焦炭塔裙座裂纹分析

刘猛等

摘要：焦炭塔是延迟焦化装置中的标志性设备。作为原料进行焦化反应的场所，焦炭塔在整个延迟焦化工艺中起着至关重要的作用。如果焦炭塔出现故障，延迟焦化的整个工艺过程就无法进行，从而间接的影响其他装置的正常生产。在实际使用过程中，焦炭塔裙座部位最容易出现裂纹，在大多停机检验过程中，裙座裂纹都是最常见的。研究焦炭塔的裙座，分析裂纹出现的原因，不仅可以为焦炭塔的使用提供理论基础，而且对以后的检验、检修以及保证延迟焦化装置的长周期安全运行都具有重要的指导意义。

关键词：焦炭塔 裙座裂纹 有限元分析

1 研究内容

2013年，通过对中石油抚顺石化公司石油二厂焦化车间的四台焦炭塔进行现场检验发现，B塔的裙座部位出现表面裂纹。具体缺陷部位均在裙座U型口附近。裂纹长度为约150mm，距离裙座U型口开孔边缘约2.7mm左右。

具体见如下附图：

通过对焦炭塔的资料进行审查，我们发现在过去的两年中，另外几台焦炭塔的裙座部位也出现过裂纹。通过现场测试和试验，我们分析了裂纹形成的原因，并针对这些原因，提出了一些改进措施，从而为焦炭塔的平稳、安全运行提供有效的保障。

2 裙座裂纹分析

2.1 微观组织分析

2.1.1 金相检验。采用Leica金相显微镜对铁素体、珠光体形态和析出相进行观察，对比观察结果后，我们发现：在热处理前和热处理后金相试样的显微组织中都以铁素体和珠光体为主，热处理后的显微组织中珠光体含量相对较少，并且局部有少量球化现象。几种试样中都没有观察到明显的晶粒粗化和沉淀相析出，球化现象不严重，证明焦炭塔的材质目前能够满足工艺所需要的使用温度和使用环境。

2.1.2 光谱分析。使用直读光谱仪对焦炭塔材质的化学成份进行分析，测试结果表明主要化学成份如下：C：0.15；Si：0.55；Cr：1.23；Mo：0.53；Mn：0.53；Ni；0.15；Cu：0.08。

结果表明，材质的化学成份符合标准GB6654-1996规定，在使用期间未发生明显变化，并未出现脱碳或增碳现象。

2.2 力学性能测试

2.2.1 显微硬度。对焦化装置的A、B两塔的开裂处内外器壁进行显微硬度测定，显示的测定值见附表2.1。通过这些数据，我们发现，对比于14Cr1MoR在常规热处理后的上限值220HV，塔体在实际使用的这3年中，硬度只稍微高出。分析原因可能是热应变引起的。内侧硬度值比管壁外侧的数值小一些，分析认为应该是内外壁的含碳量因温差的影响而引起的变化幅度迥异形成的，虽然这种变化并没有多少明显的差距。

2.2.2 冲击性能。金属材料在受到一个拥有非常大的速度的冲击功的作用后，会使它本身的塑性和韧性都发生改变，其值会降低，所以冲击试验可以测定材料承受冲击负荷的能力。试样按国家标准GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锺冲击试验方法》加工，试样尺寸选定为551027.5mm，缺口深度为2mm。采用常温冲击试验方法，测试结果如附表2.2所示，冲击功都在要求范围内，结果表明焦炭塔材料的冲击韧性并没有特别大的变化。

2.2.3 拉伸性能。根据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，选取了矩形横截面比例试样。宽厚比不超过8：1。为防止试样在夹头端部附近处发生断裂，影响性能测定，试样平行长度和夹持头部之间以过渡弧连接，试样头部形状应适合于试验机夹头的夹持，夹持端和平行长度之间的过渡弧的半径为12mm。

切取拉伸试样，按国标GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T 4438-2006《金属材料高温拉伸试验方法》，分别在常温和500°C环境下进行拉伸实验，实验结果见表2.3。

2.3 应力应变分析 研究人员依据焦炭塔的结构特点和载荷条件，建立分析模型，包括塔底部分筒体、裙座、锥形封头以及保温层，应用ANSYS进行热分析得出温度场分布，温度梯度较大的位置出现在裙座与筒体连接处。

2.4 开裂原因分析 根据模拟的焦炭塔在循环操作过程中的应力应变状态，进过分析，我们可以知道焦炭塔的使用压力、塔内使用介质带来的重力和焦炭塔本体材料的自重，所带来的应力影响不大，根本没有超过材料的屈服强度。但是，我们在出现泄露的焦炭塔B塔的应力测量中，得出的结果是一些区域出现了逼近或者已经远远大于材料许用应力的情况。分析这种结果，我们认为出现这种情况的原因如下：①一些部位的几何形状导致了出现应力集中的现象，例如对焊接裂纹敏感的材料，要注意环焊缝的焊趾处可能发生的焊趾裂纹。②在发生裂纹的裙座周围，由于粘附在内壁的焦炭和塔壁材质的热膨胀系数不一样，会造成局部出现应力过大的现象。③残余应力。由于焦炭塔的主要受压元件都要先在制造厂进行制造和加工，在这个过程中，若是某些区域出现缺陷，使温度不能均匀分布，从而留下残余应力的存在，而这些出现的残余应力会严重影响该部分的强度指标。

经过上述论证，我们可以把焦炭塔发生裙座开裂的机理归纳为以下两点：①在初始预热和急冷阶段，塔体产生了严重的热梯度，在局部区域引起了超过塔体材料屈服极限的热应力，并且由于环焊缝金属与塔体母材金属强度的差异，筒节变形受到约束，向外鼓凸，随着循环次数增多，塑性变形不断积累，最终出现鼓胀或开裂。②焦炭塔内部产生的石油焦沉淀后，粘附在塔壁内侧，这两种不同的物质的预热膨胀速度不同，导致应力变化并最终造成了裙座萌生裂纹的严重后果。

2.5 安全措施建议 ①进水冷焦前控制焦炭内部的温度减少到一定数值。由于高温蒸汽可以在生焦和水冷的过程中间对焦炭塔有一个冷却的作用。所以在水冷之前，可以先采用一定手段，来降低高温蒸汽温度，同时也达到了降低焦炭塔内部温度的目的。②提高冷却水温。冷却水如果不能达到一定的温度，焦炭塔塔体就会发生塑性变形，这是由于塔体器壁应力集中的部位热应力过大的结果。③改变裙座和筒体的焊接结构，搭接结构的优点是，当塔体温度升高时，塔壁能够快速传热给裙座，从而减小温度梯度，还有一种焊接结构是使裙座壁板和塔体壁板中心线能够叠加在一起，这样可以有效减轻剪切应力的作用。

3 结论

由于过去的焦炭塔采用的材质都是20g（20R），而石油二厂焦化装置中的焦炭塔为14Cr1MoR，并且由于运行年限较短，目前没有发现明显的鼓凸变形，这些都需要在以后的运行周期内进一步验证。针对检验中发现的表面裂纹，使用单位已经按照《容规》的要求进行了打磨返修，打磨处的剩余壁厚完全满足强度要求，打磨部位光滑并且圆滑过渡，侧面倾斜度也不大于1：4，经过重新进行无损检测，确认缺陷已经完全消除。

参考文献：

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