炼油装置焦炭塔失效形式及防范措施

王蕴超

（大庆石化公司炼油厂，黑龙江大庆 163000）

0 引言

实际调查发现，炼油企业在生产过程中会用到各种设备，其中最为重要的就是延迟焦化炼油装置中的焦炭塔。焦炭塔与炼油企业整体的生产效率和质量有着直接关系，但是在运行过程中也会出现各种问题而失效。所以，炼油企业相关工作人员要重视焦炭塔的失效形式，并且结合实际情况采取有效措施进行处理，确保各个生产环节正常开展。

1 焦炭塔的失效形式分析

1.1 塔体失效

通常情况下，我国炼油企业的焦炭塔使用时间较久，这样在其中部和下部容易出现较为明显的鼓凸变形，这种变形最早出现在焦炭塔的底部，随着时间增长焦炭塔上部也会发生一定变形，然而在环焊缝位置的径向会发生较小程度的变形，进而塔体会出现一种类似于糖葫芦状的鼓凸。此外，焦炭塔出现塔体失效的主要原因有4 个，分别是高温蠕变导致的结果、低周热疲劳产生的结果、高温蠕变与低周热疲劳共同作用导致的结果、急冷或急热温差热应力致使局部塑形变形导致的结果。所以，炼油化工装置相关工作人员应充分分析和判断导致焦炭塔出现塔体失效的原因，这样才能结合生产实际来采取有效措施进行处理，进而缓解失效带来的影响。

1.2 裙座失效

从目前情况看来，焦炭塔是延迟焦化炼油装置中最主要的设备之一，装置在运行过程中要承受机械载荷和热载荷循环作用，然而焦炭塔在频繁加热和冷却过程中会与裙座连接的位置出现较大的应力，在长时间的运行过程中就会因强度问题而出现失效，导致焦炭塔出现裂纹缺陷。另外，工作人员在实际维护控制过程中要将焦炭塔裙座结构形式作为关键，焦炭塔主要的破坏形式之一就是低频热疲劳，这种破坏形式主要发生在筒体和裙座之间的连接处，为此筒体与裙座的连接形式也尤为重要。

在通常情况下，筒体与裙座之间连接形式可以分为4 种，分别是一般对接形式、塔接形式、改进型和整体型。其中，一般对接形式虽然在结构方面比较简单，不过较易产生应力集中和裂纹问题；塔接形式也是一种较为简单的结构，在运行过程中产生的裂纹会不断扩展，严重时会导致塔体下沉问题；改进型虽然应力集中系数和产生裂纹的可能性较小，不过在实际制造工艺比较复杂，工作人员需要在焊接环节当中耗费较长时间，在裙座处设置开槽孔不仅可以有效释放应力，而且还能够避免焊缝出现开裂问题；整体型主要采用整体锻件，尽管应力集中系数比较小但在实际制造方面难度很高，在我国应用得比较少。

2 焦炭塔失效形式及防范措施

2.1 对焦炭塔进行科学设计

在制造过程中焦炭塔会用到多种材料，这些材料对焦炭塔整体的运行效果和质量有较大影响，工作人员要对焦化原料性质、塔内操作条件、焦炭塔结构尺寸等方面进行充分分析和考虑，在此基础上合理选择焦炭塔制作材料，以达到预期的制作效果。在操作方面焦炭塔有着较高的要求，不仅要承受较高的温度，而且还要在运行过程中承受冷热循环带来的冲击荷载，所以在焦炭塔材料选择方面尽量选择耐高温性能和缺口裂纹敏感度要求高的材料。当前我国大型焦炭塔的制造材料主要是铬钼钢，它可以确保焦炭塔在较高温度条件下有着较好的机械性能和抗高温蠕变性能。工作人员要结合实际情况来分析和了解，以降低焦炭塔出现径向鼓凸变形的概率。此外，在腐蚀环境中铬钼钢材料有着较小的腐蚀率，且其自身的使用寿命也会得到延长。这种材料能让焦炭塔的壁厚变薄，减小设备整体重量，同时也能减少炼油企业在工程建设方面的资金投入。相关管理人员要对焦炭塔结构设计给予以足够重视，确保工作人员可以按照相关的要求和规定来开展设计，使设计结果与实际情况相符合，这样才能提高炼油企业整体的生产效率和质量。

2.2 焦炭塔裙座结构型式的分析与选择

焦炭塔在运行过程中会承受较多的载荷，如内压引起的薄膜应力、塔内渣油产生的静压力、焦炭塔本体的重力等。一些比较大型的焦炭塔自身重量比较大，成本比较高，为了达到节省材料和降低成本的目的，工作人员一般会选择等强度结构。焦炭塔在生焦和除焦过程中，在温度方面会发生较大改变，高温与低温之间进行不断循环，这样就会导致焦炭塔的内外壁会产生较大的温差，并且也会出现较高的温差应力，进而焦炭塔受到低周热疲劳应力的影响，在一些裂缝处就会出现疲劳开裂现象。为有效避免疲劳开裂现象，工作人员可以选择整体补强型式作为焦炭塔的开口接管。为减小焊缝的几何形状不连续产生的应力集中，对接焊缝可以选择双面V 形或U 形坡口，将焊缝打磨到与母材平齐的位置，进而缓解低周疲劳对焦炭塔塔体的影响。

另外，在周期性循环热应力的作用下焦炭塔失效速度变得越来越快，并且还会导致塔体出现径向鼓凸变形，这样裙座与塔体之间的连接位置就会出现开裂，出现这种问题的主要原因是焦炭塔的温差应力、机械应力、材料等。为此，设计人员在设计焦炭塔结构时要充分分析裙座与筒体连接结构，根据实际情况来来选择相应的结构，以确保裙座与筒体连接处不会出现问题。部分炼油企业在焦炭塔方面采取了整体锻制锥形封头过渡段，这在一定程度上提高冷热交替疲劳荷载状态下焦炭塔在实际运行过程中的可靠性和安全性。与此同时，过渡段锻制结构还可以进一步延长焦炭塔整体的耐疲劳寿命，不过在锻制、组焊、热处理等环节有较高的难度。所以，炼油企业要定期对工作人员开展培训工作，提高他们自身的综合素质和专业知识水平，让他们充分了解先进的技术和设备并在实际工作中充分应用，这样才能提高焦炭塔整体的运行效果。

2.3 落实焦炭塔的制造、检验和使用

焦炭塔采取整体锻制锥形封头过渡段，能够让设备在冷热交替疲劳荷载状态下的运行稳定性与安全性能得到大幅提升，同时延长塔体的使用寿命，不过这也对锻制、焊接、加工、热处理以及运输等工作提出了更高的要求：在制造胎具过程中，初压无需考虑钢板的回弹量，但是整压与精找中务必要考虑回弹量；初压与精找的胎具只作为小尺寸胎具，局部成形，整压胎具属于全尺寸胎具，整体成形；对于胎具作业部位务必要确保其光滑，禁止出现沟槽、毛刺以及棱角等会引起工件表面出现压伤、拉伤等缺陷；在压制过程中，需要将润滑剂均匀涂抹于下胎表面；每个工位压制完毕都均要由两个方向的样板检查一次。

通常焦炭塔塔体都是采取U 形或V 形坡口来处理对接型焊缝，上部球形封头主要分为球瓣与顶圆两部分，其中球瓣主要是拼焊12 块球瓣所得，将其压制成型后对其坡口进行气割打磨，在实际焊接过程中采取其他保护焊的方式来处理基层，因为复层存在弧度所以需要采取焊条焊接来处理。顶圆则主要是通过拼焊两块钢板来获得，顶圆的拼接焊缝经过加工成型。此外，筒节基层一般采取其他保护焊来焊接，采取带极堆焊来处理复层，复合板筒节在曲型前加工环缝坡口，压头前将纵缝坡口部位复层清理干净，压头后需要对出破口进行气割与打磨处理。对于非复合板筒节基层则应当要采取气体保护焊来进行焊接，曲型前加工环缝坡口，压头后对纵缝坡口实施气割，此处的坡口形式与球瓣拼接坡口相同。对于下锥段坡口，需要在成型后实施气割，由于裙座过渡段厚度偏大，所以通常采取窄间隙焊接进行拼接。

在焊接焦炭塔内的铬钼钢焊缝前都要求进行预热，中间还要求采取消氢处理，焊接完毕后需要进行热处理，温度维持时间不得低于2 h。

3 结束语

综上所述，焦炭塔在炼油过程中有着重要作用，为了有效处理其失效形式，管理人员应对其失效形式予以重视，这样工作人员才可以采取有效措施进行处理。另外，相关工作人员还要根据实际情况科学设计和选择焦炭塔的结构和材料，以确保焦炭塔整体的运行达到预期效果。