延迟焦化装置焦炭塔定期检验案例总结与缺陷分析

钱俊锋，董杰，刘建杰，杜护军，陈高俊，储拥军

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230021）

焦炭塔是延迟焦化装置的关键设备，其作为一种周期性操作的设备，一般24～48小时温度波动一次，主要操作过程分为蒸汽预热、油气预热、倒塔、进油生焦、吹蒸汽、水冷却、排水、除焦等阶段。正常生产时通常是两个塔一组进行切换操作，当一个塔处于进油生焦过程，另一个塔正好处于水力除焦等阶段。焦炭塔长期处于急冷、急热的循环状态下过程以及周期性变化的内部介质载荷作用（空塔重约170t，满塔重量约900t）。因此，非常复杂的焦化工艺和十分恶劣的服役环境，使焦炭塔承受着极其复杂的、且随时间不断变化着的三维温度场和应力场作用，导致长期服役的焦炭塔容易产生各类问题。

在参与某公司延迟焦化装置两台焦炭塔定期检验工作时，发现这两台焦炭塔都出现了鼓胀变形、内壁板材裂纹、塔体倾斜、焊缝埋藏超标缺陷、地脚螺栓锈蚀断裂、接管倾斜变形及裙座角焊缝开裂等多种问题，现介绍两台焦炭塔的检验检测情况，并对发现的相关问题进行原因分析以及处理，以促进焦炭塔的检验检测及运行维护工作。

1 设备概况

1.1 技术参数

某公司焦炭塔（1#、2#）由13个筒节、锥形封头（下）和球形封头（上）组成，主要技术参数如下。

主 体 材 质：20g， 规 格：φ6000×31509×32 mm，设计压力：0.30MPa，设计温度：475℃，工作压力：≤0.28Mpa，工作温度：≤475℃，介质：油气、焦炭、渣油、水蒸气，产品标准：GB150-89，投用日期：1996年。

1.2 历次检验情况

该公司两台焦炭塔在2008年和2013年检验中，除在2#塔裙座角焊缝上发现热疲劳裂纹，没有其他问题记录。

2 本次检验情况

2018年，对这两台焦炭塔进行了定期检验。

2.1 宏观检验

宏观检验过程中发现的主要问题如下。

（1）鼓胀变形。如图1，两台焦炭塔下半段筒节都发生了严重鼓胀变形，上半段变形不明显，半径方向最大鼓胀量为83mm。多数筒节呈“C”形鼓胀，也有少量呈“ε”形，整体呈现“糖葫芦状”。变形较大部位集中在东南-西南半圈。

图1 板材鼓胀变形

（2）内壁板材裂纹。两台塔鼓胀变形严重部位的部分板材在约300mm宽范围内出现肉眼可见的内壁表面裂纹（图2）。将内表面板材焦层打磨后，裂纹开口很小，肉眼很难发现。经裂纹测深仪和超声仪对裂纹深度进行测量，检测结果表明内壁板材裂纹深度均小于3mm。

图2 内表面板材宏观裂纹

（3）塔体倾斜。SH/T 3098-2011《石油化工塔器设计规范》规定，塔体安装垂直度允许偏差为塔器总高度的0.1%且不超过30mm。在停工状况下，经测量1#塔和2#塔分别向南倾斜80mm和60mm，超过标准规定。

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（4）接管弯曲倾斜。两台塔钻焦口上的急冷油口接管向上严重倾斜，如下图3。

图3 急冷油口接管向上倾斜

（5）地脚螺栓断裂。如图4，每台焦炭塔有32根地脚螺栓，考虑到设备已使用多年，且塔体发生倾斜，检验中对地脚螺栓进行抽查，保温拆除后发现螺栓发生严重锈蚀甚至断裂。再次将所有地脚螺栓保温均拆除检查，所有螺栓均有较大程度锈蚀。1#塔有7根螺栓断裂以及9根螺栓变细；2#塔有没有螺栓断裂，有7根螺栓变细。

图4 地脚螺栓腐蚀

2.2 壁厚测定

利用CTS-30A型超声波测厚仪对上球形封头、筒体及锥封丁字口周边以及鼓胀变形部位板材进行测厚，发现两台焦炭塔壁厚没有明显减薄，各位置壁厚均不小于30.0mm。

2.3 表面无损检测

使用DA1203型便携式交流磁探仪对下半段筒体和锥形封头所有内壁对接焊缝、筒体鼓胀变形部位和未变形部位板材的内外壁、上中下筒体对接焊缝外壁（少量抽查）以及裙座角焊缝进行磁粉检测，并对上封头上所有接管角焊缝可检部位进行了渗透检测，发现以下问题。

（1）内壁板材裂纹。在鼓胀变形相对严重部位的板材发现最宽400mm范围的大量密集环向表面裂纹（包括宏观检验发现的表面裂纹及宏观检验未发现裂纹的板材），如图5所示。

（2）裙座角焊缝裂纹。在裙座角焊缝上熔合线附近发现断续整圈裂纹（图6）。

图5 内表面磁粉显示裂纹

2.4 埋藏缺陷检测

图6 裙座角焊缝裂纹

在1#塔对接焊缝上发现17处Ⅲ级埋藏超标缺陷，2#塔在对接焊缝上发现26处Ⅲ级埋藏超标缺陷。缺陷尺寸较小，长度为10～30mm，自身高度为2～4mm。板材区域未发现埋藏超标缺陷。

2.5 理化分析

对两台焦炭塔筒体纵环缝、锥段纵环缝、筒体无变形区母材、筒体裂纹区母材、锥段母材进行硬度测试和金相分析。

（1）硬度检测。测试部位硬度值均正常，母材：128～151HB， 焊 缝 金 属：143～184HB， 焊 接 热 影 响 区：170～196HB。

（2）金相分析。测试部位金相组织基本正常，均为铁素体+珠光体组织，未发生球化现象。图7为无变形区母材和变形严重（即宏观裂纹位置）的金相组织图。

图7 板材金相组织

3 缺陷原因分析及处理

3.1 原因分析

（1）内壁鼓胀变形。焦炭塔鼓胀变形是一个普遍现象，主要是由于“热应力棘轮现象”。即由于焦炭塔的塔壁各位置在运行时存在温差，导致塔壁各位置变形不一致进而在塔壁上产生热应力，且焦炭塔长期处于冷热循环，当结构应力超过材料在该温度下的屈服强度，会引起塔壁的局部塑性变形并在循环工况下不断增大。另外由于环焊缝具有较高屈服强度，且比母材稍厚，因而变形较小，整体就产生一个由焊缝处约束母材凸出的如“糖糊芦”形状的鼓胀变形。

（2）内壁板材表面裂纹。宏观发现裂纹为龟裂状，裂纹短且宽，微观照片发现裂纹分支少，以穿晶扩展为主，且裂纹间隙存在氧化物，裂纹区域硬度值为128～134HB。根据裂纹形貌及相关检测结果，结合焦炭塔运行特点，可以判断裂纹应为热疲劳裂纹，即裂纹附近位置的板材在焦炭塔运行时经历的循环热-机械载荷作用下产生的热疲劳开裂。

（3）塔体倾斜。两台焦炭塔均向南倾斜，考虑到筒体鼓胀变形也是东南-西南半圈相对严重，因此分析认为是由于筒节南半边鼓胀严重导致塔体在南边长度短于北半边所产生的塔体向南倾斜。

（4）埋藏超标缺陷。超声检出的埋藏超标缺陷尺寸较小，且多数可判断为未熔合、夹渣等缺陷，同时考虑到这两台焦炭塔作为I类容器，对制造时的焊缝质量要求较低，因此判断这些埋藏缺陷应多为容器制造时产生的。

（5）接管倾斜。钻焦口上东西两侧的急冷油口接管向上倾斜的原因，是因为筒节鼓胀引起塔体发生了一定程度的下沉，由于急冷油口接管上段受到刚性约束，从而产生了倾斜变形。

（6）裙座角焊缝裂纹。焦炭塔在运行过程中，筒体与裙座之间存在轴向温度梯度，并且在频繁的加热和冷却循环工况下，导致裙座角焊缝及其附近部位受到较大的轴向交变热应力作用，在裙座角焊缝根部附近产生大量环向热疲劳裂纹。

（7）地脚螺栓锈蚀断裂。焦炭塔地脚螺栓是由保温棉包裹后在外壁用水泥封堵。这两台焦炭塔已投用22年，投用期间从未检查过地脚螺栓，在使用过程中，由于雨水通过毛细作用渗入保温棉后聚集，难以挥发，导致地脚螺栓经常处于浸泡状态而引起锈蚀并断裂。

3.2 缺陷处理

依据TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》，并结合现场实际情况，针对本次检验中发现的这些问题作以下处理。

（1）内壁鼓胀变形、内壁板材裂纹、塔体倾斜和埋藏超标缺陷等问题由厂方另行委托有资质的单位进行合于使用评价。

（2）接管倾斜变形要求厂方加强巡检并适时监控。

（3）裙座角焊缝裂纹厂方已安排相关单位进行打磨消除，并补焊合格。

（4）针对断裂、变细及锈蚀严重的螺栓已要求厂方安排更换，并对所有螺栓进行防腐处理。

4 结语

虽然焦炭塔工作压力不高，属于I类设备，但其最高工作温度接近500℃并长期处于冷热循环状态，承受着极其复杂且随时间不断变化着的三维温度场和应力场作用，使其在使用过程中容易产生各类缺陷，一旦发生泄漏或坍塌就会引起大火，产生不可估量的损失和后果。因此必须慎重对待在役焦炭塔的检验检测及运行维护工作。本文主要介绍了检验的两台焦炭塔发现的各类问题并浅析了问题发生的原因，以保证焦炭塔的检测质量和安全运行。