侍 毅

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院連云港分院）

焦炭塔是延遲焦炭塔裝置的主要設(shè)備。 焦炭塔長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫、充焦和除焦的冷熱疲勞操作條件下，操作條件十分苛刻。 如果焦炭塔出現(xiàn)故障，則延遲焦化整個(gè)工藝流程就無(wú)法進(jìn)行。 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，焦炭塔與裙座連接的環(huán)焊縫最容易出現(xiàn)裂紋，有的裂紋會(huì)穿透整個(gè)焊縫，嚴(yán)重時(shí)甚至造成焦炭塔體與裙座脫開的事 故［1］。

連云港某石化企業(yè)有兩臺(tái)焦炭塔裝置建于2009 年12 月，在2018 年4 月大修期間對(duì)該裝置進(jìn)行定期檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)塔體與裙座連接的環(huán)焊縫存在多處裂紋。 該焦炭塔的檢驗(yàn)周期為6 年，查看上次定期檢驗(yàn)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)裙座與塔體連接處也有多處裂紋。 筆者就焦炭塔裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并根據(jù)成因針對(duì)性地提出改善措施，以確保焦炭塔平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

1 焦炭塔結(jié)構(gòu)及參數(shù)

焦炭塔屬于塔式容器，塔式容器一般直徑較大、高度較高、質(zhì)量較大，普通的支腿難以支撐塔式容器， 而裙座有非常好的承載能力和穩(wěn)定性，因此裙座是塔式容器常見(jiàn)的支撐形式。 焦炭塔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 塔體與裙座的連接一般采用對(duì)接和搭接形式，該焦炭塔塔體與裙座采用的是搭接形式，具體如圖2 所示。

圖1 焦炭塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 焦炭塔塔體與裙座連接形式

焦炭塔的基本參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力 0.35MPa

設(shè)計(jì)溫度 450（上）/475（下）/495（塔底）℃

操作壓力 0.20MPa

操作溫度 450（上）/475（下）/495（塔底）℃

工作介質(zhì) 渣油、油氣、蒸汽、焦炭

塔體材料 15CrMoR/15CrMoR+410S

封頭材料 15CrMoR/15CrMoR+410S

裙座材料 Q345

塔體厚度 30.0/32.0/36.0/22.0mm+3.0mm

封頭厚度 30.0/38.0/24.0mm+3.0mm

容器內(nèi)徑 8 400mm

容器高度 35 340mm

容積 1 700m3

2 焦炭塔檢驗(yàn)情況

2.1 宏觀檢驗(yàn)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢驗(yàn)， 焦炭塔保溫層整體良好，但是下部尤其是裙座附近有部分破損，保溫巖棉裸露在外， 拆除部分巖棉發(fā)現(xiàn)有雨水進(jìn)入的情況。 內(nèi)外表面腐蝕情況良好，塔體未出現(xiàn)變形、鼓包等情況，直線度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 內(nèi)部堆焊層無(wú)龜裂、剝離和脫落現(xiàn)象。 裙座及其基礎(chǔ)未出現(xiàn)下沉、傾斜和開裂情況。

2.2 無(wú)損檢測(cè)

焦炭塔的塔體和裙座材料均為鐵磁性材料，根據(jù)TSG 21—2016 標(biāo)準(zhǔn)中8.3.6 條規(guī)定［2］，鐵磁性材料優(yōu)先采用磁粉檢測(cè)，同時(shí)考慮焦炭塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)情況，焦炭塔塔體與裙座連接處表面缺陷檢測(cè)采用宏觀檢驗(yàn)和磁粉檢測(cè)相結(jié)合的方法， 檢測(cè)設(shè)備為磁粉探傷機(jī) （型號(hào)ZCMDX1203）。 經(jīng)檢驗(yàn)，在裙座與焦炭塔塔體連接的焊縫處發(fā)現(xiàn)多處裂紋且都呈橫向延伸， 長(zhǎng)度在30～300m，其中一條裂紋經(jīng)打磨深度達(dá)20mm，所有裂紋均未損傷到焦炭塔本體。

2.3 壁厚檢驗(yàn)

利用CYGNUS 3+型超聲波測(cè)厚儀對(duì)上下封頭和塔體進(jìn)行測(cè)厚，每塊鋼板測(cè)3 個(gè)點(diǎn)，3 個(gè)點(diǎn)分布在每塊鋼板的上、中、下3 個(gè)部位。 檢測(cè)后與設(shè)計(jì)資料以及上次檢驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，焦炭塔壁厚沒(méi)有明顯減薄， 各位置壁厚均符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 光譜分析

使用直讀式光譜儀對(duì)焦炭塔母材進(jìn)行材質(zhì)分析， 檢測(cè)設(shè)備為美國(guó)尼通XL3t-800 合金分析儀。 結(jié)果表明， 材料化學(xué)成分滿足GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求。

3 理化分析

3.1 硬度檢測(cè)

對(duì)焦炭塔塔體與裙座連接的角焊縫、塔體母材和裙座進(jìn)行硬度檢測(cè)。 檢測(cè)部位的硬度均正常，母材129～150HB，焊縫金屬145～180HB，熱影響區(qū)176～193HB。

3.2 金相分析

裂紋處附件的塔體母材顯微組織為鐵素體和珠光體； 熱影響區(qū)顯微組織為鐵素體和大小不均的珠光體；焊縫顯微組織為鐵素體和珠光體。 金相組織均正常，且未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋和球化現(xiàn)象。

4 焦炭塔裙座環(huán)焊縫裂紋原因分析

分析光譜、金相、硬度檢測(cè)和壁厚檢驗(yàn)結(jié)果可知，焦炭塔沒(méi)有出現(xiàn)脫碳、增碳、球墨化及材質(zhì)硬化等現(xiàn)象，并且也沒(méi)有出現(xiàn)壁厚減薄影響焦炭塔整體強(qiáng)度的情況。 這些裂紋主要是由于塔體與裙座的溫差、相互的變形約束、頻繁加熱冷卻引起的交變熱應(yīng)力及局部機(jī)械應(yīng)力等原因聯(lián)合造成的。

焦炭塔塔體與裙座之間的連接角焊縫焊量很大，堆焊上百遍，十多層焊道，焊縫寬帶有百余毫米［3］。 此外，焦炭塔為現(xiàn)場(chǎng)安裝組焊，現(xiàn)場(chǎng)施焊環(huán)境較為惡劣，盡管能有效改善裙座的總體應(yīng)力水平，但是由于焊縫的熱機(jī)械強(qiáng)度低于母材的熱機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)角焊縫有著較大的剛性約束。 因此在頻繁極度冷熱循環(huán)條件下，焦炭塔裙座與塔體連接焊縫及其附近有著較大的交變熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致了熱疲勞裂紋產(chǎn)生。

保溫層破損也是造成裂紋產(chǎn)生的主要原因［4］。焦炭塔保溫質(zhì)量的好壞，對(duì)減少局部應(yīng)力腐蝕也有極其重要的作用。 當(dāng)保溫層破損，長(zhǎng)期裸露， 尤其在冬季或者下雨下雪等溫度較低的時(shí)候，會(huì)造成塔內(nèi)外溫差劇增，熱應(yīng)力變大，造成塔體變形、焊縫開裂。 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裙座附近的保溫層有修補(bǔ)的痕跡， 而且修補(bǔ)的地方保溫不嚴(yán)密，容易進(jìn)入雨水。

5 安全措施及建議

為了防止焦炭塔裙座與焦炭塔體連接處在使用過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，應(yīng)從設(shè)計(jì)制造安裝、使用管理和檢驗(yàn)維修3 方面著手制定相應(yīng)的安全措施：

a. 設(shè)計(jì)制造安裝方面。 設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)改善焊接結(jié)構(gòu)和保溫措施適當(dāng)降低塔體與裙座之間的溫差，改善焊縫及其附近的應(yīng)力狀況，如裙座與殼體連接部位采用整體鍛焊結(jié)構(gòu)代替堆焊結(jié)構(gòu)。 焦炭塔現(xiàn)場(chǎng)安裝施工過(guò)程中，要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝參數(shù)，控制層間溫度，認(rèn)真做好焊前焊后熱處理，防止冷裂紋的產(chǎn)生［5］。

b. 使用管理方面。 焦炭塔在使用過(guò)程中，確保保溫層的質(zhì)量， 一旦發(fā)現(xiàn)保溫破損或脫落，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。 此外，嚴(yán)格執(zhí)行工藝操作規(guī)程，確保每個(gè)步驟有足夠的時(shí)間，盡量減少溫度的急劇升降，降低溫度梯度，減小熱應(yīng)力。 在日常生產(chǎn)中，企業(yè)應(yīng)認(rèn)真做好定期自行檢查工作，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)壓力表、測(cè)溫儀器和安全閥進(jìn)行校驗(yàn)，防止設(shè)備出現(xiàn)超溫超壓使用的情況。 定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡查，認(rèn)真檢查日常維護(hù)記錄、運(yùn)行記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的異常情況。

c. 檢驗(yàn)維修方面。 對(duì)于檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的裂紋， 應(yīng)打磨進(jìn)行消除， 若打磨后形成的凹坑在TSG 21—2016 標(biāo)準(zhǔn)8.5.4 條允許范圍內(nèi)， 則不影響定級(jí)。 否則，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊或者應(yīng)力分析，合格后方可使用。

6 結(jié)束語(yǔ)

焦炭塔是石化企業(yè)的核心設(shè)備之一，在生產(chǎn)過(guò)程中，焦炭塔裙座與塔體連接處的環(huán)焊縫極易產(chǎn)生橫向裂紋。 裂紋產(chǎn)生的根本原因是保溫層破損導(dǎo)致內(nèi)外溫差所引起的熱應(yīng)力和現(xiàn)場(chǎng)組焊過(guò)程中焊接應(yīng)力聯(lián)合作用產(chǎn)生的。 而企業(yè)對(duì)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題后不能及時(shí)解決是裂紋產(chǎn)生的直接原因。因此，要降低焦炭塔的安全隱患，應(yīng)當(dāng)從焦炭塔的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)組焊安裝及企業(yè)使用管理等多方面著手，對(duì)焦炭塔進(jìn)行全過(guò)程、全方面的質(zhì)量控制，尤其需要關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝、現(xiàn)場(chǎng)施焊、缺陷處理及日常安全檢查等重點(diǎn)環(huán)節(jié)。