劉猛等

摘要：焦炭塔是延遲焦化裝置中的標(biāo)志性設(shè)備。作為原料進(jìn)行焦化反應(yīng)的場(chǎng)所，焦炭塔在整個(gè)延遲焦化工藝中起著至關(guān)重要的作用。如果焦炭塔出現(xiàn)故障，延遲焦化的整個(gè)工藝過(guò)程就無(wú)法進(jìn)行，從而間接的影響其他裝置的正常生產(chǎn)。在實(shí)際使用過(guò)程中，焦炭塔裙座部位最容易出現(xiàn)裂紋，在大多停機(jī)檢驗(yàn)過(guò)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(chǔ)，而且對(duì)以后的檢驗(yàn)、檢修以及保證延遲焦化裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行都具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：焦炭塔 裙座裂紋 有限元分析

1 研究?jī)?nèi)容

2013年，通過(guò)對(duì)中石油撫順石化公司石油二廠焦化車間的四臺(tái)焦炭塔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)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(zhǎng)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(guò)對(duì)焦炭塔的資料進(jìn)行審查，我們發(fā)現(xiàn)在過(guò)去的兩年中，另外幾臺(tái)焦炭塔的裙座部位也出現(xiàn)過(guò)裂紋。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和試驗(yàn)，我們分析了裂紋形成的原因，并針對(duì)這些原因，提出了一些改進(jìn)措施，從而為焦炭塔的平穩(wěn)、安全運(yùn)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(yàn)。采用Leica金相顯微鏡對(duì)鐵素體、珠光體形態(tài)和析出相進(jìn)行觀察，對(duì)比觀察結(jié)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(duì)較少，并且局部有少量球化現(xiàn)象。幾種試樣中都沒(méi)有觀察到明顯的晶粒粗化和沉淀相析出，球化現(xiàn)象不嚴(yán)重，證明焦炭塔的材質(zhì)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(duì)焦炭塔材質(zhì)的化學(xué)成份進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果表明主要化學(xué)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(jié)果表明，材質(zhì)的化學(xué)成份符合標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能測(cè)試

2.2.1 顯微硬度。對(duì)焦化裝置的A、B兩塔的開裂處內(nèi)外器壁進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，顯示的測(cè)定值見附表2.1。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)比于14Cr1MoR在常規(guī)熱處理后的上限值220HV，塔體在實(shí)際使用的這3年中，硬度只稍微高出。分析原因可能是熱應(yīng)變引起的。內(nèi)側(cè)硬度值比管壁外側(cè)的數(shù)值小一些，分析認(rèn)為應(yīng)該是內(nèi)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(méi)有多少明顯的差距。

2.2.2 沖擊性能。金屬材料在受到一個(gè)擁有非常大的速度的沖擊功的作用后，會(huì)使它本身的塑性和韌性都發(fā)生改變，其值會(huì)降低，所以沖擊試驗(yàn)可以測(cè)定材料承受沖擊負(fù)荷的能力。試樣按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺鍾沖擊試驗(yàn)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(yàn)方法，測(cè)試結(jié)果如附表2.2所示，沖擊功都在要求范圍內(nèi)，結(jié)果表明焦炭塔材料的沖擊韌性并沒(méi)有特別大的變化。

2.2.3 拉伸性能。根據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，選取了矩形橫截面比例試樣。寬厚比不超過(guò)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(cè)定，試樣平行長(zhǎng)度和夾持頭部之間以過(guò)渡弧連接，試樣頭部形狀應(yīng)適合于試驗(yàn)機(jī)夾頭的夾持，夾持端和平行長(zhǎng)度之間的過(guò)渡弧的半徑為12mm。

切取拉伸試樣，按國(guó)標(biāo)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 4438-2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》，分別在常溫和500°C環(huán)境下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.3。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變分析 研究人員依據(jù)焦炭塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(yīng)用ANSYS進(jìn)行熱分析得出溫度場(chǎng)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(jù)模擬的焦炭塔在循環(huán)操作過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，進(jìn)過(guò)分析，我們可以知道焦炭塔的使用壓力、塔內(nèi)使用介質(zhì)帶來(lái)的重力和焦炭塔本體材料的自重，所帶來(lái)的應(yīng)力影響不大，根本沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。但是，我們?cè)诔霈F(xiàn)泄露的焦炭塔B塔的應(yīng)力測(cè)量中，得出的結(jié)果是一些區(qū)域出現(xiàn)了逼近或者已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料許用應(yīng)力的情況。分析這種結(jié)果，我們認(rèn)為出現(xiàn)這種情況的原因如下：①一些部位的幾何形狀導(dǎo)致了出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，例如對(duì)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(nèi)壁的焦炭和塔壁材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不一樣，會(huì)造成局部出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大的現(xiàn)象。③殘余應(yīng)力。由于焦炭塔的主要受壓元件都要先在制造廠進(jìn)行制造和加工，在這個(gè)過(guò)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(yīng)力的存在，而這些出現(xiàn)的殘余應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響該部分的強(qiáng)度指標(biāo)。

經(jīng)過(guò)上述論證，我們可以把焦炭塔發(fā)生裙座開裂的機(jī)理歸納為以下兩點(diǎn)：①在初始預(yù)熱和急冷階段，塔體產(chǎn)生了嚴(yán)重的熱梯度，在局部區(qū)域引起了超過(guò)塔體材料屈服極限的熱應(yīng)力，并且由于環(huán)焊縫金屬與塔體母材金屬?gòu)?qiáng)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(nèi)部產(chǎn)生的石油焦沉淀后，粘附在塔壁內(nèi)側(cè)，這兩種不同的物質(zhì)的預(yù)熱膨脹速度不同，導(dǎo)致應(yīng)力變化并最終造成了裙座萌生裂紋的嚴(yán)重后果。

2.5 安全措施建議 ①進(jìn)水冷焦前控制焦炭?jī)?nèi)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(guò)程中間對(duì)焦炭塔有一個(gè)冷卻的作用。所以在水冷之前，可以先采用一定手段，來(lái)降低高溫蒸汽溫度，同時(shí)也達(dá)到了降低焦炭塔內(nèi)部溫度的目的。②提高冷卻水溫。冷卻水如果不能達(dá)到一定的溫度，焦炭塔塔體就會(huì)發(fā)生塑性變形，這是由于塔體器壁應(yīng)力集中的部位熱應(yīng)力過(guò)大的結(jié)果。③改變?nèi)棺屯搀w的焊接結(jié)構(gòu)，搭接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)塔體溫度升高時(shí)，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(jié)構(gòu)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(yīng)力的作用。

3 結(jié)論

由于過(guò)去的焦炭塔采用的材質(zhì)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(yùn)行年限較短，目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的鼓凸變形，這些都需要在以后的運(yùn)行周期內(nèi)進(jìn)一步驗(yàn)證。針對(duì)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的表面裂紋，使用單位已經(jīng)按照《容規(guī)》的要求進(jìn)行了打磨返修，打磨處的剩余壁厚完全滿足強(qiáng)度要求，打磨部位光滑并且圓滑過(guò)渡，側(cè)面傾斜度也不大于1：4，經(jīng)過(guò)重新進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，確認(rèn)缺陷已經(jīng)完全消除。

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