在用15CrMoR焦炭塔定期检验探究

王清栋

（合肥通用机械研究院安徽压力容器与管道安全技术省级实验室，安徽合肥 230031）

在用15CrMoR焦炭塔定期检验探究

王清栋

（合肥通用机械研究院安徽压力容器与管道安全技术省级实验室，安徽合肥 230031）

焦炭塔使用过程中存在低周热应力疲劳和应力腐蚀开裂问题，分析如腐蚀减薄、机械损伤、鼓凸、塔体本身A、B类焊缝和裙座焊缝热疲劳裂纹、材料裂化等焦炭塔可能的失效模式。说明焦炭塔检验过程及注意事项。

15CrMoR；焦炭塔；失效模式；检验方案；表面检测

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.60

0 引言

延迟焦化是一种热裂化工艺，它以常减压蒸馏装置的减压渣油为原料，在高温（约500℃）进行深度的热裂化和缩合反应，生成油气、轻质油、中间馏分和焦炭。延迟焦化的工艺特点是，每间隔16～48 h，进行一次室温至487℃之间的升降循环，同时容器内的介质也经历气—液—固三相的循环。焦炭塔是延迟焦化的关键设备之一，工况的恶劣，运行条件的苛刻，导致其在运行一个或几个检验周期后一般存在腐蚀减薄、塔体A、B类焊缝和裙座焊缝、接管角焊缝开裂等问题。对于焦炭塔这种容积大、温度高、失效机理复杂、失效后果严重的设备，需制定有针对性、完善、可靠的检验方案，对焦炭塔实施高效的检验。

根据天津某石化厂焦炭塔（C3101A）检修实例，阐述焦炭塔检验过程中存在的问题和处理方法，以期给其他焦炭塔的检验提供借鉴。

1 失效原理分析

1.1 焦炭塔风险分析

焦炭塔为单层立式容器，介质为反应油气，一般硫的质量分数和酸值较高，腐蚀性较强。焦炭塔在16～48 h的生产周期内，一般需经过蒸、油预热，进油生焦，蒸汽冷却，给水冷却，放水，除焦和试压等多个操作步骤。焦碳塔承受温度范围为常温至487℃周期变化，塔壁内外形成温差应力，也容易形成热疲劳裂纹。

焦炭塔工作介质内存在硫、氯等，故主要潜在损伤机理是高温硫腐蚀、酸性水腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、热疲劳和热冲击等[1]。

1.2 失效模式

根据焦炭塔的工艺、工况、工作介质，分析其主要存在的失效模式有：

（1）腐蚀减薄。焦炭塔的腐蚀主要发生在上段气相区及泡沫层的碳钢构件位置,此外高压水冲刷、介质波动也会加剧腐蚀[2]。常见的腐蚀有：高温硫腐蚀，H2S-HCl-H2O腐蚀，环烷酸腐蚀和其他腐蚀等。其中高温硫腐蚀和H2S-HCl-H2O等酸腐蚀发生在塔体内部，主要是封头顶部，顶部接管、上部筒体处。塔体保温材料破损或其他原因，致使雨水混同保温材料中的参与腐蚀物质，在高温、高湿环境中易形成层下腐蚀，其主要存在塔体（外）封头顶部、接管及出口管线或保温层出现破损的部位。对以上部位，宏观检查和测厚检测时应重点关注。

正常操作中，下部筒体内壁会形成一层致密的焦炭，下部筒体一般不考虑高温硫腐蚀、低温湿硫化氢腐蚀造成的损害[3]。

（2）应力腐蚀开裂。在湿硫化氢的环境中，腐蚀产生的氢原子扩散到材料中形成氢分子，引发气泡或材料应力开裂[4]。同时，在残余应力较高的部位，如上部封头与筒体对接焊缝、接管角焊缝，筒体对接焊缝均有发生应力腐蚀开裂的可能。

（3）机械损伤。焦炭塔的载荷条件复杂，焦炭塔的工艺流程为：高温减压渣油从塔底进入塔中生焦，塔体受热膨胀，温度高达490℃，冷焦除焦时，塔内进水冷却，温度又急剧降低，造成塔体在一个循环内不同截面不同部位的载荷各异，材料易产生变形。尤其在除焦阶段，由于温度降低（约80℃），焦炭和塔壁均有收缩，但焦炭收缩小于塔体收缩，致使塔壁不能自由收缩，这样焦炭与塔壁间产生套合压力，导致塔壁内产生了极大的残余应力，对塔体造成破坏[5]。

温度周期变化引起的材料应力的周期变化，也导致了热疲劳裂纹的产生[4]。尤其裙座部位应力集中，温差应力较大、塔体变形拘束等不利因素，这些部位极易出现开裂。

（4）材料裂化。因焦炭塔主体材料为15CrMoR，材料裂化发生概率较小。

2 检验前准备

基于以上失效原理分析和失效模式判断，根据相关规范、标准、焦炭塔图纸及有关技术资料等，制定全面检验方案。

依照检验方案，对相关辅助单位进行技术交底。装置停车后，车间负责吹扫置换，用盲板隔断全部介质来源。高压水枪清洗塔内壁、脚手架搭设及表面打磨等工作由辅助单位完成，至达到全面检验条件。

3 检验项目及内容

3.1 资料审查

资料审查主要包括设计、制造资料，安装施工资料、记录，使用登记证，历次检验报告，焦炭塔运行时温度、压力、介质含H2S等杂质情况的记录等。焦炭塔主要设计参数：容器类别II类，设计压力0.35 MPa，设计温度465～505℃，主体材料15CrMoR，设计年限15 a，制造规范GB 150—1998，封头型式球形/锥形，支座型式裙座，操作压力0.24 MPa，操作温度445～487℃，容积1455 m3，工作介质油气、水、焦炭。

该塔采用舞阳钢铁有限公司生产的15CrMoR（H）制造。随机调取一张熔炉号为42541N，批号为GC406802的钢板材料证明书和复验报告，其力学、弯曲性能实验报告显示10℃冲击吸收能分别为 272 J，286 J，256 J，500 ℃抗拉强度οb=425 MPa，屈服强度ο0.2=235 MPa，断后伸长率δ5=28%，断面收缩率ψ=80%，均满足技术要求。锻件、焊材等材料的质量证明书和复验报告等也进行核对。

该塔设计资料、产品质量证明书、产品合格证、使用登记证和历次检验报告等资料齐全，在上次检验中，裙座与下锥封焊缝经磁粉检测发现15处裂纹，已经消除，但报告仍建议2013年对该部位进行表面检测。故本次重点关注上次检验发现问题的焊缝，使得检验工作更具有针对性。

3.2 宏观检查

3.2.1 结构检验

该塔裙座采用对接型角焊缝，环向优化设计均布14个U形槽，避开封头拼接焊缝，避免焊缝交叉。U形槽部位如不能圆滑过渡，易造成应力集中，也是裂纹多发部位。资料审查时发现该塔裙座U形槽曾发现多处裂纹，已修复。本次检验中发现返修部位未进行有效打磨，使之圆滑过渡，产生应力集中，易产生裂纹，需重点关注。

该塔承受高温交变疲劳载荷，在筒体上应尽量不开孔而改开在封头上，部分接管补强圈与塔体搭接贴合不良，热传递效果差，温度越高温差应力越大，抗疲劳性能越差，应重点进行表面检测[2]。

3.2.2 几何尺寸检验

塔体焊缝余高，是因其应力集中而产生疲劳裂纹的根源，因此设计技术条件规定：铬钼钢之间的A、B类对接焊缝，其表面必须打磨至与母材平齐，铬钼钢与碳钢之间的对接接头的焊缝金属余高不得大于2 mm，接管与筒体或封头之间的焊接接头及其他角焊缝，外部圆滑过渡，内部应打磨至与母材平齐，减小应力集中。宏观检查发现，多数焊缝余高符合技术条件要求，但也存在少量铬钼钢之间的A、B类焊缝余高为1～2 mm情况，部分接管角焊缝未圆滑过渡。本次要求打磨接管角焊缝，A、B类焊缝超标余高，使之符合技术要求。其余如A、B焊缝对口错边量、棱角度、焊缝布置、封头形式等未发现异常，一并进行详细测量和记录。

3.2.3 壳体外观腐蚀检验

15CrMoR钢具有良好的高温力学性能、抗高温氧化性能和抗腐蚀性能，本次检查未发现上段气相区及泡沫层碳钢构件位置内表面存在腐蚀现象。

（1）地脚螺栓。除焦作业时，使用高压水冲击塔壁，塔体振动易导致底座垫铁外逸，螺栓松动，检查斜铁之间以及斜铁与底座环之间是否焊牢[2]，螺栓是否锈蚀、松动，未发现异常。

（2）铅垂度。除焦时焦炭塔头重脚轻，各方向受力不均或者塔体下部鼓胀变形，都会造成塔体的倾斜[2]。此次检查测得铅垂线与下部靶心偏离，与上一检验周期所测数据相比，基本无变化，判断偏离已趋于稳定，但也应间隔一段时间对其铅垂度使用全站仪等设备进行测量。

3.2.4 隔热层与衬里的检验

为减小热应力，裙座上采用铬钼钢塔器大型背带式保温结构，对减少局部应力及塔器外部腐蚀起到了一定的作用，但是，大量的钢背带包扎在塔体表面，致使部分A、B类焊缝和D类焊缝无法检测，而D类焊缝恰是裂纹高发所在，这给检验工作带来不便，也是检验工作不足之处。

4 壁厚测定

本次测厚检测使用CTS-30A仪器，测厚仪校验合格并在有效期内。封头与筒体测厚部位距纵、环焊缝50 mm处，接管距焊缝50 mm处分4个方位测定，每张钢板一般测定4处，以便查找塔体减薄最大处，掌握塔体均匀腐蚀情况。

经过测定，筒体名义壁厚26/28/30/32 mm，2010年4月测量最小值-/28.4/30/31.4 mm，本次实际测量最小值分别为25.3/27.6/29.9/31.4 mm；封头名义厚度26/32 mm，2010年4月测量最小值25/31.7 mm，本次实际测量最小值25/31.4 mm。同时对接管进行测量并与名义厚度及上次检验报告进行对比，未见明显减薄现象。

5 表面检测

5.1 内壁表面检测

为提高缺陷检出率，内壁表面磁粉检测时宜采用荧光磁粉。本次检验中，塔内光照充足，可见光＞1000 lx，未使用荧光磁粉，采用反差增强剂增加对比度，以提高裂纹检出率。在内壁检测中，根据以往的经验和焦炭塔的工艺特点，对塔体上部及封头A、B类焊缝抽检，实际检测比例达30%。对上封头接管角焊缝全部进行渗透检测。对磁粉检测存在疑问部位辅以渗透检测验证。检测中发现，接管角焊缝存在多处浅表裂纹，打磨后消除，其中油气出口角焊封发现气孔超标缺陷，本次一并打磨消除。

对下部筒体与底部锥段对接焊缝及下部锥形封头内壁A、B类焊缝100%进行磁粉检测，未发现磁痕显示。

5.2 外壁表面检测

外壁表面检测主要是裙座、下部筒体与底部锥段对接焊缝、上部筒体与上封头对接焊缝及上封头拼接焊缝、接管角焊缝等。对裙座与筒体连接的角焊缝、裙座U形槽进行重点检测，必要时使用内窥镜检查裙座角焊封的根部。

经检测，裙座角焊缝存在多处裂纹，多为环向裂纹，少量裂纹向母材厚度方向扩展，任其扩展恐穿透塔壁造成泄漏。U形槽附近角焊缝焊接时，U形槽边缘部分未能做到圆滑过渡，作为应力集中处，U形槽的上部出现较多裂纹，部分裂纹扩展至裙座角焊缝，造成整条角焊缝贯穿式开裂。上筒体与上封头对接焊缝存在多处浅表裂纹，顶部封头油气出口接管角焊缝，存在环向断续浅表裂纹，本次检验打磨消除。

其余无法进行打磨消除的裂纹，我单位对厂家下达特种设备检验意见通知书。返修单位根据检验中发现的缺陷、分析缺陷性质、类别，制定出有针对性的返修方案，对缺陷部位进行消除、补焊并复探合格。

6 超声检测

超声检测选用仪器型号为PXUT-350+，重点对焦炭塔下部锥形封头A、B类焊缝、焦炭塔筒体上部A、B类焊缝，应力集中部位进行超声检测。按照NB/T 47013.3—2015要求，一般采用一种K值探头进行单面双侧检测，必要时采用两种K值探头进行重复检测，以减少盲区影响。对评定线以上的缺陷进行记录，对定量线以上的缺陷进行记录并测量长度和埋藏深度[6]。

7 其他理化检验

技术条件要求：壳体（包括开口接管）上的A、B、D类焊接接头的焊缝金属、热影响区及母材，下封头与裙座的焊缝金属、热影响区及母材，其热处理后硬度≤225 HB。本次检验，对存在腐蚀、数据异常部位进行重点测定，未发现超标现象存在。金相检查和安全附件检查，也按照检验方案进行，未发现异常。

8 结语

根据焦炭塔设计结构、材料及工艺，进行风险分析和失效模式判断，制定详细、可靠的在用焦炭塔全面检验方案。本案例能为同类焦炭塔检验提供参考。在焦炭塔的检验过程中，如激光全站仪测量铅垂度，电位法测量裂纹深度，基于风险的检验技术（RBI）等先进的检测方法和理念也在焦炭塔的检验中逐步得到推广，我们应积极使用新方法、新技术，确保焦炭塔安全长周期运行。

［1］周扬等.焦炭塔基于风险的检验策略.石油化工设备技术［J］.2014（2）：17.

［2］王新建，徐东，孙卫国.焦炭塔的定期检验.中国资源综合利用［J］.2015（10）：59.

［3］徐胜等.基于风险的检验技术（RBI）在焦炭塔上的应用［J］.化工机械，37（2）：219-221.

［4］HG/T 20581—2011.钢制化工容器材料选用规定［S］.

［5］赵莹等焦炭塔的鼓凸损伤分析.西安石油学院学报［J］.1998（6）：40-41.

［6］NB/T 47013—2015.承压无损检测［S］.

TQ520.5

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〔编辑 李 波〕