童曉東

(中國石油化工股份有限公司揚(yáng)子石化有限公司，江蘇南京 210048)

焦炭塔裙座焊縫裂紋分析及修復(fù)

童曉東

(中國石油化工股份有限公司揚(yáng)子石化有限公司，江蘇南京 210048)

焦炭塔長期運(yùn)行在高溫及充焦、除焦的冷熱疲勞操作條件下，出現(xiàn)了塔體與裙座焊縫裂紋或穿透，尤以T101C塔的裂紋最為嚴(yán)重，其穿透的裂紋內(nèi)側(cè)長度達(dá)30 mm，外表面裂紋長度已近3 m，其余三塔外表面裂紋長度也有1～2 m，均集中表現(xiàn)在除焦閥下方焊縫位置。文章通過對(duì)焦炭塔的使用狀況及應(yīng)力分析，指出了裙座焊縫裂紋產(chǎn)生的原因。同時(shí)對(duì)焦炭塔返修和操作中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了總結(jié)。

焦炭塔 裙座 裂紋 缺陷 分析 修復(fù)

某裝置4臺(tái)焦炭塔于1995年8月投用，隨除焦周期間歇生產(chǎn)。2004年3月，焦炭塔T101CD兩塔相繼發(fā)生裙座與筒體焊縫熔合線處泄漏，經(jīng)逐臺(tái)切換檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4臺(tái)焦炭塔裙座焊縫外表面一周均已出現(xiàn)斷續(xù)裂紋，其中3臺(tái)焦炭塔T101ACD已有局部穿透現(xiàn)象，尤以T101C塔的裂紋最為嚴(yán)重。本文對(duì)焦炭塔裙座結(jié)構(gòu)及應(yīng)力進(jìn)行了分析，找出裂紋產(chǎn)生原因，采取了修復(fù)措施，確保了焦炭塔安穩(wěn)運(yùn)行。

1 焦炭塔技術(shù)參數(shù)及工藝特點(diǎn)

1.1 焦炭塔(T101ABCD)基本技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力:0.3 MPa;

設(shè)計(jì)溫度:上部450℃，下部475℃;

公稱壁厚:球形封頭26 mm，錐體36 mm，上部筒體26 mm，下部筒體34 mm;

主體材質(zhì):20g鋼;

焊縫系數(shù):0.85(塔頂)/1.0(塔底);

內(nèi)徑×高度:φ6 000 mm×31 318 mm;

工作介質(zhì):焦炭、油氣和水。

1.2 焦炭塔工藝特點(diǎn)

(1)間歇操作，一個(gè)循環(huán)周期需48 h;(2)反復(fù)進(jìn)行加壓和卸壓，其壓力呈周期性波動(dòng)，波動(dòng)范圍為0～0.22 MPa;(3)操作溫度發(fā)生周期性大幅度變化，在冬天尤甚，波動(dòng)范圍從常溫到450℃;(4)除焦時(shí)，高壓水對(duì)器壁有猛烈沖擊;(5)除焦時(shí)先從上向下鉆孔，再從下向上除焦，此時(shí)塔器是頭重腳輕，對(duì)設(shè)備受力不利，易造成塔體傾斜，各方向受力不均;(6)塔上部為泡沫段，約6～7 m高為空塔;(7)塔內(nèi)反應(yīng)是一相變過程，從進(jìn)料時(shí)液態(tài)到吹汽冷卻，介質(zhì)從液態(tài)變成固態(tài)焦炭。因此，焦炭塔的塔壁受力情況是十分復(fù)雜的。

2 缺陷分析

2.1 焦炭塔溫度變化

焦炭塔在生產(chǎn)過程中最重要的工藝參數(shù)是溫度，其中最關(guān)鍵的是塔底的進(jìn)油溫度和塔頂?shù)挠蜌獬隹跍囟?其特點(diǎn)是周期性急劇變化，各階段的最大溫度梯度見表1。

表1 最大溫度梯度Table 1 Maximum temperature gradient ℃/h

當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)360℃時(shí)，塔底油已甩凈，四通閥由老塔切換至新塔，480℃左右的高溫渣油迅速進(jìn)入焦炭塔中生焦，這時(shí)內(nèi)外壁同一部位溫度和軸向、環(huán)向壁溫差達(dá)100℃以上，現(xiàn)場(chǎng)外壁記錄為365℃，這是在保溫基本完好的情況下，如果局部保溫脫落，其內(nèi)外壁溫差可達(dá)200℃以上。由于渣油是側(cè)向進(jìn)料，使淹塔液泛的軌跡移至設(shè)備的對(duì)面，這就造成筒體在同一截面上溫差較大。某焦炭塔曾實(shí)測(cè)同一截面溫差最大達(dá)228℃。溫差會(huì)隨進(jìn)料逐漸減小，但由于內(nèi)壁溫度高于外壁壁溫，于是內(nèi)壁產(chǎn)生了壓應(yīng)力，外壁產(chǎn)生了拉應(yīng)力，與內(nèi)壓膜應(yīng)力迭加。由此可見，溫度周期性變化使塔壁產(chǎn)生極高的瞬間溫差應(yīng)力，此溫差應(yīng)力在局部可超過其材料的屈服極限，迫使焦炭塔局部處于高應(yīng)力低周疲勞的工作條件;高溫還會(huì)使焦炭塔體的材料發(fā)生變異，高溫蠕變可使塔體微觀表面產(chǎn)生開裂，使其焊縫中埋藏缺陷發(fā)生擴(kuò)展，從而引起損傷［1］。

2.2 焦炭塔應(yīng)力分析

針對(duì)焦炭塔堵焦閥下部裙座焊縫已經(jīng)由裂紋擴(kuò)展為穿透，已嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，對(duì)這一損傷機(jī)理做了詳盡的科學(xué)分析和計(jì)算，主要從材料性能、應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)選、疲勞壽命計(jì)算比較等方面做了具體地分析和研究。

2.2.1 建立幾何模型

考慮到塔體上的堵焦閥，焦炭塔結(jié)構(gòu)關(guān)于堵焦閥的縱向?qū)ΨQ剖面為前后對(duì)稱結(jié)構(gòu);對(duì)于裙座上柔性槽的分布，在裙座整個(gè)圓周上按柔性槽的條數(shù)均勻分布。重點(diǎn)關(guān)心和研究區(qū)域:焦炭塔裙座與塔體連接處附近區(qū)域。

對(duì)于計(jì)算幾何模型，有限元離散均采用3D單元。溫度場(chǎng)分析選用8節(jié)點(diǎn)的Solid70單元，應(yīng)力場(chǎng)分析選用8節(jié)點(diǎn)的Solid45單元。計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分方法采用映射網(wǎng)格劃分和體掃掠網(wǎng)格劃分兩種。

2.2.2 熱應(yīng)力分析模型以及邊界條件

在焦炭塔的熱應(yīng)力分析中，熱應(yīng)力的計(jì)算采用ANSYS軟件中的間接方法，首先計(jì)算焦炭塔在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)隨時(shí)間而變化的溫度分布情況，然后根據(jù)所計(jì)算的溫度場(chǎng)和外載荷條件計(jì)算和分析焦炭塔的應(yīng)力分布情況。在溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算中，焦炭塔外壁溫度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的測(cè)溫點(diǎn)溫度曲線(見圖1)通過線性插值獲得，塔內(nèi)壁溫度則根據(jù)各主要階段塔內(nèi)介質(zhì)溫度通過對(duì)流方式確定。在熱應(yīng)力分析中，外載荷以及力學(xué)邊界條件的處理見圖2。

焦炭塔的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算采用通用的ANSYS軟件進(jìn)行，疲勞壽命計(jì)算參照ASME《壓力容器》規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

T101ABCD原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果:在溫度、內(nèi)壓和堵焦閥端處外力共同作用下，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算顯示:(1)柔性槽頂?shù)淖畲髴?yīng)力強(qiáng)度(482 MPa)出現(xiàn)在升溫階段，位于堵焦閥下側(cè)附近的柔性槽頂(外部)，應(yīng)力強(qiáng)度沿環(huán)向逐漸變小。在降溫階段，應(yīng)力強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)兩次。第一次應(yīng)力強(qiáng)度峰值(378 MPa)位于裙座環(huán)向中部柔性槽頂(外部)，沿環(huán)向向兩側(cè)逐漸變小。第二次應(yīng)力強(qiáng)度峰值(344 MPa)位于堵焦閥下側(cè)附近的柔性槽頂(內(nèi)部，與升溫階段時(shí)對(duì)應(yīng)的位置有所不同，但很接近)，沿環(huán)向逐漸變小;(2)裙座與錐體焊接附近區(qū)域，最大應(yīng)力強(qiáng)度(450 MPa)出現(xiàn)在升溫階段，位于裙座三叉處的內(nèi)表面，且對(duì)應(yīng)于堵焦閥下側(cè)附近的兩條槽中間，向兩側(cè)鄰近槽逐漸衰減。降溫階段，應(yīng)力強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)兩次，分別約為365 MPa和250 MPa;(3)堵焦閥與塔體焊接附近區(qū)域，升溫階段，最大應(yīng)力強(qiáng)度(283 MPa)出現(xiàn)于堵焦閥的上部焊接處。降溫階段，最大應(yīng)力強(qiáng)度(288 MPa)出現(xiàn)于堵焦閥的下部焊接處。

從上面的計(jì)算結(jié)果可以看到:對(duì)于T101ABCD原焦炭塔結(jié)構(gòu)，堵焦閥與塔體焊接附近區(qū)域出現(xiàn)較大應(yīng)力強(qiáng)度的主要原因是受堵焦閥端處外力和溫度的共同影響。由于堵焦閥的實(shí)際生產(chǎn)功能(預(yù)熱入口)和結(jié)構(gòu)形式(局部突變)，在堵焦閥焊接處附近區(qū)域出現(xiàn)較大應(yīng)力強(qiáng)度似乎是不可避免的［2］。由于焦炭塔運(yùn)行過程中壓力和溫度周期性的劇烈變化，塔體將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，在長期的生產(chǎn)過程中，不可避免會(huì)由于熱疲勞而導(dǎo)致焊縫，特別是裙座連接焊縫處開裂。

2.3 焦炭塔局部當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算

按厚壁圓筒計(jì)算外壁溫差應(yīng)力

由于20g鋼在設(shè)計(jì)溫度440℃時(shí)的許用應(yīng)力［σ］t=67.8 MPa，在475 ℃時(shí)的許用應(yīng)力［σ］t'=41 MPa在470℃時(shí)的屈服極限為176 MPa;400℃以上即可產(chǎn)生蠕變，475℃時(shí)的蠕變極限為36 MPa，σ當(dāng)＞2［σ］t'=2×41=82 MPa?？梢?，塔外壁的當(dāng)量應(yīng)力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了塔壁材料的兩倍許用應(yīng)力，超過了材料此溫度下的屈服極限和蠕變極限。由于焦炭塔裙座焊縫是現(xiàn)場(chǎng)組焊的，當(dāng)時(shí)施工時(shí)對(duì)焊縫成型結(jié)構(gòu)重視不足，導(dǎo)致焊縫與下筒體連接部位形成凹陷的尖銳過渡，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，引發(fā)裂紋和開裂。

雖然裙座焊縫部位的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，但作為內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力較小，而溫差應(yīng)力為二次應(yīng)力，塑性失效準(zhǔn)則中強(qiáng)度設(shè)計(jì)(極限設(shè)計(jì))認(rèn)為，局部的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到屈服極限時(shí)，其它部位處于彈性狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)并不失效。為了保證不引起整體失效，對(duì)于二次應(yīng)力，其應(yīng)力強(qiáng)度的許用值可根據(jù)容器“安定性”的要求加以限制，限制的條件是名義應(yīng)力σ大于屈服極限σS，但小于二倍的屈服極限，即σS＜σ＜2σS。此時(shí)以屈服極限為強(qiáng)度指標(biāo)的許用應(yīng)力［σ］=σS/nS，因nS=1.5，2σS=3［σ］。當(dāng) σ =σ當(dāng)=225.1 MPa時(shí)，取 nS=1.6，則許用應(yīng)力［σ］=176/1.6=110 MPa，3［σ］=3×110=330 MPa，σ＜3［σ］，表示即使焦炭塔裙座焊縫部位應(yīng)力超過屈服極限時(shí)，塔體的應(yīng)力水平仍滿足安定性準(zhǔn)則，不會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的失效［3］。

3 焊縫修復(fù)及缺陷消除

裙座焊縫裂紋修復(fù)是在塔體不吊離情況下進(jìn)行，施工難度較大，要求施工單位制定周密的技術(shù)方案，經(jīng)多方會(huì)審和可行性討論后方付諸實(shí)施。主要內(nèi)容如下:

(1)預(yù)先測(cè)量好原來各塔垂直度，為保證割除裙座焊縫時(shí)塔體的穩(wěn)定和垂直，預(yù)制12個(gè)加強(qiáng)支腿(見圖3);

(2)T101CD分段對(duì)稱割除全部焊縫，表面檢測(cè)合格后再施焊。T101AB根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂紋氣刨后實(shí)際情況進(jìn)行局部修復(fù)。改變?nèi)棺缚p連接形式(見圖4)，保證堆焊焊肉高度和長度，避免和筒體連接銳角過渡;

(3)所有焊接采用全焊透結(jié)構(gòu)，氬弧焊打底，雙面焊接。氣刨后表面清理氧化皮，表面檢測(cè)合格后采用分段退步、小電流多道焊，以減少焊接應(yīng)力和變形，使表面成形良好。

(4)焊接結(jié)束后，打磨焊縫表面圓滑，表面磁粉檢測(cè)合格后，進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理。T101AB裙座焊縫只進(jìn)行局部熱處理，熱處理長度為8～9 m。熱處理后，再對(duì)焊接接頭按 JB4730—1994《壓力容器無損檢測(cè)》進(jìn)行100%表面檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

(5)焦炭塔檢修結(jié)束后，通過近年來連續(xù)對(duì)焦炭塔裙座焊縫進(jìn)行定期檢測(cè)，特別是2008年4月和2010年8月先后對(duì)焦炭塔進(jìn)行全面檢驗(yàn)，只發(fā)現(xiàn)少量表面微裂紋，內(nèi)部未出現(xiàn)重大裂紋和開裂現(xiàn)象，說明檢修是成功的，正確的焊縫過渡結(jié)構(gòu)形式降低了裙座焊縫開裂的可能性，大大延緩了焦炭塔的使用壽命［4］。

4 結(jié)論

(1)焦炭塔承受高溫低周疲勞、熱機(jī)械疲勞和蠕變交互作用，由于局部應(yīng)力超過材料的屈服極限，每循環(huán)一次受一次損傷，裙座焊縫裂紋產(chǎn)生原因是由熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力在局部(焊縫熔合線尖銳部分)應(yīng)力疊加所至;

(2)設(shè)計(jì)選材時(shí)避免熱循環(huán)對(duì)塔體傷害，可選用具有更高的屈服強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和抗疲勞破壞能力的Cr-Mo鋼或不銹鋼復(fù)合板;裙座與殼體連接部位采用整體鍛焊結(jié)構(gòu)代替堆焊結(jié)構(gòu);裙座上開設(shè)膨脹槽孔將有效減少膨脹差引起的熱應(yīng)力，但槽孔頂部與焊縫距離應(yīng)大于75 mm，槽孔邊緣應(yīng)打磨圓滑［5］。焦化裝置的4臺(tái)焦炭塔裙座槽孔頂部距焊縫只有45 mm，槽孔上部已出現(xiàn)少量裂紋，檢修后近幾年觀察未擴(kuò)展，值得繼續(xù)關(guān)注;

(3)焦炭塔塔體保溫的好壞，對(duì)減少局部應(yīng)力及塔壁腐蝕也有著極其重要的作用，應(yīng)當(dāng)引起高度重視。當(dāng)塔體表面某些部位缺少保溫或保溫破損，長期裸露，特別下雨、下雪時(shí)，會(huì)造成塔內(nèi)外溫差驟增，熱應(yīng)力增大是塔體變形、焊縫開裂的潛在隱患。有的煉油廠焦炭塔鼓脹變形，接管和支腿加強(qiáng)焊縫開裂就是與保溫不善內(nèi)應(yīng)力過大有著直接關(guān)系。在塔頂部位，因鉆焦口保溫不善還會(huì)引起塔內(nèi)壁和接管內(nèi)壁的腐蝕加速，直至局部滲透、泄漏。所以塔體保溫必須完好，否則不再滿足安定性條件。保溫一旦破損或脫落，應(yīng)當(dāng)立即組織修復(fù)完好。

(4)嚴(yán)格執(zhí)行工藝操作規(guī)程，確保每個(gè)步驟有足夠的時(shí)間，盡量降低溫度梯度，不能因處理設(shè)備故障而過多地縮短生產(chǎn)周期。換塔前焦炭塔內(nèi)的存油一定要甩凈，保證塔底溫度在360℃以上，避免進(jìn)油時(shí)瞬時(shí)溫度梯度過大對(duì)塔體造成損傷，減少?zèng)_塔現(xiàn)象對(duì)鉆焦口及分餾塔等設(shè)備的沖擊。

［1］彭蕾.焦炭塔裙座角焊縫開裂失效分析與處理［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2007，28(5):54-55.

［2］宋曉江，王春生，宣培傳，等.焦炭塔溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)的有限元計(jì)算［J］.石油化工設(shè)備，2007，36(3):28-32.

［3］陳濤，謝禹鈞，于明.焦炭塔安全評(píng)定的研究［J］.石油化工安全技術(shù)，2006，22(1):39-41.

［4］蘇東.焦炭塔對(duì)接堆焊型裙座的制造［J］.茂名學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，16(4):68-70.

［5］俞立波.焦炭塔裙座局部更新［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，25(4):15-17.

Analysis and Repair of Welding Seal Cracking Failure Coke Tower Skirt

Tong Xiaodong
(SINOPEC Yangtze Petrochemical Company，Nanjing，Jiangsu 210048)

As the coke tower has been operating under high temperature and cyclic cold/hot operation conditions during tower filling and decoking for a long time，the cracking and fracture failure occurred on the welds between tower body and skirt，especially in tower T101C，whose cracking on the internal surface is 30 mm long and the cracking on external surface is nearly 3 meters in length.The crackings on the external surfaces of other 3 towers are 1～2 meters long，which are concentrated on the welds bellow the decoking valve.The operation and stress of coke towers are analyzed and causes of cracking on skirt welds are concluded.The precautions in repair and operation of the towers are proposed.

coke tower，skirt，cracking，defect，analysis，repair

TE986

A

1007－015X(2011)05－0009－05

2011－05－ 28;修改稿收到日期:2011－07－04。

童曉東(1965-)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，1987年畢業(yè)于南京化工學(xué)院化工機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)在中國石油化工股份有限公司揚(yáng)子石化有限公司機(jī)動(dòng)部從事設(shè)備管理工作。E-mail:ypctxd@163.com。

(編輯 寇岱清)