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        淺談煉油裝置中焦炭塔工作特點(diǎn)及失效模式

        2012-01-26 14:59:36周迎義
        裝備制造技術(shù) 2012年11期
        關(guān)鍵詞:塔體塔內(nèi)渣油

        周迎義

        (滄州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,河北 滄州 061001)

        延遲焦化是渣油經(jīng)深度熱裂化轉(zhuǎn)化為氣體和烴、中質(zhì)餾分油和焦炭的加工過(guò)程,是煉油廠提高輕質(zhì)油產(chǎn)出率和石油焦的重要手段。其具體過(guò)程是:將重油在焦化爐中加熱后送到焦炭塔中進(jìn)行焦化反應(yīng),把長(zhǎng)鏈的環(huán)烷烴分解為焦炭和輕質(zhì)油。焦炭直接作為產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,輕質(zhì)油通過(guò)加氫精致制成柴油。

        焦炭塔是從室溫到高溫周期性運(yùn)行的設(shè)備。中國(guó)石油化工有限公司滄州分公司焦化車間2臺(tái)焦炭塔,材質(zhì)為20 g,高度為34 m,直徑6.1 m,壁厚20~36 mm,工作介質(zhì)為渣油、焦炭、油氣、水、水蒸氣。運(yùn)行周期為48 h。進(jìn)油是局部塔體溫度超過(guò)435℃,介質(zhì)溫度為495℃,從下而上在393~475℃之間。操作壓力為0.19 Mpa。

        1 焦炭塔工作過(guò)程

        常溫下封閉塔頂鉆焦口和塔底排焦口,從塔底向塔內(nèi)送入130℃蒸汽,進(jìn)行密封試壓約2.5 h。試壓合格后,通入瓦斯氣預(yù)熱筒體約5 h,塔壁溫度平均每小時(shí)70℃的速度升溫。在預(yù)熱結(jié)束時(shí),塔外壁溫度達(dá)到370℃。從加熱爐出來(lái)的490~500℃的熱渣油進(jìn)入塔內(nèi),并在塔內(nèi)反應(yīng)結(jié)焦。結(jié)焦過(guò)程由下向上逐漸發(fā)生,進(jìn)油結(jié)焦最高可達(dá)塔體高度65℅。結(jié)焦時(shí)一般溫度在430℃。當(dāng)渣油進(jìn)入塔內(nèi)時(shí),溫度在495℃,但渣油進(jìn)入塔內(nèi)時(shí)迅速擴(kuò)容,并開始結(jié)焦,整個(gè)進(jìn)油生焦過(guò)程中塔壁溫度達(dá)到455℃,生焦過(guò)程約24 h。未結(jié)焦的油氣被吹入塔內(nèi)的蒸汽帶走,吹蒸汽取油氣時(shí)間為3 h。油氣被蒸汽取盡后,常溫水從塔底進(jìn)入焦炭塔冷焦。冷焦水上升至浸沒油焦,并從塔頂管線溢流到隔油池。當(dāng)塔頂溫度小于80℃時(shí),停止進(jìn)水。給水時(shí)間一般為4 h。同時(shí),塔體壁溫隨冷焦水進(jìn)入塔內(nèi)而急速下降。打開呼吸閥,開放塔底放水閥,將冷焦水排入隔油池。待污水排凈后,打開塔頂鉆焦口和塔底排焦口,進(jìn)行水力除焦。14 Mpa的高壓水通過(guò)鉆桿從可以升降的切割器中噴出,將塔內(nèi)焦炭擊穿割成碎塊,并和切焦水一起從塔底排焦口流入焦炭池中。水力除焦時(shí)間設(shè)計(jì)為3.5 h。焦炭塔在48 h完成一個(gè)工作周期后,緊接著開始下一個(gè)周期。在一般情況下,兩個(gè)焦炭塔切換操作。焦炭塔工作期間溫度從40~500℃,尤其是在進(jìn)料時(shí),500℃的熱渣油很快進(jìn)入250℃的焦炭塔,塔內(nèi)外形成很大的溫差應(yīng)力。

        2 焦炭塔失效模式及原因

        焦炭塔工作中承受的溫差應(yīng)力,是造成焦炭塔失效的主要原因。其具體表現(xiàn)形式是:塔體鼓凸,傾斜,焊縫開裂。尤其是裙座焊縫、堵焦閥周圍經(jīng)常開裂。渣油中在硫高溫時(shí)對(duì)塔壁產(chǎn)生腐蝕,在冷卻和切焦時(shí)和冷焦水反應(yīng)生成硫化氫,在常溫或焦炭塔停工時(shí),對(duì)焦炭塔產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

        2.1 開裂

        焦炭塔局部開裂是主要失效形式。我們?cè)谥袊?guó)石油化工有限公司滄州分公司兩臺(tái)焦炭塔的檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)多處裙座裂紋、塔體內(nèi)表面裂紋。

        (1)焦炭塔裙座開裂。其主要原因是:在工作過(guò)程中,溫差應(yīng)力造成了裙座焊縫的疲勞開裂現(xiàn)象,一般是從角焊縫根部開裂逐漸向外擴(kuò)展,最后貫穿。為避免這種情況的持續(xù)發(fā)生,建議把塔體和裙座的連接形式進(jìn)行改造,采用“倒Y型”塔裙連體鍛件拼焊結(jié)構(gòu)。在改用這種結(jié)構(gòu)后,能消除塔裙連接焊縫,避免焊接產(chǎn)生的不連續(xù)結(jié)構(gòu)及焊接應(yīng)力,降低應(yīng)力集中。經(jīng)過(guò)有關(guān)單位進(jìn)行疲勞對(duì)比測(cè)試,這種結(jié)構(gòu)的抗疲勞壽命比傳統(tǒng)的裙座與筒體對(duì)接結(jié)構(gòu)提高一倍。國(guó)內(nèi)部分廠家已進(jìn)行過(guò)這種改造。

        (2)堵焦閥焊縫及周圍開裂。其開裂原因和裙座開裂相同,只是部位不同。

        (3)焦炭塔塔體焊縫內(nèi)表面開裂。其原因是:內(nèi)部的缺陷擴(kuò)展和冷卻停工時(shí)的應(yīng)力腐蝕造成的,焦炭塔塔體焊縫內(nèi)表面開裂部分一般在塔體上部。其主要原因是:塔內(nèi)的結(jié)焦層對(duì)焦炭塔塔體起到了很好的保護(hù)作用,這層結(jié)焦在高溫時(shí),保護(hù)塔體不受高溫硫的腐蝕;在低溫時(shí),不受濕硫化氫的腐蝕。滄州分公司焦炭塔在檢驗(yàn)過(guò)程中,也在塔體上部焊縫內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)裂紋。

        2.2 鼓凸和偏斜

        使用多年的焦炭塔都有鼓凸和偏斜現(xiàn)象。長(zhǎng)期操作的焦炭塔經(jīng)反復(fù)冷卻、反復(fù)加熱、載荷反復(fù)變化,最終導(dǎo)致焦炭塔環(huán)向鼓凸破裂。鼓凸和偏斜通常發(fā)生在焦炭塔堵焦閥所在的筒體、焦炭塔中部筒體、塔頂上封頭環(huán)焊縫等部位。這些部位經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后,塔體直徑變大,塔體局部鼓凸。這是由于塔體承受交變溫差應(yīng)力,使塔體產(chǎn)生單向塑性變形累積的熱棘輪效應(yīng)造成的。這是造成交化塔失效報(bào)廢的主要原因。

        2.3 材質(zhì)劣化

        焦炭塔長(zhǎng)期使用在400~475℃的高溫環(huán)境下,20 g材料的使用性能隨著溫度的升高,其力學(xué)性能將會(huì)下降,特別是其高溫強(qiáng)度下降明顯。當(dāng)焦炭塔長(zhǎng)期處于470℃的高溫時(shí),由于塔體長(zhǎng)期承受高溫和應(yīng)力的作用,使得材料內(nèi)部組織會(huì)發(fā)生明顯的變化,出現(xiàn)球化、石墨化傾向,降低了材料本身的強(qiáng)度和疲勞壽命。正因如此,國(guó)內(nèi)部分廠家對(duì)焦炭塔進(jìn)行了改造,將錐形下封頭改為15CrMoR,將塔體上部泡沫段改為15CrMoR+1Cr18Ni9Ti對(duì)材料進(jìn)行了變更,改為耐熱鋼。

        2.4 焦炭塔下塔蓋變形

        在每一次工作循環(huán)過(guò)程中,焦炭塔下塔蓋都要打開除焦,在除焦后再封閉,預(yù)熱后,熱渣油通過(guò)下塔蓋進(jìn)料管進(jìn)入焦炭塔。在高溫和頻繁的操作過(guò)程中,下塔蓋極易發(fā)生變形,導(dǎo)致密封不嚴(yán),工作過(guò)程中發(fā)生泄漏,甚至引起火災(zāi)事故。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述:焦炭塔使用過(guò)程中,從室溫到高溫周期性運(yùn)行,會(huì)承受循環(huán)載荷,溫差應(yīng)力。常見的失效模式主要有:焦炭塔裙座焊縫開裂,堵焦閥焊縫及周圍開裂,焦炭塔塔體焊縫內(nèi)表面開裂;塔體鼓凸、偏斜;塔體材料內(nèi)部組織出現(xiàn)球化、石墨化現(xiàn)象;下塔蓋變形。以上這些失效模式最終導(dǎo)致密封不嚴(yán),發(fā)生泄漏,甚至引起火災(zāi)事故。

        [1]強(qiáng)天棚.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京:新華出版社,2008.

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