錢俊鋒，董杰，劉建杰，杜護(hù)軍，陳高俊，儲擁軍

（合肥通用機(jī)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(guān)鍵設(shè)備，其作為一種周期性操作的設(shè)備，一般24～48小時溫度波動一次，主要操作過程分為蒸汽預(yù)熱、油氣預(yù)熱、倒塔、進(jìn)油生焦、吹蒸汽、水冷卻、排水、除焦等階段。正常生產(chǎn)時通常是兩個塔一組進(jìn)行切換操作，當(dāng)一個塔處于進(jìn)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(huán)狀態(tài)下過程以及周期性變化的內(nèi)部介質(zhì)載荷作用（空塔重約170t，滿塔重量約900t）。因此，非常復(fù)雜的焦化工藝和十分惡劣的服役環(huán)境，使焦炭塔承受著極其復(fù)雜的、且隨時間不斷變化著的三維溫度場和應(yīng)力場作用，導(dǎo)致長期服役的焦炭塔容易產(chǎn)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(fā)現(xiàn)這兩臺焦炭塔都出現(xiàn)了鼓脹變形、內(nèi)壁板材裂紋、塔體傾斜、焊縫埋藏超標(biāo)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(xiàn)介紹兩臺焦炭塔的檢驗檢測情況，并對發(fā)現(xiàn)的相關(guān)問題進(jìn)行原因分析以及處理，以促進(jìn)焦炭塔的檢驗檢測及運(yùn)行維護(hù)工作。

1 設(shè)備概況

1.1 技術(shù)參數(shù)

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

主 體 材 質(zhì)：20g， 規(guī) 格：φ6000×31509×32 mm，設(shè)計壓力：0.30MPa，設(shè)計溫度：475℃，工作壓力：≤0.28Mpa，工作溫度：≤475℃，介質(zhì)：油氣、焦炭、渣油、水蒸氣，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：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(fā)現(xiàn)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(jìn)行了定期檢驗。

2.1 宏觀檢驗

宏觀檢驗過程中發(fā)現(xiàn)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(jié)都發(fā)生了嚴(yán)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(shù)筒節(jié)呈“C”形鼓脹，也有少量呈“ε”形，整體呈現(xiàn)“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(nèi)壁板材裂紋。兩臺塔鼓脹變形嚴(yán)重部位的部分板材在約300mm寬范圍內(nèi)出現(xiàn)肉眼可見的內(nèi)壁表面裂紋（圖2）。將內(nèi)表面板材焦層打磨后，裂紋開口很小，肉眼很難發(fā)現(xiàn)。經(jīng)裂紋測深儀和超聲儀對裂紋深度進(jìn)行測量，檢測結(jié)果表明內(nèi)壁板材裂紋深度均小于3mm。

圖2 內(nèi)表面板材宏觀裂紋

（3）塔體傾斜。SH/T 3098-2011《石油化工塔器設(shè)計規(guī)范》規(guī)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(jīng)測量1#塔和2#塔分別向南傾斜80mm和60mm，超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(yán)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(shè)備已使用多年，且塔體發(fā)生傾斜，檢驗中對地腳螺栓進(jìn)行抽查，保溫拆除后發(fā)現(xiàn)螺栓發(fā)生嚴(yán)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(xì)；2#塔有沒有螺栓斷裂，有7根螺栓變細(xì)。

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(jìn)行測厚，發(fā)現(xiàn)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(nèi)壁對接焊縫、筒體鼓脹變形部位和未變形部位板材的內(nèi)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(jìn)行磁粉檢測，并對上封頭上所有接管角焊縫可檢部位進(jìn)行了滲透檢測，發(fā)現(xiàn)以下問題。

（1）內(nèi)壁板材裂紋。在鼓脹變形相對嚴(yán)重部位的板材發(fā)現(xiàn)最寬400mm范圍的大量密集環(huán)向表面裂紋（包括宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)的表面裂紋及宏觀檢驗未發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)斷續(xù)整圈裂紋（圖6）。

圖5 內(nèi)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(fā)現(xiàn)17處Ⅲ級埋藏超標(biāo)缺陷，2#塔在對接焊縫上發(fā)現(xiàn)26處Ⅲ級埋藏超標(biāo)缺陷。缺陷尺寸較小，長度為10～30mm，自身高度為2～4mm。板材區(qū)域未發(fā)現(xiàn)埋藏超標(biāo)缺陷。

2.5 理化分析

對兩臺焦炭塔筒體縱環(huán)縫、錐段縱環(huán)縫、筒體無變形區(qū)母材、筒體裂紋區(qū)母材、錐段母材進(jìn)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(qū)：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(fā)生球化現(xiàn)象。圖7為無變形區(qū)母材和變形嚴(yán)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(nèi)壁鼓脹變形。焦炭塔鼓脹變形是一個普遍現(xiàn)象，主要是由于“熱應(yīng)力棘輪現(xiàn)象”。即由于焦炭塔的塔壁各位置在運(yùn)行時存在溫差，導(dǎo)致塔壁各位置變形不一致進(jìn)而在塔壁上產(chǎn)生熱應(yīng)力，且焦炭塔長期處于冷熱循環(huán)，當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過材料在該溫度下的屈服強(qiáng)度，會引起塔壁的局部塑性變形并在循環(huán)工況下不斷增大。另外由于環(huán)焊縫具有較高屈服強(qiáng)度，且比母材稍厚，因而變形較小，整體就產(chǎn)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(nèi)壁板材表面裂紋。宏觀發(fā)現(xiàn)裂紋為龜裂狀，裂紋短且寬，微觀照片發(fā)現(xiàn)裂紋分支少，以穿晶擴(kuò)展為主，且裂紋間隙存在氧化物，裂紋區(qū)域硬度值為128～134HB。根據(jù)裂紋形貌及相關(guān)檢測結(jié)果，結(jié)合焦炭塔運(yùn)行特點，可以判斷裂紋應(yīng)為熱疲勞裂紋，即裂紋附近位置的板材在焦炭塔運(yùn)行時經(jīng)歷的循環(huán)熱-機(jī)械載荷作用下產(chǎn)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(yán)重，因此分析認(rèn)為是由于筒節(jié)南半邊鼓脹嚴(yán)重導(dǎo)致塔體在南邊長度短于北半邊所產(chǎn)生的塔體向南傾斜。

（4）埋藏超標(biāo)缺陷。超聲檢出的埋藏超標(biāo)缺陷尺寸較小，且多數(shù)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(zhì)量要求較低，因此判斷這些埋藏缺陷應(yīng)多為容器制造時產(chǎn)生的。

（5）接管傾斜。鉆焦口上東西兩側(cè)的急冷油口接管向上傾斜的原因，是因為筒節(jié)鼓脹引起塔體發(fā)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(chǎn)生了傾斜變形。

（6）裙座角焊縫裂紋。焦炭塔在運(yùn)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(huán)工況下，導(dǎo)致裙座角焊縫及其附近部位受到較大的軸向交變熱應(yīng)力作用，在裙座角焊縫根部附近產(chǎn)生大量環(huán)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(xì)作用滲入保溫棉后聚集，難以揮發(fā)，導(dǎo)致地腳螺栓經(jīng)常處于浸泡狀態(tài)而引起銹蝕并斷裂。

3.2 缺陷處理

依據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，針對本次檢驗中發(fā)現(xiàn)的這些問題作以下處理。

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

（2）接管傾斜變形要求廠方加強(qiáng)巡檢并適時監(jiān)控。

（3）裙座角焊縫裂紋廠方已安排相關(guān)單位進(jìn)行打磨消除，并補(bǔ)焊合格。

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

4 結(jié)語

雖然焦炭塔工作壓力不高，屬于I類設(shè)備，但其最高工作溫度接近500℃并長期處于冷熱循環(huán)狀態(tài)，承受著極其復(fù)雜且隨時間不斷變化著的三維溫度場和應(yīng)力場作用，使其在使用過程中容易產(chǎn)生各類缺陷，一旦發(fā)生泄漏或坍塌就會引起大火，產(chǎn)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(yùn)行維護(hù)工作。本文主要介紹了檢驗的兩臺焦炭塔發(fā)現(xiàn)的各類問題并淺析了問題發(fā)生的原因，以保證焦炭塔的檢測質(zhì)量和安全運(yùn)行。