[3]。

4 焦炭塔下部錐體裂紋處理

對焦炭塔T301C錐體裂紋進(jìn)行滲透探傷(PT)，確定裂紋長度。分別在錐體裂紋兩端開設(shè)止裂孔，打磨清除錐體內(nèi)部和外部的裂紋，出現(xiàn)金屬光澤并經(jīng)滲透探傷合格后方可進(jìn)行焊接處理。

焊前預(yù)熱后，分別從錐體內(nèi)外對裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊，焊后進(jìn)行350 ℃消氫處理，處理時間為2 h。消氫后對焊縫進(jìn)行射線探傷(RT)[4]，探傷合格后再對其進(jìn)行焊后熱處理。焊后熱處理制度：400 ℃以上升溫速率為55～140 ℃/h，(690±14) ℃恒溫2 h，400 ℃以上降溫速率為55～180 ℃/h，400 ℃以下進(jìn)行空氣冷卻。

5 結(jié)束語

焦炭塔生產(chǎn)為周期性熱脹冷縮的疲勞過程,其錐體長期處于熱交變應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生裂紋，特別是在快速升溫和降溫的過程中，遺留焊縫熱影響區(qū)內(nèi)存在的缺陷極易誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。因此，在焦炭塔操作過程中，一定要規(guī)范操作，嚴(yán)格控制預(yù)熱和給水的操作進(jìn)度，特別是在焦炭塔切換時，一定要將焦炭塔預(yù)熱到位，避免溫度急劇上升對焦炭塔本體產(chǎn)生較大的影響。