焦炭塔裙座裂紋分析

劉猛等

摘要：焦炭塔是延遲焦化裝置中的標志性設備。作為原料進行焦化反應的場所，焦炭塔在整個延遲焦化工藝中起著至關重要的作用。如果焦炭塔出現(xiàn)故障，延遲焦化的整個工藝過程就無法進行，從而間接的影響其他裝置的正常生產。在實際使用過程中，焦炭塔裙座部位最容易出現(xiàn)裂紋，在大多停機檢驗過程中，裙座裂紋都是最常見的。研究焦炭塔的裙座，分析裂紋出現(xiàn)的原因，不僅可以為焦炭塔的使用提供理論基礎，而且對以后的檢驗、檢修以及保證延遲焦化裝置的長周期安全運行都具有重要的指導意義。

關鍵詞：焦炭塔 裙座裂紋 有限元分析

1 研究內容

2013年，通過對中石油撫順石化公司石油二廠焦化車間的四臺焦炭塔進行現(xiàn)場檢驗發(fā)現(xiàn)，B塔的裙座部位出現(xiàn)表面裂紋。具體缺陷部位均在裙座U型口附近。裂紋長度為約150mm，距離裙座U型口開孔邊緣約2.7mm左右。

具體見如下附圖：

通過對焦炭塔的資料進行審查，我們發(fā)現(xiàn)在過去的兩年中，另外幾臺焦炭塔的裙座部位也出現(xiàn)過裂紋。通過現(xiàn)場測試和試驗，我們分析了裂紋形成的原因，并針對這些原因，提出了一些改進措施，從而為焦炭塔的平穩(wěn)、安全運行提供有效的保障。

2 裙座裂紋分析

2.1 微觀組織分析

2.1.1 金相檢驗。采用Leica金相顯微鏡對鐵素體、珠光體形態(tài)和析出相進行觀察，對比觀察結果后，我們發(fā)現(xiàn)：在熱處理前和熱處理后金相試樣的顯微組織中都以鐵素體和珠光體為主，熱處理后的顯微組織中珠光體含量相對較少，并且局部有少量球化現(xiàn)象。幾種試樣中都沒有觀察到明顯的晶粒粗化和沉淀相析出，球化現(xiàn)象不嚴重，證明焦炭塔的材質目前能夠滿足工藝所需要的使用溫度和使用環(huán)境。

2.1.2 光譜分析。使用直讀光譜儀對焦炭塔材質的化學成份進行分析，測試結果表明主要化學成份如下：C：0.15；Si：0.55；Cr：1.23；Mo：0.53；Mn：0.53；Ni；0.15；Cu：0.08。

結果表明，材質的化學成份符合標準GB6654-1996規(guī)定，在使用期間未發(fā)生明顯變化，并未出現(xiàn)脫碳或增碳現(xiàn)象。

2.2 力學性能測試

2.2.1 顯微硬度。對焦化裝置的A、B兩塔的開裂處內外器壁進行顯微硬度測定，顯示的測定值見附表2.1。通過這些數(shù)據，我們發(fā)現(xiàn)，對比于14Cr1MoR在常規(guī)熱處理后的上限值220HV，塔體在實際使用的這3年中，硬度只稍微高出。分析原因可能是熱應變引起的。內側硬度值比管壁外側的數(shù)值小一些，分析認為應該是內外壁的含碳量因溫差的影響而引起的變化幅度迥異形成的，雖然這種變化并沒有多少明顯的差距。

2.2.2 沖擊性能。金屬材料在受到一個擁有非常大的速度的沖擊功的作用后，會使它本身的塑性和韌性都發(fā)生改變，其值會降低，所以沖擊試驗可以測定材料承受沖擊負荷的能力。試樣按國家標準GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺鍾沖擊試驗方法》加工，試樣尺寸選定為551027.5mm，缺口深度為2mm。采用常溫沖擊試驗方法，測試結果如附表2.2所示，沖擊功都在要求范圍內，結果表明焦炭塔材料的沖擊韌性并沒有特別大的變化。

2.2.3 拉伸性能。根據GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，選取了矩形橫截面比例試樣。寬厚比不超過8：1。為防止試樣在夾頭端部附近處發(fā)生斷裂，影響性能測定，試樣平行長度和夾持頭部之間以過渡弧連接，試樣頭部形狀應適合于試驗機夾頭的夾持，夾持端和平行長度之間的過渡弧的半徑為12mm。

切取拉伸試樣，按國標GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T 4438-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》，分別在常溫和500°C環(huán)境下進行拉伸實驗，實驗結果見表2.3。

2.3 應力應變分析 研究人員依據焦炭塔的結構特點和載荷條件，建立分析模型，包括塔底部分筒體、裙座、錐形封頭以及保溫層，應用ANSYS進行熱分析得出溫度場分布，溫度梯度較大的位置出現(xiàn)在裙座與筒體連接處。

2.4 開裂原因分析 根據模擬的焦炭塔在循環(huán)操作過程中的應力應變狀態(tài)，進過分析，我們可以知道焦炭塔的使用壓力、塔內使用介質帶來的重力和焦炭塔本體材料的自重，所帶來的應力影響不大，根本沒有超過材料的屈服強度。但是，我們在出現(xiàn)泄露的焦炭塔B塔的應力測量中，得出的結果是一些區(qū)域出現(xiàn)了逼近或者已經遠遠大于材料許用應力的情況。分析這種結果，我們認為出現(xiàn)這種情況的原因如下：①一些部位的幾何形狀導致了出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，例如對焊接裂紋敏感的材料，要注意環(huán)焊縫的焊趾處可能發(fā)生的焊趾裂紋。②在發(fā)生裂紋的裙座周圍，由于粘附在內壁的焦炭和塔壁材質的熱膨脹系數(shù)不一樣，會造成局部出現(xiàn)應力過大的現(xiàn)象。③殘余應力。由于焦炭塔的主要受壓元件都要先在制造廠進行制造和加工，在這個過程中，若是某些區(qū)域出現(xiàn)缺陷，使溫度不能均勻分布，從而留下殘余應力的存在，而這些出現(xiàn)的殘余應力會嚴重影響該部分的強度指標。

經過上述論證，我們可以把焦炭塔發(fā)生裙座開裂的機理歸納為以下兩點：①在初始預熱和急冷階段，塔體產生了嚴重的熱梯度，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，塑性變形不斷積累，最終出現(xiàn)鼓脹或開裂。②焦炭塔內部產生的石油焦沉淀后，粘附在塔壁內側，這兩種不同的物質的預熱膨脹速度不同，導致應力變化并最終造成了裙座萌生裂紋的嚴重后果。

2.5 安全措施建議 ①進水冷焦前控制焦炭內部的溫度減少到一定數(shù)值。由于高溫蒸汽可以在生焦和水冷的過程中間對焦炭塔有一個冷卻的作用。所以在水冷之前，可以先采用一定手段，來降低高溫蒸汽溫度，同時也達到了降低焦炭塔內部溫度的目的。②提高冷卻水溫。冷卻水如果不能達到一定的溫度，焦炭塔塔體就會發(fā)生塑性變形，這是由于塔體器壁應力集中的部位熱應力過大的結果。③改變裙座和筒體的焊接結構，搭接結構的優(yōu)點是，當塔體溫度升高時，塔壁能夠快速傳熱給裙座，從而減小溫度梯度，還有一種焊接結構是使裙座壁板和塔體壁板中心線能夠疊加在一起，這樣可以有效減輕剪切應力的作用。

3 結論

由于過去的焦炭塔采用的材質都是20g（20R），而石油二廠焦化裝置中的焦炭塔為14Cr1MoR，并且由于運行年限較短，目前沒有發(fā)現(xiàn)明顯的鼓凸變形，這些都需要在以后的運行周期內進一步驗證。針對檢驗中發(fā)現(xiàn)的表面裂紋，使用單位已經按照《容規(guī)》的要求進行了打磨返修，打磨處的剩余壁厚完全滿足強度要求，打磨部位光滑并且圓滑過渡，側面傾斜度也不大于1：4，經過重新進行無損檢測，確認缺陷已經完全消除。

參考文獻：

[1]曹福東.焦炭塔膨脹變形評定[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2009（10）.

[2]王忠輝.碳纖維加固墻體有限元分析[J].價值工程，2011（11）.

[3]季偉明.焦炭塔建造技術的探討[J].壓力容器，2009（11）.