王清棟

（合肥通用機(jī)械研究院安徽壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031）

在用15CrMoR焦炭塔定期檢驗(yàn)探究

王清棟

（合肥通用機(jī)械研究院安徽壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031）

焦炭塔使用過程中存在低周熱應(yīng)力疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂問題，分析如腐蝕減薄、機(jī)械損傷、鼓凸、塔體本身A、B類焊縫和裙座焊縫熱疲勞裂紋、材料裂化等焦炭塔可能的失效模式。說明焦炭塔檢驗(yàn)過程及注意事項(xiàng)。

15CrMoR；焦炭塔；失效模式；檢驗(yàn)方案；表面檢測(cè)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.60

0 引言

延遲焦化是一種熱裂化工藝，它以常減壓蒸餾裝置的減壓渣油為原料，在高溫（約500℃）進(jìn)行深度的熱裂化和縮合反應(yīng)，生成油氣、輕質(zhì)油、中間餾分和焦炭。延遲焦化的工藝特點(diǎn)是，每間隔16～48 h，進(jìn)行一次室溫至487℃之間的升降循環(huán)，同時(shí)容器內(nèi)的介質(zhì)也經(jīng)歷氣—液—固三相的循環(huán)。焦炭塔是延遲焦化的關(guān)鍵設(shè)備之一，工況的惡劣，運(yùn)行條件的苛刻，導(dǎo)致其在運(yùn)行一個(gè)或幾個(gè)檢驗(yàn)周期后一般存在腐蝕減薄、塔體A、B類焊縫和裙座焊縫、接管角焊縫開裂等問題。對(duì)于焦炭塔這種容積大、溫度高、失效機(jī)理復(fù)雜、失效后果嚴(yán)重的設(shè)備，需制定有針對(duì)性、完善、可靠的檢驗(yàn)方案，對(duì)焦炭塔實(shí)施高效的檢驗(yàn)。

根據(jù)天津某石化廠焦炭塔（C3101A）檢修實(shí)例，闡述焦炭塔檢驗(yàn)過程中存在的問題和處理方法，以期給其他焦炭塔的檢驗(yàn)提供借鑒。

1 失效原理分析

1.1 焦炭塔風(fēng)險(xiǎn)分析

焦炭塔為單層立式容器，介質(zhì)為反應(yīng)油氣，一般硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和酸值較高，腐蝕性較強(qiáng)。焦炭塔在16～48 h的生產(chǎn)周期內(nèi)，一般需經(jīng)過蒸、油預(yù)熱，進(jìn)油生焦，蒸汽冷卻，給水冷卻，放水，除焦和試壓等多個(gè)操作步驟。焦碳塔承受溫度范圍為常溫至487℃周期變化，塔壁內(nèi)外形成溫差應(yīng)力，也容易形成熱疲勞裂紋。

焦炭塔工作介質(zhì)內(nèi)存在硫、氯等，故主要潛在損傷機(jī)理是高溫硫腐蝕、酸性水腐蝕、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、熱疲勞和熱沖擊等[1]。

1.2 失效模式

根據(jù)焦炭塔的工藝、工況、工作介質(zhì)，分析其主要存在的失效模式有：

（1）腐蝕減薄。焦炭塔的腐蝕主要發(fā)生在上段氣相區(qū)及泡沫層的碳鋼構(gòu)件位置,此外高壓水沖刷、介質(zhì)波動(dòng)也會(huì)加劇腐蝕[2]。常見的腐蝕有：高溫硫腐蝕，H2S-HCl-H2O腐蝕，環(huán)烷酸腐蝕和其他腐蝕等。其中高溫硫腐蝕和H2S-HCl-H2O等酸腐蝕發(fā)生在塔體內(nèi)部，主要是封頭頂部，頂部接管、上部筒體處。塔體保溫材料破損或其他原因，致使雨水混同保溫材料中的參與腐蝕物質(zhì)，在高溫、高濕環(huán)境中易形成層下腐蝕，其主要存在塔體（外）封頭頂部、接管及出口管線或保溫層出現(xiàn)破損的部位。對(duì)以上部位，宏觀檢查和測(cè)厚檢測(cè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

正常操作中，下部筒體內(nèi)壁會(huì)形成一層致密的焦炭，下部筒體一般不考慮高溫硫腐蝕、低溫濕硫化氫腐蝕造成的損害[3]。

（2）應(yīng)力腐蝕開裂。在濕硫化氫的環(huán)境中，腐蝕產(chǎn)生的氫原子擴(kuò)散到材料中形成氫分子，引發(fā)氣泡或材料應(yīng)力開裂[4]。同時(shí)，在殘余應(yīng)力較高的部位，如上部封頭與筒體對(duì)接焊縫、接管角焊縫，筒體對(duì)接焊縫均有發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能。

（3）機(jī)械損傷。焦炭塔的載荷條件復(fù)雜，焦炭塔的工藝流程為：高溫減壓渣油從塔底進(jìn)入塔中生焦，塔體受熱膨脹，溫度高達(dá)490℃，冷焦除焦時(shí)，塔內(nèi)進(jìn)水冷卻，溫度又急劇降低，造成塔體在一個(gè)循環(huán)內(nèi)不同截面不同部位的載荷各異，材料易產(chǎn)生變形。尤其在除焦階段，由于溫度降低（約80℃），焦炭和塔壁均有收縮，但焦炭收縮小于塔體收縮，致使塔壁不能自由收縮，這樣焦炭與塔壁間產(chǎn)生套合壓力，導(dǎo)致塔壁內(nèi)產(chǎn)生了極大的殘余應(yīng)力，對(duì)塔體造成破壞[5]。

溫度周期變化引起的材料應(yīng)力的周期變化，也導(dǎo)致了熱疲勞裂紋的產(chǎn)生[4]。尤其裙座部位應(yīng)力集中，溫差應(yīng)力較大、塔體變形拘束等不利因素，這些部位極易出現(xiàn)開裂。

（4）材料裂化。因焦炭塔主體材料為15CrMoR，材料裂化發(fā)生概率較小。

2 檢驗(yàn)前準(zhǔn)備

基于以上失效原理分析和失效模式判斷，根據(jù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、焦炭塔圖紙及有關(guān)技術(shù)資料等，制定全面檢驗(yàn)方案。

依照檢驗(yàn)方案，對(duì)相關(guān)輔助單位進(jìn)行技術(shù)交底。裝置停車后，車間負(fù)責(zé)吹掃置換，用盲板隔斷全部介質(zhì)來源。高壓水槍清洗塔內(nèi)壁、腳手架搭設(shè)及表面打磨等工作由輔助單位完成，至達(dá)到全面檢驗(yàn)條件。

3 檢驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容

3.1 資料審查

資料審查主要包括設(shè)計(jì)、制造資料，安裝施工資料、記錄，使用登記證，歷次檢驗(yàn)報(bào)告，焦炭塔運(yùn)行時(shí)溫度、壓力、介質(zhì)含H2S等雜質(zhì)情況的記錄等。焦炭塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)：容器類別II類，設(shè)計(jì)壓力0.35 MPa，設(shè)計(jì)溫度465～505℃，主體材料15CrMoR，設(shè)計(jì)年限15 a，制造規(guī)范GB 150—1998，封頭型式球形/錐形，支座型式裙座，操作壓力0.24 MPa，操作溫度445～487℃，容積1455 m3，工作介質(zhì)油氣、水、焦炭。

該塔采用舞陽鋼鐵有限公司生產(chǎn)的15CrMoR（H）制造。隨機(jī)調(diào)取一張熔爐號(hào)為42541N，批號(hào)為GC406802的鋼板材料證明書和復(fù)驗(yàn)報(bào)告，其力學(xué)、彎曲性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告顯示10℃沖擊吸收能分別為 272 J，286 J，256 J，500 ℃抗拉強(qiáng)度οb=425 MPa，屈服強(qiáng)度ο0.2=235 MPa，斷后伸長(zhǎng)率δ5=28%，斷面收縮率ψ=80%，均滿足技術(shù)要求。鍛件、焊材等材料的質(zhì)量證明書和復(fù)驗(yàn)報(bào)告等也進(jìn)行核對(duì)。

該塔設(shè)計(jì)資料、產(chǎn)品質(zhì)量證明書、產(chǎn)品合格證、使用登記證和歷次檢驗(yàn)報(bào)告等資料齊全，在上次檢驗(yàn)中，裙座與下錐封焊縫經(jīng)磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)15處裂紋，已經(jīng)消除，但報(bào)告仍建議2013年對(duì)該部位進(jìn)行表面檢測(cè)。故本次重點(diǎn)關(guān)注上次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題的焊縫，使得檢驗(yàn)工作更具有針對(duì)性。

3.2 宏觀檢查

3.2.1 結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)

該塔裙座采用對(duì)接型角焊縫，環(huán)向優(yōu)化設(shè)計(jì)均布14個(gè)U形槽，避開封頭拼接焊縫，避免焊縫交叉。U形槽部位如不能圓滑過渡，易造成應(yīng)力集中，也是裂紋多發(fā)部位。資料審查時(shí)發(fā)現(xiàn)該塔裙座U形槽曾發(fā)現(xiàn)多處裂紋，已修復(fù)。本次檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)返修部位未進(jìn)行有效打磨，使之圓滑過渡，產(chǎn)生應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋，需重點(diǎn)關(guān)注。

該塔承受高溫交變疲勞載荷，在筒體上應(yīng)盡量不開孔而改開在封頭上，部分接管補(bǔ)強(qiáng)圈與塔體搭接貼合不良，熱傳遞效果差，溫度越高溫差應(yīng)力越大，抗疲勞性能越差，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行表面檢測(cè)[2]。

3.2.2 幾何尺寸檢驗(yàn)

塔體焊縫余高，是因其應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋的根源，因此設(shè)計(jì)技術(shù)條件規(guī)定：鉻鉬鋼之間的A、B類對(duì)接焊縫，其表面必須打磨至與母材平齊，鉻鉬鋼與碳鋼之間的對(duì)接接頭的焊縫金屬余高不得大于2 mm，接管與筒體或封頭之間的焊接接頭及其他角焊縫，外部圓滑過渡，內(nèi)部應(yīng)打磨至與母材平齊，減小應(yīng)力集中。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)焊縫余高符合技術(shù)條件要求，但也存在少量鉻鉬鋼之間的A、B類焊縫余高為1～2 mm情況，部分接管角焊縫未圓滑過渡。本次要求打磨接管角焊縫，A、B類焊縫超標(biāo)余高，使之符合技術(shù)要求。其余如A、B焊縫對(duì)口錯(cuò)邊量、棱角度、焊縫布置、封頭形式等未發(fā)現(xiàn)異常，一并進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量和記錄。

3.2.3 殼體外觀腐蝕檢驗(yàn)

15CrMoR鋼具有良好的高溫力學(xué)性能、抗高溫氧化性能和抗腐蝕性能，本次檢查未發(fā)現(xiàn)上段氣相區(qū)及泡沫層碳鋼構(gòu)件位置內(nèi)表面存在腐蝕現(xiàn)象。

（1）地腳螺栓。除焦作業(yè)時(shí)，使用高壓水沖擊塔壁，塔體振動(dòng)易導(dǎo)致底座墊鐵外逸，螺栓松動(dòng)，檢查斜鐵之間以及斜鐵與底座環(huán)之間是否焊牢[2]，螺栓是否銹蝕、松動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)異常。

（2）鉛垂度。除焦時(shí)焦炭塔頭重腳輕，各方向受力不均或者塔體下部鼓脹變形，都會(huì)造成塔體的傾斜[2]。此次檢查測(cè)得鉛垂線與下部靶心偏離，與上一檢驗(yàn)周期所測(cè)數(shù)據(jù)相比，基本無變化，判斷偏離已趨于穩(wěn)定，但也應(yīng)間隔一段時(shí)間對(duì)其鉛垂度使用全站儀等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

3.2.4 隔熱層與襯里的檢驗(yàn)

為減小熱應(yīng)力，裙座上采用鉻鉬鋼塔器大型背帶式保溫結(jié)構(gòu)，對(duì)減少局部應(yīng)力及塔器外部腐蝕起到了一定的作用，但是，大量的鋼背帶包扎在塔體表面，致使部分A、B類焊縫和D類焊縫無法檢測(cè)，而D類焊縫恰是裂紋高發(fā)所在，這給檢驗(yàn)工作帶來不便，也是檢驗(yàn)工作不足之處。

4 壁厚測(cè)定

本次測(cè)厚檢測(cè)使用CTS-30A儀器，測(cè)厚儀校驗(yàn)合格并在有效期內(nèi)。封頭與筒體測(cè)厚部位距縱、環(huán)焊縫50 mm處，接管距焊縫50 mm處分4個(gè)方位測(cè)定，每張鋼板一般測(cè)定4處，以便查找塔體減薄最大處，掌握塔體均勻腐蝕情況。

經(jīng)過測(cè)定，筒體名義壁厚26/28/30/32 mm，2010年4月測(cè)量最小值-/28.4/30/31.4 mm，本次實(shí)際測(cè)量最小值分別為25.3/27.6/29.9/31.4 mm；封頭名義厚度26/32 mm，2010年4月測(cè)量最小值25/31.7 mm，本次實(shí)際測(cè)量最小值25/31.4 mm。同時(shí)對(duì)接管進(jìn)行測(cè)量并與名義厚度及上次檢驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行對(duì)比，未見明顯減薄現(xiàn)象。

5 表面檢測(cè)

5.1 內(nèi)壁表面檢測(cè)

為提高缺陷檢出率，內(nèi)壁表面磁粉檢測(cè)時(shí)宜采用熒光磁粉。本次檢驗(yàn)中，塔內(nèi)光照充足，可見光＞1000 lx，未使用熒光磁粉，采用反差增強(qiáng)劑增加對(duì)比度，以提高裂紋檢出率。在內(nèi)壁檢測(cè)中，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和焦炭塔的工藝特點(diǎn)，對(duì)塔體上部及封頭A、B類焊縫抽檢，實(shí)際檢測(cè)比例達(dá)30%。對(duì)上封頭接管角焊縫全部進(jìn)行滲透檢測(cè)。對(duì)磁粉檢測(cè)存在疑問部位輔以滲透檢測(cè)驗(yàn)證。檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，接管角焊縫存在多處淺表裂紋，打磨后消除，其中油氣出口角焊封發(fā)現(xiàn)氣孔超標(biāo)缺陷，本次一并打磨消除。

對(duì)下部筒體與底部錐段對(duì)接焊縫及下部錐形封頭內(nèi)壁A、B類焊縫100%進(jìn)行磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)磁痕顯示。

5.2 外壁表面檢測(cè)

外壁表面檢測(cè)主要是裙座、下部筒體與底部錐段對(duì)接焊縫、上部筒體與上封頭對(duì)接焊縫及上封頭拼接焊縫、接管角焊縫等。對(duì)裙座與筒體連接的角焊縫、裙座U形槽進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，必要時(shí)使用內(nèi)窺鏡檢查裙座角焊封的根部。

經(jīng)檢測(cè)，裙座角焊縫存在多處裂紋，多為環(huán)向裂紋，少量裂紋向母材厚度方向擴(kuò)展，任其擴(kuò)展恐穿透塔壁造成泄漏。U形槽附近角焊縫焊接時(shí)，U形槽邊緣部分未能做到圓滑過渡，作為應(yīng)力集中處，U形槽的上部出現(xiàn)較多裂紋，部分裂紋擴(kuò)展至裙座角焊縫，造成整條角焊縫貫穿式開裂。上筒體與上封頭對(duì)接焊縫存在多處淺表裂紋，頂部封頭油氣出口接管角焊縫，存在環(huán)向斷續(xù)淺表裂紋，本次檢驗(yàn)打磨消除。

其余無法進(jìn)行打磨消除的裂紋，我單位對(duì)廠家下達(dá)特種設(shè)備檢驗(yàn)意見通知書。返修單位根據(jù)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的缺陷、分析缺陷性質(zhì)、類別，制定出有針對(duì)性的返修方案，對(duì)缺陷部位進(jìn)行消除、補(bǔ)焊并復(fù)探合格。

6 超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)選用儀器型號(hào)為PXUT-350+，重點(diǎn)對(duì)焦炭塔下部錐形封頭A、B類焊縫、焦炭塔筒體上部A、B類焊縫，應(yīng)力集中部位進(jìn)行超聲檢測(cè)。按照NB/T 47013.3—2015要求，一般采用一種K值探頭進(jìn)行單面雙側(cè)檢測(cè)，必要時(shí)采用兩種K值探頭進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，以減少盲區(qū)影響。對(duì)評(píng)定線以上的缺陷進(jìn)行記錄，對(duì)定量線以上的缺陷進(jìn)行記錄并測(cè)量長(zhǎng)度和埋藏深度[6]。

7 其他理化檢驗(yàn)

技術(shù)條件要求：殼體（包括開口接管）上的A、B、D類焊接接頭的焊縫金屬、熱影響區(qū)及母材，下封頭與裙座的焊縫金屬、熱影響區(qū)及母材，其熱處理后硬度≤225 HB。本次檢驗(yàn)，對(duì)存在腐蝕、數(shù)據(jù)異常部位進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)定，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象存在。金相檢查和安全附件檢查，也按照檢驗(yàn)方案進(jìn)行，未發(fā)現(xiàn)異常。

8 結(jié)語

根據(jù)焦炭塔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料及工藝，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和失效模式判斷，制定詳細(xì)、可靠的在用焦炭塔全面檢驗(yàn)方案。本案例能為同類焦炭塔檢驗(yàn)提供參考。在焦炭塔的檢驗(yàn)過程中，如激光全站儀測(cè)量鉛垂度，電位法測(cè)量裂紋深度，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)（RBI）等先進(jìn)的檢測(cè)方法和理念也在焦炭塔的檢驗(yàn)中逐步得到推廣，我們應(yīng)積極使用新方法、新技術(shù)，確保焦炭塔安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。

［1］周揚(yáng)等.焦炭塔基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)策略.石油化工設(shè)備技術(shù)［J］.2014（2）：17.

［2］王新建，徐東，孫衛(wèi)國(guó).焦炭塔的定期檢驗(yàn).中國(guó)資源綜合利用［J］.2015（10）：59.

［3］徐勝等.基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)（RBI）在焦炭塔上的應(yīng)用［J］.化工機(jī)械，37（2）：219-221.

［4］HG/T 20581—2011.鋼制化工容器材料選用規(guī)定［S］.

［5］趙瑩等焦炭塔的鼓凸損傷分析.西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)［J］.1998（6）：40-41.

［6］NB/T 47013—2015.承壓無損檢測(cè)［S］.

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〔編輯 李 波〕