延迟焦化装置焦炭塔典型损伤机理分析及修复！

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摘要：焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备,对焦炭塔进行科学有效的定期检验,保障其长期安全稳定的运行是炼油厂取得高收益的前提。由于工作条件复杂恶劣,焦炭塔普遍存在着焊缝裂纹、开裂、鼓凸,甚至塔体变形等问题。采用内外部表面检查、壁厚和硬度测定、金相检验、无损检测及三维激光扫描等方式对焦炭塔进行全面内检,发现焦炭塔存在筒体环焊缝开裂、鼓凸和接管焊缝裂纹等损伤。通过对焦炭塔设备结构和工艺特点、生焦周期及定期检验等研究分析,认为操作温度的剧烈变化、生焦周期缩短及未有效定期内检是产生内部缺陷的主要原因。通过补焊、消氢和焊后热处理等工序,缺陷得到有效修补,返修后装置运行良好,为焦炭塔长周期运行打下了良好基础。

关键词： 延迟焦化; 焦炭塔; 损伤; 机理分析

焦炭塔是炼油厂延迟焦化装置的关键设备。长期在常温至490 ℃的周期交变温度和循环载荷下运行,塔内介质由气态到液态至固态,工作环境复杂恶劣,致使焦炭塔在运行若干年后普遍存在损伤。2021年大检修通过对焦炭塔内外部进行表面检查、壁厚测定、超声检测、硬度测定及金相分析等工作,发现焦炭塔内部筒体存在鼓胀,筒体环焊缝开裂,部分接管有焊缝裂纹等问题,该研究主要对焦炭塔进行损伤机理分析,并提出了相应的防范措施,为装置长周期安全生产提供保障。

1 焦炭塔的设备结构和工艺流程

1.1 设备结构介绍

焦炭塔C2101规格为φ8 800 mm×38 764 mm,容积为1 907 m3,总质量2 647 267 kg,介质为渣油、油气、焦炭及冷焦水。设计压力为0.35 MPa,设计温度为450～495 ℃,工作温度为450～495 ℃。焦炭塔结构由顶部封头、筒体、底部封头、裙座及附属管线组成。顶部封头为椭圆形封头,材质为14Cr1MoR+410S;底部封头为锥形封头,材质为14Cr1MoR。壳体由5组筒体组成,筒体1和筒体2材质为14Cr1MoR+410S, 厚度分别为25 mm和27 mm,长度分别为5 m和7.5 m;筒体3、筒体4、筒体5选用14Cr1MoR,厚度分别为30 mm,32 mm和36 mm,长度分别为7 m,5 m和 2.5 m。筒体2和筒体3之间为过渡段,过渡段采用分片锻造后焊接成型,整体经热处理制造。裙座分两段,材质为14Cr1MoR和16MnR,附属管线包括顶部大油气线、上进料线、消泡剂线、安全阀出口线、除焦口线、底部进料线及底部排焦口线。焦炭塔保温采取整体背带式保温,见图1。

图1 焦炭塔示意

1.2 工艺流程

延迟焦化工艺流程是间歇-连续的加工工艺[1],通常采用1个加热炉和2个焦炭塔,原料油和循环油一起从分馏塔底抽出,用加热炉进料泵输送至加热炉中,在加热炉中经过对流段和辐射段,在加热炉中快速升温至490 ℃后,通过四通阀进入焦炭塔底部,原料油在焦炭塔中发生裂解和缩合反应,裂解产生的轻烃和油气进入分馏塔,缩合反应产生的焦炭聚集在焦炭塔中,焦炭塔生焦周期20 h,循环交替地进行生焦和预热、切塔、冷焦及除焦等操作[2],工艺流程如图2所示。

图2 延迟焦化工艺流程示意

2 焦炭塔检验情况

2台焦炭塔按照《固定式压力容器定期检验规则》进行检验。采用FARO Focus S150三维激光扫描仪对2台焦炭塔进行初步扫描检查,同时采用壁厚测定、渗透检测(PT)、磁粉检测(MT)、超声检测(UT)、金相检验及硬度检验等手段对2台焦炭塔进行检验,具体检验内容包括裙座角焊缝全部磁粉检测、内表面上封头环焊缝和纵焊缝抽取20%做渗透检验,过渡段环焊缝和纵焊缝全部做渗透检测,筒体3、筒体4环焊缝和纵焊缝抽取20%做磁粉检验,锥段内表面环焊缝和纵焊缝全部做渗透检验,抽取部分基材、热影响区、焊缝进行金相检验,抽取部分母材、焊缝和热影响区进行硬度检验。

2.1 焦炭塔C2101/A检验情况

焦炭塔C2101/A内部宏观检查发现锥段、筒体3、筒体4、筒体5内部基本无焦粉,筒体2、筒体1内部焦粉呈不连续状,上封头处焦粉呈块状。筒体3上环焊缝B7,B8,B9均有开裂,其中B7开裂深度约2 mm,开裂长度约12 mm;环焊缝B8几乎整圈开裂,开裂长度约23 m,最深处约12 mm;环焊缝B9开裂长度约15 m,深约5 mm。筒体4、筒体5有多处鼓包变形,三维激光扫描仪扫查发现变形严重的位置和实际发现的位置一致,锥段内部北侧有两处凹坑最深约5.0 mm。大油气及安全阀管线角焊缝打磨过程中发现有断续裂纹。

渗透检测发现过渡段环焊缝B6有多处线性缺陷,最长约3 600 mm, 对筒体内部开裂处进行测厚,未发现异常;开裂部位焊缝硬度为228～245 HB,未开裂焊缝部位硬度为190 HB。测试部位金相组织结构正常。

2.2 焦炭塔C2101/B检验情况

焦炭塔C2101/B内部宏观检查发现筒体3内部环焊缝B9,B8,B7,B6均有开裂,其中B9和B6开裂深度约2 mm,少部分开裂;B7开裂长度约20 m,裂纹不连续,深约5 mm;B8开裂长度约15 m,裂纹不连续,深约5 mm。焦炭塔C2011/B内部缺陷示意见图3。宏观检验发现下锥段从下至上第一道环焊缝至第二道环焊缝西北侧有多处机械划伤,最深约4 mm。磁粉检测发现大油气线接管角焊缝整圈存在断续裂纹。

图3 焦炭塔C2101/B内部缺陷示意

图4 焦炭塔筒体3塔壁温度曲线示意

对筒体内部开裂处进行测厚,未发现异常,开裂部位焊缝硬度在217～234 HB,未开裂焊缝部位硬度值在187 HB左右。测试部位金相组织结构正常。

3 损伤机理分析

两台焦炭塔C-2101/A和C-2101/B于2007年6月投用,属于第二类压力容器,设计使用寿命为20 a,循环使用次数7 300次。依据2013年焦炭塔检验报告,焦炭塔C-2101/A,C-2101/B安全状况等级定为2级,未发现影响设备正常使用的缺陷,焦炭塔C-2101/A锥段从下至上第4条纵焊缝东北侧有一长约20 mm的裂纹,裂纹均已打磨消除,故2016年大检修未对焦炭塔进行有效检验,2020年将焦炭塔检验改为RBI 评估,仅对焦炭塔外部进行局部测厚,未对焦炭塔内部进行有效检验。

3.1 筒体环焊缝开裂

焦炭塔容易开裂部位包括裙座与塔体的焊接处、筒体环焊缝、复合层焊接处,塔体失效形式为下部筒体的鼓凸变形和焊缝开裂[3-4]。焦炭塔C-2101/A,C-2101/B筒体环焊缝开裂部位均是在筒体3区域,开裂部位集中在过渡段B6下方,距离上封头18 m左右,开裂方向呈环向。

焦炭塔筒体3区域厚度t=30 mm,半径R=4.4 m。根据薄壁圆筒和厚壁圆筒定义可知[5]:t/R=0.03/4.4<0.1,该区域为薄壁圆筒。

对焦炭塔自重和内压进行应力分析,焦炭塔主体和附件质量G=2 647 267 kg,直径d=8.8 m,裙座厚度h=26 mm,自重产生的内压应力为:

(1)

焦炭塔气密最大压力P=0.25 MPa产生的薄膜应力:

轴向应力

(2)

周向应力

(3)

14Cr1MoR材料屈服强度随温度变化曲线见图5。由图5可知,自重和内压产生的应力远远在屈服强度之下。焦炭塔筒体内部温度由温度循环60 ℃到450 ℃,再冷却至60 ℃,长期反复冷却和加热,形成温差应力。根据相关文献[6-7]同种规格,运行参数一致的焦炭塔有限元热应力分析结果可知:温度梯度所产生的热应力远大于焦炭塔质量和介质产生的应力,同时大于内压产生的薄膜应力。过渡段在不同生焦阶段中热应力最大[8],焦炭塔C2101/A过渡段焊缝线性开裂很好地证明了过渡段是热疲劳破坏的最危险部位。同时在焦炭塔生焦周期内,给水冷焦阶段,焦炭塔内部温度迅速降低,筒体热应力值最大,焦炭塔塑性应变也最大。

图5 14Cr1MoR屈服强度随温度变化曲线

从生焦周期方面分析,焦炭塔设计生焦周期为24 h,全年经历365次循环使用,2013年节能优化改造生焦周期为22 h,2016年生焦周期变为 20 h,生焦周期缩短,导致各工序时间缩短,循环使用次数从365次提高至438次,自2007年投用至今累计使用5 574次,比24 h生焦周期累计多使用664次。使焦炭塔温差应力变化加剧,导致筒体环焊缝及焊缝热影响区受交变热应力的作用,产生热疲劳裂纹,随着时间的变化逐步转变为开裂。筒体3上B6为过渡段环焊缝,内表面衬里焊缝开裂,是由于焦炭塔已累计使用14 a,衬里与基材热膨胀系数不同,导致焊缝开裂。

从2017年开始,焦炭塔C2101/B披挂式保温整体下坠,多处发生破损开裂,局部存在超温现象。因保温结构施工周期长,一直未进行有效更换,导致热应力加剧。

3.2 筒体局部鼓胀变形

焦炭塔C2101/A筒体3区域内有鼓胀变形,变形和鼓胀位置在进料方向的相对侧,焦炭塔下部进料从侧面进入,侧面进料会造成加热不均匀,所引起的热应力也会促使塔体变形,鼓胀加剧。焦炭塔正常操作时,塔壁温度变化复杂,引起的应力也非常复杂,筒体内部温度由450 ℃降至60 ℃,由于温度逐渐降低,塔壁和石油焦均有收缩,但石油焦收缩较塔壁小,同时由于焦炭塔的约束,筒体不能自由伸缩[9]。温差应力是影响焦炭塔安全运行的主要应力,如果温差应力超过该材料下的屈服强度,会引起塔壁的局部塑性变形,同时周期性的压力波动也会影响塔体的变形,长期反复循环,将会出现“热棘轮现象”,导致焦炭塔塔壁鼓胀变形。

3.3 接管裂纹

焦炭塔C2101/A,C2101/B接管外部角焊缝处均有不同程度的裂纹,宏观发现A塔发生在塔顶大油气线和安全阀管线外部焊缝处裂纹呈龟裂状,裂纹断续且宽;B塔发生在塔顶大油气线外部焊缝处裂纹长且连续,渗透检测发现两处裂纹分支少,以穿晶扩展为主,裂纹区域硬度均为190～210 HB。根据裂纹形貌和检测结果,可以分析出热疲劳引起的表面裂纹。焦炭塔上部管线采取整体补强结构,不在塔体上焊接附件,则可以降低因热疲劳形成的裂纹。

4 修 复

焦炭塔修复前首先对损伤缺陷部位进行具体定位,用砂轮打磨内部缺陷部位直至呈现金属光泽,内部缺陷杂物清除24 h后,对坡口表面进行PT检测,合格后进行补焊前的预热,预热采用电加热履带,温度控制在225 ℃左右。补焊过程选用低氢型焊接材料R307BL,焊接电压为22 V,焊接电流为95～140 A,焊接速度为6～14 cm/min,补焊后立即进行焊后消氢处理,消氢处理工艺选择300～350 ℃,时间为4 h,避免产生延迟裂纹。消氢处理后进行局部消除应力热处理,温度控制在690 ℃,热处理完成24 h后,再次对损伤缺陷部的母材、焊缝、热影响区部位进行渗透检测、超声检测以及硬度检测,硬度检测值不大于225 HB为补焊合格。

5 结 论

焦炭塔筒体环焊缝开裂,筒体局部鼓凸变形,接管焊缝发生裂纹等损伤是工艺生焦周期缩短,温度梯度所产生的热应力,焦炭塔未有效进行定期检验工作等多种原因导致。检修期间通过预热、补焊、消氢和焊后热处理等工序,对发现的缺陷进行了有效修复,返修后两台焦炭塔目前运行良好。为了减缓焦炭塔运行中出现的各种损伤和缺陷,应该做好焦炭塔的定期检验工作,根据检验结果预测损伤发展趋势;确定焦炭塔的生焦周期,优化日常工艺操作,特别是优化升温和冷却速率,以减少疲劳损伤和裂纹扩展,防止生焦周期偏短导致热应力过大;保证塔体保温完整性,避免因保温破坏引起的塔体温度降低,导致筒体内部热应力水平升高;对发生的典型损伤模式建立长效抽查检验机制,完善积累检验数据,保证焦炭塔长周期安全平稳运行。

张塞

【作者机构】 中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司

【来    源】 《石油化工腐蚀与防护》

为了提升石化行业本质安全，保障石化企业“安稳长满优”运行，解决设备运行与检维修“卡脖子”技术热点、痛点、难点问题，提高石化企业设备管理完整可靠性，设备智能化运维、预知性维修和检维修水平，引领我国石化智慧运维与检维修行业发展新质生产力，在中国石油、中国石化、中国海油、中国中化、国家管网、国家能源、延长及地方石油、天然气、LNG、管道、炼油、石化、煤化工、化工、精细化工、新材料企业设备管理部门的大力支持下，中国化工学会拟于2026年6月10-12日在陕西西安举办“2026年（第七届）石油化工设备智慧运维与检维修技术大会暨展览会”（IOMT CHEM 2026）。

大会将紧紧围绕“加快构建现代化石化产业智慧运维体系·AI驱动预测性维护实现新跨越”主题，推广应用新技术、新方法、新成果和新产品，共商当前设备管理与检维修中管理和技术方面堵点、难点、痛点的解决对策，防风险、除隐患，通过提升石油化工领域设备的安全运维水平，确保装置长周期安全稳定运行，助力行业可持续发展。遏制生产安全事故，为我国石化设备运维管理水平迈向国际化提供借鉴。特此通知，诚挚欢迎积极参加。

??????如有计划联合主办、协办大会、专题推广以及展位宣传的企业请及时咨询：马工15101023809

大会主题

加快构建现代化石化产业智慧运维体系·AI驱动预测性维护实现新跨越

大会组织机构

主办单位

中国化工学会

特邀协办

西安交通大学

中国石油长庆油田分公司

中国石油兰州石化分公司

中国石油长庆石化分公司

陕西延长石油（集团）有限责任公司炼化公司

天华化工机械及自动化研究设计院有限公司

中国化工学会化工安全专业委员会

中国化工学会化工机械专业委员会

中国化工学会智能制造专业委员会

中石研石化设备安全运维专家服务（中心）专业委员会

中机维协石油石化建安检维修分会

中国石化集团石油化工设备防腐蚀研究中心

中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心

特邀单位

中国石化生产经营管理部

中国石油生产经营管理部

中国石油炼油化工和新材料分公司

中国石化炼油事业部

中国石化化工事业部

中海石油炼化有限责任公司

中化能源股份有限公司

国家能源投资集团有限责任公司化工事业部

国家能源集团中国神华煤制油化工有限公司

国家石油天然气管网集团有限公司生产部

陕西延长石油（集团）有限责任公司生产经营部

中国石油青海油田分公司

中国石油宁夏石化分公司

中石化安全工程研究院有限公司

中国石油庆阳石化分公司

陕西煤业化工集团有限责任公司

中煤陕西能源化工集团有限公司

陕西渭河煤化工集团有限责任公司

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司

宁夏宝丰能源集团股份有限公司

支持单位

中国石油天然气集团有限公司

中国石油化工集团有限公司

中国海洋石油集团有限公司

国家石油天然气管网集团有限公司

中国中化控股有限责任公司

国家能源投资集团有限责任公司

陕西延长石油（集团）有限责任公司

特别支持

全国化工自动化及仪表信息站

全国化工防腐蚀信息站 

全国化工机械及设备信息站

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会议重点研讨内容

1.国内外石油化工装置大型机组检维修发展现状与展望；

2.老旧装置超设计使用年限服役承压设备管理对策与思考；

3.石油化工装置机泵在线监测系统、预知性维护技术；

4.石化化工企业转动设备维护检修及节能改造升级技术；

5.特种机泵：螺杆机、真空压缩机、屏蔽泵等检修运维技术；

6.石油化工设备润滑要求、机组润滑系统运行及管理；

7.石油化工装置法兰密封结构安装与维修技术；

8.炼油化工装置烟气轮机长周期运行管理；

9.石油化工装置耐高温防腐防护和防火技术；

10.液压工具、法兰扭矩及法兰连接完整性管理；

11.风机、离心泵、各类压缩机等大型机组优化增效节能改造；

12.石油化工电气、仪表设备全寿命周期管理；

13.现场仪表、控制阀、泄压阀、安全阀、阻火器、爆破片、过程分析仪表、DCS、FCS等检修运维技术；

14.石油化工装置隐患治理、泄漏治理，大型在役老旧装置的升级改造；

15.石化罐区系统安全与VOCs一体化风险管控技术；

16.数字赋能设备全生命周期管理及智能巡检机器人应用、运维数字化转型、无人化升级方案，智能检修升降设备、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；

17.可燃、有毒等挥发性气体、挥发性有机物的泄露监测、气体探测传感器的应用；

18.露天设施的雷电预警技术、防雷接地技术、静电接地技术应用；

19.储罐隐患治理与改造提升之检验标准应用（储罐区技术改造、新型浮盘、原油储罐安全预警、安全阀、紧急泄压阀设计选型、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、罐顶腐蚀、爬壁机器人、油罐浮盘密封等）；

20.炼油化工装置大型机组核心部件修复再制造；

21.石油天然气输配管网完整性管理与抢检修技术；

22.液化天然气（LNG）储运运营管理与设备维护技术；

23.煤化工设备运行安全与检维修技术；

24.油气田地面工程数字化安全与设备检维修技术；

25.泵设备助力石化化工领域节能新工艺的技术探讨；

26.设备智慧运维与检维修新设备、新技术、新材料在石油化工领域的应用。

会议日程安排

6月11日：开幕式及全体大会，特邀院士、领导、专家主旨演讲；

6月12日：全天分论坛。

分论坛一：石化企业转动设备智慧运维与检维修技术论坛；

分论坛二：石化设备润滑与装置节能降碳改造论坛；

分论坛三：石化企业腐蚀防护与管道罐区安全技术论坛；

分论坛四：石化设备健康体系建设与自愈调控修复论坛。

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会议拟邀请代表

中国石化、中国石油、中国海油、国能集团、中化集团、国家管网、陕西延长、民营炼化企业及煤化工、罐区、码头、化工、氯碱、纯碱、磷肥、轮胎、精细化工生产企业设备部门管理与技术人员及工程建设公司、石化设备制造企业、检维修服务企业管理与技术人员和相关技术研究机构、大专院校等单位的科研与技术人员参加会议。

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