延迟焦化装置焦炭塔锥体裂纹产生原因与修复

(中国石化塔河炼化有限责任公司，新疆 库车 842000)

某炼油厂延迟焦化装置主要加工常减压蒸馏装置减压深拔后的渣油，渣油进入延迟焦化装置后，先通过加热炉加热达到反应条件，然后再进入焦炭塔内进行反应，塔顶的反应油气进入分馏塔进行分离，塔底的焦炭则经冷却水高压除焦后进入焦池，装车出厂。焦炭塔T301C内径为9 m，筒体切线高度为24 m，总高度为38.626 m。焦炭塔上段材质(从封头算起到14.523 m处)为SA387Gr11CL1+06Cr13复合钢板，下段材质为SA387Gr11CL1钢，并且根据设计年限和原料性质选定腐蚀裕量为5 mm。

1 焦炭塔锥体裂纹情况

从焦炭塔T301C锥体外部观察(见图1)，该穿透性裂纹位于裙座底部第一道环焊缝下方约80 cm处，起源于原焊道(锥体外部遗留焊道)的热影响区，并沿与水平方向成30°角的方向斜向上扩展，裂纹长约16 cm，宽约2 mm；从焦炭塔T301C锥体内部观察(见图2)，裂纹长约8 cm，宽约1 mm。

图1 焦炭塔T301C锥体外部裂纹

图2 焦炭塔T301C锥体内部裂纹

2 焦炭塔材质检测

2.1 化学元素分析

采用便携式光谱仪对焦炭塔T301C锥体裂纹附近材质进行了化学元素分析，结果见表1。从表1可以看出，主要合金元素Cr含量较低，为标准规定下限值，其他化学成分基本符合标准要求。

2.2 硬度检测

采用里氏硬度计(HL)对焦炭塔T301C锥体外部裂纹附近及遗留焊道进行硬度检测，检测位置如图3所示，检测结果换算成布氏硬度(HB)值，列于表2。硬度检测结果表明，裂纹左下方位置⑤的硬度偏低(80～133 HB)，位置⑩的硬度最高，为216 HB，其余部位硬度为180 HB左右。

表1 锥体裂纹附近材质化学元素分析 w,%

图3 锥体外部硬度测量位置分布

表2 锥体裂纹附近硬度检测结果

2.3 金相检测分析

先对焦炭塔T301C锥体裂纹进行修补，再在锥体外表面距离裂纹修补区较远的三处典型位置进行取样(见图4)，然后依次对试样进行打磨、抛光和浸蚀处理，最后采用便携式金相显微镜进行金相观察，金相形貌分析见图5。分析图5可知，1号位置的金相组织主要为铁素体与索氏体，其中黑白条纹部分是索氏体，白色部分是铁素体。2号和3号位置为遗留焊缝的热影响区，金相组织均为索氏体与铁素体，其组织已经发生了劣化，晶粒异常粗大，推测晶粒在高温下发生了再结晶现象。白色块状物内部析出的黑色碳化物，使晶内强度提高。同时，3号位置的金相组织出现许多微裂纹，并且主要以沿晶裂纹为主，晶粒粗大处裂纹明显增多[1]。

图4 锥体外部金相试样取样位置

图5 锥体外部的金相组织形貌分析

3 焦炭塔锥体产生裂纹的原因分析

焦炭塔T301C在吊耳焊接作业时遗留一焊道,锥体裂纹在其附近,恰好处于其热影响区内。由于焊后热处理不合格，导致焊缝热影响区的晶内强度提高，晶界塑性变形能力降低，实际变形量超过晶界的塑性变形极限，导致3号位置金相组织中出现以沿晶裂纹为主的微裂纹[2]。对3号位置的微观裂纹与现场的宏观裂纹进行对比分析发现，两者十分相似,因此可认为贯穿裂纹是微小裂纹不断地扩展和长大的结果。

现场硬度检测发现，1号位置的硬度为176 HB/181 HB，2号位置的硬度为168 HB/175 HB，3号位置的硬度为149 HB/146 HB/137 HB，为三者中最低。3号位置由于晶粒粗大，强度和韧性下降，在晶界最薄弱部位易出现沿晶微裂纹。现场贯穿裂纹位置与3号位置类似，均处于遗留焊缝的热影响区，该贯穿裂纹左下角硬度处于最低值(115 HB/80 HB/83 HB/133 HB)，该位置晶界强度和韧性均较低，极易诱发裂纹。热影响区内局部晶粒劣化产生微裂纹，在热疲劳应力的作用下，裂纹加速延伸扩展，不断地在锥体外表面斜向上及向内生长，最终导致贯穿裂纹的产生和扩展[3]。

4 焦炭塔下部锥体裂纹处理

对焦炭塔T301C锥体裂纹进行渗透探伤(PT)，确定裂纹长度。分别在锥体裂纹两端开设止裂孔，打磨清除锥体内部和外部的裂纹，出现金属光泽并经渗透探伤合格后方可进行焊接处理。

焊前预热后，分别从锥体内外对裂纹进行补焊，焊后进行350 ℃消氢处理，处理时间为2 h。消氢后对焊缝进行射线探伤(RT)[4]，探伤合格后再对其进行焊后热处理。焊后热处理制度：400 ℃以上升温速率为55～140 ℃/h，(690±14) ℃恒温2 h，400 ℃以上降温速率为55～180 ℃/h，400 ℃以下进行空气冷却。

5 结束语

焦炭塔生产为周期性热胀冷缩的疲劳过程,其锥体长期处于热交变应力的作用下，容易产生裂纹，特别是在快速升温和降温的过程中，遗留焊缝热影响区内存在的缺陷极易诱发裂纹的产生。因此，在焦炭塔操作过程中，一定要规范操作，严格控制预热和给水的操作进度，特别是在焦炭塔切换时，一定要将焦炭塔预热到位，避免温度急剧上升对焦炭塔本体产生较大的影响。