賈丙中，王芳芳，錢俊鋒，唐 志，趙 閣

(合肥通用機械研究院有限公司，國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230031)

0 引言

焦炭塔是煉油工業(yè)中延遲焦化的關(guān)鍵設(shè)備，一般為板焊結(jié)構(gòu)的壁塔式容器，由于延遲焦化工藝的特點，使焦炭塔經(jīng)歷循環(huán)的升溫、降溫過程，同時容器承載的介質(zhì)由氣態(tài)到液態(tài)至固態(tài)，工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，因此國內(nèi)許多煉油廠的焦炭塔會發(fā)生徑向鼓凸變形，焊縫及筒體開裂的現(xiàn)象。在對國內(nèi)多家大型煉油廠延遲焦化裝置的焦炭塔全面檢驗后，根據(jù)焦炭塔的設(shè)計、制造及運行特點，對焦炭塔的常見缺陷進行分析，有助于焦炭塔的檢驗檢測及運行維護。

1 焦炭塔的工藝特點和結(jié)構(gòu)特點

焦炭塔的工藝特點是操作溫度高，最高可達500 ℃，操作溫度變化頻繁，每個操作周期都要由常溫變化到最高操作溫度，并且生焦周期越短，溫度變化速度越快；焦炭塔是反應(yīng)器,還是裝焦炭的容器。焦炭塔一般是2臺一組，一臺塔在反應(yīng)生焦時，另一臺塔處于處理階段。每臺塔的切換使用周期一般為48 h，其中生焦24 h，除焦及其他輔助操作24 h。

焦炭塔是一個直立圓柱殼壓力容器，如圖1所示，頂部是球形或橢圓形封頭，下部是錐體，直徑通常為4.6～9.4 m，高25～35 m。國內(nèi)早期焦炭塔材質(zhì)多選用碳鋼，但由于碳鋼耐熱強度低，抗疲勞及蠕變的能力差，隨著煉油廠的大型化，國內(nèi)多選用高溫性能好的耐熱鋼制造大型焦炭塔，如15CrMoR、14Cr1MoR等。由于焦炭塔上部泡沫段以上部分的腐蝕介質(zhì)與塔體直接接觸，因此焦炭塔上部塔體采用不銹鋼復(fù)合板制造，復(fù)層為厚2.0～3.2 mm的405或410S不銹鋼，以防止腐蝕[1-2]。

圖1 焦炭塔結(jié)構(gòu)圖

2 焦炭塔的全面檢驗

根據(jù)焦炭塔的工藝特點和結(jié)構(gòu)特點，檢驗內(nèi)容應(yīng)包括宏觀檢驗、壁厚測定、無損檢測[3]、硬度檢測及金相分析。

2.1 宏觀檢驗

主要采用目視方法(必要時利用放大鏡、內(nèi)窺鏡或者其他輔助儀器設(shè)備、測量工具)檢驗壓力容器本體結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、表面情況(如裂紋、腐蝕、泄漏、變形)，以及焊縫、隔熱層、襯里等。

2.2 壁厚測定

一般采用超聲測厚方法，對易受介質(zhì)腐蝕的部位、物料進口部位、流動轉(zhuǎn)向易受沖蝕的部位、制造成型時壁厚減薄部位、使用中易產(chǎn)生變形及磨損的部位、接管部位、宏觀檢驗時發(fā)現(xiàn)的問題部位進行重點測厚。

2.3 無損檢測

表面缺陷檢測，應(yīng)采用NB/T 47013.4—2015中的磁粉檢測、滲透檢測方法對主焊縫、應(yīng)力集中部位、變形部位、宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)裂紋的部位進行檢測，異種鋼焊接接頭、T型接頭、接管角接接頭、補焊區(qū)、工卡具焊跡、電弧損傷處和易產(chǎn)生裂紋部位應(yīng)重點檢測。

埋藏缺陷檢測，應(yīng)采用NB/T 47013.3—2015中的超聲檢測或NB/T 47013.10—2015中的TOFD等方法對主焊縫、鼓脹變形部位、使用過程中補焊過的部位、檢驗時發(fā)現(xiàn)焊縫表面裂紋部位進行檢測。

2.4 硬度檢測及金相分析

對殼體主焊縫(檢測部位包括熔敷金屬、熱影響區(qū)和母材)、鼓脹變形及發(fā)現(xiàn)表面裂紋部位進行硬度檢測及金相分析。

3 焦炭塔常見缺陷及原因分析

3.1 塔體鼓脹變形

如圖2所示，煉油廠延遲焦化裝置焦炭塔發(fā)生塔體鼓脹變形，3臺焦炭塔半徑方向最大鼓脹量分別為83、75、80 mm。

(a)東營某煉油廠焦炭塔

由于焦炭塔的工藝特點，在初始預(yù)熱和急冷階段，塔體產(chǎn)生了嚴重的熱梯度，在局部區(qū)域引起了超過塔體材料屈服極限的熱應(yīng)力，并且由于環(huán)焊縫金屬與塔體母材金屬強度的差異，筒節(jié)變形受到約束，向外鼓凸，隨著循環(huán)次數(shù)增多,塑形變形不斷積累，最終出現(xiàn)了嚴重的鼓脹變形[4]。

3.2 內(nèi)壁熱疲勞裂紋

圖3為煉油廠焦炭塔內(nèi)壁裂紋宏觀形貌，3臺焦炭塔內(nèi)壁裂紋宏觀形貌均為短且細，龜裂，密集分布，有部分裂紋從母材擴展至焊縫。

(a)東營某煉油廠焦炭塔(材質(zhì)20g)

對裂紋部分進行硬度測定和金相分析，裂紋部位硬度值均未超標，微觀形貌見圖4，放大倍數(shù)均為200倍。微觀上觀察，金相組織均為鐵素體+珠光體，裂紋以穿晶擴展為主，尖端無分叉，且裂紋內(nèi)充滿氧化物。綜合判斷，焦炭塔在周期性的熱脹冷縮過程中，裂紋附近的板材會在焦炭塔運行時經(jīng)歷的循環(huán)熱-機械載荷作用下產(chǎn)生熱疲勞開裂[5-6]。

(a)東營某煉油廠焦炭塔

3.3 內(nèi)壁冷裂紋

圖5為天津某煉油廠焦炭塔內(nèi)壁裂紋宏觀形貌。裂紋位于焊縫上，部分延伸至母材。對裂紋部分進行硬度測定和金相分析，裂紋部位焊縫金屬硬度值260～280 HB(HB為布氏硬度)，偏高；微觀形貌見圖6，放大倍數(shù)均為200倍。微觀上觀察，母材金相組織為鐵素體+珠光體，焊縫金屬金相組織為鐵素體+馬氏體，裂紋以穿晶擴展為主。從裂紋宏觀和微觀形貌特征判斷，該裂紋屬于制造過程中產(chǎn)生的冷裂紋。

圖5 天津某煉油廠焦炭塔內(nèi)壁冷裂紋宏觀形貌

3.4 裙座角焊縫裂紋

圖7為煉油廠焦炭塔裙座角焊縫裂紋宏觀形貌，裂紋位于裙座角焊縫熔合線上以及焊縫金屬上，沿焊縫方向整圈斷續(xù)分布。

(a)東營某煉油廠焦炭塔

焦炭塔長期在高溫及充焦與除焦的冷熱疲勞作用下運行，循環(huán)操作和較大的溫度梯度，使得裙座角焊縫處產(chǎn)生比較高的交變應(yīng)力，從而導(dǎo)致該部位裂紋的產(chǎn)生[7]。

4 結(jié)束語

焦炭塔由于其獨特的工藝特點和結(jié)構(gòu)特點，在運行一段時間后極易產(chǎn)生塔體鼓脹變形、熱疲勞裂紋等缺陷。根據(jù)缺陷產(chǎn)生原因，結(jié)合實際檢驗經(jīng)驗，制訂全面、合理的檢驗方案，針對重點檢驗部位實施多種檢測項目以確保設(shè)備的安全運行。