煉油裝置焦炭塔失效形式及防范措施

王蘊超

（大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煉油企業(yè)在生產(chǎn)過程中會用到各種設(shè)備，其中最為重要的就是延遲焦化煉油裝置中的焦炭塔。焦炭塔與煉油企業(yè)整體的生產(chǎn)效率和質(zhì)量有著直接關(guān)系，但是在運行過程中也會出現(xiàn)各種問題而失效。所以，煉油企業(yè)相關(guān)工作人員要重視焦炭塔的失效形式，并且結(jié)合實際情況采取有效措施進行處理，確保各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)正常開展。

1 焦炭塔的失效形式分析

1.1 塔體失效

通常情況下，我國煉油企業(yè)的焦炭塔使用時間較久，這樣在其中部和下部容易出現(xiàn)較為明顯的鼓凸變形，這種變形最早出現(xiàn)在焦炭塔的底部，隨著時間增長焦炭塔上部也會發(fā)生一定變形，然而在環(huán)焊縫位置的徑向會發(fā)生較小程度的變形，進而塔體會出現(xiàn)一種類似于糖葫蘆狀的鼓凸。此外，焦炭塔出現(xiàn)塔體失效的主要原因有4 個，分別是高溫蠕變導(dǎo)致的結(jié)果、低周熱疲勞產(chǎn)生的結(jié)果、高溫蠕變與低周熱疲勞共同作用導(dǎo)致的結(jié)果、急冷或急熱溫差熱應(yīng)力致使局部塑形變形導(dǎo)致的結(jié)果。所以，煉油化工裝置相關(guān)工作人員應(yīng)充分分析和判斷導(dǎo)致焦炭塔出現(xiàn)塔體失效的原因，這樣才能結(jié)合生產(chǎn)實際來采取有效措施進行處理，進而緩解失效帶來的影響。

1.2 裙座失效

從目前情況看來，焦炭塔是延遲焦化煉油裝置中最主要的設(shè)備之一，裝置在運行過程中要承受機械載荷和熱載荷循環(huán)作用，然而焦炭塔在頻繁加熱和冷卻過程中會與裙座連接的位置出現(xiàn)較大的應(yīng)力，在長時間的運行過程中就會因強度問題而出現(xiàn)失效，導(dǎo)致焦炭塔出現(xiàn)裂紋缺陷。另外，工作人員在實際維護控制過程中要將焦炭塔裙座結(jié)構(gòu)形式作為關(guān)鍵，焦炭塔主要的破壞形式之一就是低頻熱疲勞，這種破壞形式主要發(fā)生在筒體和裙座之間的連接處，為此筒體與裙座的連接形式也尤為重要。

在通常情況下，筒體與裙座之間連接形式可以分為4 種，分別是一般對接形式、塔接形式、改進型和整體型。其中，一般對接形式雖然在結(jié)構(gòu)方面比較簡單，不過較易產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋問題；塔接形式也是一種較為簡單的結(jié)構(gòu)，在運行過程中產(chǎn)生的裂紋會不斷擴展，嚴重時會導(dǎo)致塔體下沉問題；改進型雖然應(yīng)力集中系數(shù)和產(chǎn)生裂紋的可能性較小，不過在實際制造工藝比較復(fù)雜，工作人員需要在焊接環(huán)節(jié)當中耗費較長時間，在裙座處設(shè)置開槽孔不僅可以有效釋放應(yīng)力，而且還能夠避免焊縫出現(xiàn)開裂問題；整體型主要采用整體鍛件，盡管應(yīng)力集中系數(shù)比較小但在實際制造方面難度很高，在我國應(yīng)用得比較少。

2 焦炭塔失效形式及防范措施

2.1 對焦炭塔進行科學設(shè)計

在制造過程中焦炭塔會用到多種材料，這些材料對焦炭塔整體的運行效果和質(zhì)量有較大影響，工作人員要對焦化原料性質(zhì)、塔內(nèi)操作條件、焦炭塔結(jié)構(gòu)尺寸等方面進行充分分析和考慮，在此基礎(chǔ)上合理選擇焦炭塔制作材料，以達到預(yù)期的制作效果。在操作方面焦炭塔有著較高的要求，不僅要承受較高的溫度，而且還要在運行過程中承受冷熱循環(huán)帶來的沖擊荷載，所以在焦炭塔材料選擇方面盡量選擇耐高溫性能和缺口裂紋敏感度要求高的材料。當前我國大型焦炭塔的制造材料主要是鉻鉬鋼，它可以確保焦炭塔在較高溫度條件下有著較好的機械性能和抗高溫蠕變性能。工作人員要結(jié)合實際情況來分析和了解，以降低焦炭塔出現(xiàn)徑向鼓凸變形的概率。此外，在腐蝕環(huán)境中鉻鉬鋼材料有著較小的腐蝕率，且其自身的使用壽命也會得到延長。這種材料能讓焦炭塔的壁厚變薄，減小設(shè)備整體重量，同時也能減少煉油企業(yè)在工程建設(shè)方面的資金投入。相關(guān)管理人員要對焦炭塔結(jié)構(gòu)設(shè)計給予以足夠重視，確保工作人員可以按照相關(guān)的要求和規(guī)定來開展設(shè)計，使設(shè)計結(jié)果與實際情況相符合，這樣才能提高煉油企業(yè)整體的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

2.2 焦炭塔裙座結(jié)構(gòu)型式的分析與選擇

焦炭塔在運行過程中會承受較多的載荷，如內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力、塔內(nèi)渣油產(chǎn)生的靜壓力、焦炭塔本體的重力等。一些比較大型的焦炭塔自身重量比較大，成本比較高，為了達到節(jié)省材料和降低成本的目的，工作人員一般會選擇等強度結(jié)構(gòu)。焦炭塔在生焦和除焦過程中，在溫度方面會發(fā)生較大改變，高溫與低溫之間進行不斷循環(huán)，這樣就會導(dǎo)致焦炭塔的內(nèi)外壁會產(chǎn)生較大的溫差，并且也會出現(xiàn)較高的溫差應(yīng)力，進而焦炭塔受到低周熱疲勞應(yīng)力的影響，在一些裂縫處就會出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象。為有效避免疲勞開裂現(xiàn)象，工作人員可以選擇整體補強型式作為焦炭塔的開口接管。為減小焊縫的幾何形狀不連續(xù)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，對接焊縫可以選擇雙面V 形或U 形坡口，將焊縫打磨到與母材平齊的位置，進而緩解低周疲勞對焦炭塔塔體的影響。

另外，在周期性循環(huán)熱應(yīng)力的作用下焦炭塔失效速度變得越來越快，并且還會導(dǎo)致塔體出現(xiàn)徑向鼓凸變形，這樣裙座與塔體之間的連接位置就會出現(xiàn)開裂，出現(xiàn)這種問題的主要原因是焦炭塔的溫差應(yīng)力、機械應(yīng)力、材料等。為此，設(shè)計人員在設(shè)計焦炭塔結(jié)構(gòu)時要充分分析裙座與筒體連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際情況來來選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，以確保裙座與筒體連接處不會出現(xiàn)問題。部分煉油企業(yè)在焦炭塔方面采取了整體鍛制錐形封頭過渡段，這在一定程度上提高冷熱交替疲勞荷載狀態(tài)下焦炭塔在實際運行過程中的可靠性和安全性。與此同時，過渡段鍛制結(jié)構(gòu)還可以進一步延長焦炭塔整體的耐疲勞壽命，不過在鍛制、組焊、熱處理等環(huán)節(jié)有較高的難度。所以，煉油企業(yè)要定期對工作人員開展培訓(xùn)工作，提高他們自身的綜合素質(zhì)和專業(yè)知識水平，讓他們充分了解先進的技術(shù)和設(shè)備并在實際工作中充分應(yīng)用，這樣才能提高焦炭塔整體的運行效果。

2.3 落實焦炭塔的制造、檢驗和使用

焦炭塔采取整體鍛制錐形封頭過渡段，能夠讓設(shè)備在冷熱交替疲勞荷載狀態(tài)下的運行穩(wěn)定性與安全性能得到大幅提升，同時延長塔體的使用壽命，不過這也對鍛制、焊接、加工、熱處理以及運輸?shù)裙ぷ魈岢隽烁叩囊螅涸谥圃焯ゾ哌^程中，初壓無需考慮鋼板的回彈量，但是整壓與精找中務(wù)必要考慮回彈量；初壓與精找的胎具只作為小尺寸胎具，局部成形，整壓胎具屬于全尺寸胎具，整體成形；對于胎具作業(yè)部位務(wù)必要確保其光滑，禁止出現(xiàn)溝槽、毛刺以及棱角等會引起工件表面出現(xiàn)壓傷、拉傷等缺陷；在壓制過程中，需要將潤滑劑均勻涂抹于下胎表面；每個工位壓制完畢都均要由兩個方向的樣板檢查一次。

通常焦炭塔塔體都是采取U 形或V 形坡口來處理對接型焊縫，上部球形封頭主要分為球瓣與頂圓兩部分，其中球瓣主要是拼焊12 塊球瓣所得，將其壓制成型后對其坡口進行氣割打磨，在實際焊接過程中采取其他保護焊的方式來處理基層，因為復(fù)層存在弧度所以需要采取焊條焊接來處理。頂圓則主要是通過拼焊兩塊鋼板來獲得，頂圓的拼接焊縫經(jīng)過加工成型。此外，筒節(jié)基層一般采取其他保護焊來焊接，采取帶極堆焊來處理復(fù)層，復(fù)合板筒節(jié)在曲型前加工環(huán)縫坡口，壓頭前將縱縫坡口部位復(fù)層清理干凈，壓頭后需要對出破口進行氣割與打磨處理。對于非復(fù)合板筒節(jié)基層則應(yīng)當要采取氣體保護焊來進行焊接，曲型前加工環(huán)縫坡口，壓頭后對縱縫坡口實施氣割，此處的坡口形式與球瓣拼接坡口相同。對于下錐段坡口，需要在成型后實施氣割，由于裙座過渡段厚度偏大，所以通常采取窄間隙焊接進行拼接。

在焊接焦炭塔內(nèi)的鉻鉬鋼焊縫前都要求進行預(yù)熱，中間還要求采取消氫處理，焊接完畢后需要進行熱處理，溫度維持時間不得低于2 h。

3 結(jié)束語

綜上所述，焦炭塔在煉油過程中有著重要作用，為了有效處理其失效形式，管理人員應(yīng)對其失效形式予以重視，這樣工作人員才可以采取有效措施進行處理。另外，相關(guān)工作人員還要根據(jù)實際情況科學設(shè)計和選擇焦炭塔的結(jié)構(gòu)和材料，以確保焦炭塔整體的運行達到預(yù)期效果。