提高焦炭塔的可靠性和寿命的措施

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1、提 高 焦 炭 塔 操 作 可 靠 性 延 长 焦 炭 塔 疲 劳 寿命 的 若 干 措 施中 国 石 化 工 程 建 设 公 司 顾 一 天2007 年 11 月 20 号9 1焦 炭 塔 是 延 迟 焦 化 装 置 重 要 设 备 ， 操 作 压 力 约 为 0.1 0.7MPa（ 表 ） ， 操 作温 度 高 达 427 495 ， 生 产 针 状 焦 的 焦 炭 塔 操 作 压 力 达 0.7 0.8MPa， 操 作 温 度达 510 520 。 通 常 操 作 温 度 在 常 温 至 约 500 之 间 变 化 ， 一 般 每 48 小 时 为 一个 操 作 周 期 ， 生 焦 周

2、期 为 24 小 时 ， 焦 炭 塔 反 复 处 于 骤 冷 骤 热 ， 承 受 高 压 水 冲 击 等苛 刻 条 件 中 。 焦 炭 塔 是 炼 油 厂 中 操 作 条 件 最 苛 刻 的 疲 劳 容 器 之 一 。 目 前 为 了 提 高装 置 的 处 理 量 ， 生 焦 周 期 趋 向 缩 短 ， 一 般 为 16 18 小 时 ， 操 作 周 期 为 32 36小 时 。 这 样 对 焦 炭 塔 的 疲 劳 寿 命 提 出 了 更 高 要 求 。焦 炭 塔 的 破 坏 形 式 包 括 ： 裙 座 鼓 包 和 开 裂 、 壳 体 鼓 包 和 开 裂 、 复 层 开 裂 、 腐 蚀和 剥

3、离 。 鼓 包 和 开 裂 是 影 响 焦 炭 塔 完 整 性 和 可 靠 性 的 常 见 因 素 。 焦 炭 塔 每 天 都 在 经受 严 厉 的 热 循 环 、 压 力 循 环 、 和 机 械 循 环 ， 在 这 种 环 境 下 操 作 的 焦 炭 塔 用 不 了 多 久 ，在 其 环 焊 缝 附 近 就 会 鼓 胀 ， 鼓 胀 可 能 引 起 不 可 接 受 的 应 力 直 至 开 裂 。焦 炭 塔 的 开 裂 ， 一 般 来 说 有 以 下 原 因 ：设 计 时 未 考 虑 低 周 疲 劳 和 焦 炭 的 压 应 力没 有 采 用 实 测 的 瞬 时 热 应 力 或 应 力 范 围操

4、作 切 换 和 冷 却 程 序 更 加 苛 刻制 造 过 程 有 缺 点焦 化 的 操 作 周 期 越 来 越 短 （ 10 16小 时 ）原 料 油 性 质 不 同 ， 加 工 更 加 困 难 。焦 炭 塔 的 失 效 发 生 在 不 同 的 操 作 周 期 ， 失 效 的 频 率 随 使 用 年 限 的 增 加 而 增 加 。通 常 发 生 穿 透 性 裂 纹 所 需 要 的 典 型 时 间 间 隔 是 3000 5000周 期 （ 24 36小 时 每一 个 循 环 ） ， 但 是 有 的 炼 厂 报 告 在 使 用 时 间 不 长 的 情 况 下 也 发 生 开 裂 。 正 常 情 况

5、 下 ，如 果 焦 炭 塔 是 首 次 使 用 ， 头 5年 不 应 发 生 鼓 胀 和 开 裂 。 在 发 生 鼓 胀 和 开 裂 的 地 方 ，通 常 会 测 量 到 超 常 大 的 应 力 值 ， 焦 炭 塔 的 轴 向 应 力 和 周 向 应 力 峰 值 分 别 超 过843.7Mpa和 808.5MPa。 平 均 轴 向 应 力 和 周 向 应 力 为 337.4MPa和 281.2MPa。 在 循 环过 程 中 产 生 的 超 常 应 力 将 严 重 影 响 焦 炭 塔 的 寿 命 。有 资 料 介 绍 国 外 某 公 司 建 于 90年 代 的 大 多 数 焦 炭 塔 （ 至 少

6、 8台 ） 4 5年 内 壳体 和 裙 座 就 出 现 穿 透 性 裂 纹 。提 高 焦 炭 塔 的 可 靠 性 ， 延 长 疲 劳 寿 命 是 焦 炭 塔 设 计 、 制 造 、 操 作 等 各 方 面 所 追2求 的 共 同 目 标 ， 目 前 世 界 各 国 都 在 为 此 研 究 开 发 各 项 新 技 术 。 根 据 对 国 内 外 焦 炭 塔成 熟 的 新 技 术 的 调 查 ， 一 般 采 取 以 下 措 施 ：一 、 提 高 焦 炭 塔 塔 体 材 质美 国 石 油 学 会 于 1968 年 、 1980 年 和 1996 年 对 美 国 国 内 外 145 台 焦 炭 塔 的

7、使 用 状 况 进 行 了 三 次 调 查 研 究 ， 并 提 出 了 报 告 。 报 告 表 明 ， 美 国 用 于 制 造 焦 炭 塔 的材 质 主 要 有 三 种 ：（ 1） 碳 钢 （ 例 如 A285C 级 ） 。（ 2） 碳 钼 钢 （ 例 如 A204C 级 ） 。（ 3） 铬 钼 钢 （ 例 如 SA387 Gr.11） 。用 碳 钢 制 造 的 焦 炭 塔 已 使 用 多 年 ， 其 优 点 是 制 造 容 易 ， 对 于 小 直 径 的 塔 ， 价格 便 宜 ， 投 资 省 。 缺 点 是 耐 热 强 度 低 ， 易 变 形 ， 焊 缝 易 开 裂 ， 维 修 费 用 高

8、。用 碳 钼 钢 的 优 点 是 耐 热 强 度 稍 高 ， 但 制 造 较 复 杂 ， 需 要 整 体 热 处 理 。用 铬 钼 钢 ， 耐 热 强 度 更 高 ， 抗 腐 蚀 性 好 ， 尽 管 制 造 也 有 一 定 难 度 ， 需 要 热 处 理等 ， 但 高 温 性 能 好 、 疲 劳 寿 命 较 长 。通 常 铬 钼 钢 焦 炭 塔 最 早 产 生 穿 透 裂 纹 的 时 间 为 12 年 ； 碳 钼 钢 焦 炭 塔 为 8 年 ；碳 钢 焦 炭 塔 只 有 7 年 。据 1996 年 API 调 查 ， 1950 1959 年 ， 大 量 采 用 碳 钢 和 C Mo 钢 。19

9、80 1997 年 大 量 使 用 Cr-Mo 钢 。 Cr Mo 钢 中 常 用 的 是 1Cr-1/2Mo、 1 1/4Cr-1/2Mo-Si 和 2 1/4Cr-1Mo 钢 ， 从 1970 年 以 后 ， Cr-Mo 钢 塔 的 数 量 不 断 增 加 ， 尤其 是 1 1/4Cr-1/2Mo-Si 钢 塔 增 加 很 快 。 因 为 1 1/4Cr-1/2Mo-Si 钢 和 1Cr-1/2Mo钢 相 比 ， 许 用 应 力 高 ， 对 缺 口 敏 感 性 小 ， 耐 热 性 更 好 。 见 表 1：表 1 焦 碳 塔 所 用 不 同 钢 材 的 性 能 比 较材料 1Cr-1/2Mo

10、 1 1/4Cr-1/2Mo-Si 注许用应力 475(Mpa) 107 116 按 ASME VIII 篇第一分篇高温屈服强度 475(Mpa) 176.5 185.5 按 ASME II 篇 D 分篇1Cr-1/2Mo 钢 主 要 是 珠 光 体 组 织 而 1 1/4Cr-1/2Mo-Si 钢 主 要 是 贝 氏 体 组 织 ，后 者 钢 板 二 分 之 一 厚 度 处 的 冲 击 值 更 高 且 稳 定 。3API 调 查 指 出 ： 新 塔 的 材 料 选 择 趋 向 于 提 高 Cr-Mo 合 金 元 素 的 含 量 。 例 如 采用 2 1 4Cr-1.0Mo 钢 ， 因 为 它

11、 具 有 更 高 的 屈 服 强 度 、 蠕 变 强 度 和 抗 蠕 变 疲 劳 能 力 ，因 而 能 更 好 的 抵 抗 热 循 环 。 为 了 进 一 步 提 高 焦 炭 塔 寿 命 ， 美 国 已 开 始 采 用 2 1/4Cr-1Mo 钢 ， 例 如 福 斯 特 惠 勒 （ Foster-Wheeler） 公 司 为 印 度 信 诚 石 油 公 司（ Reliance Petroleum Ltd） 设 计 的 直 径 29 英 尺 的 焦 炭 塔 下 部 锥 体 采 用 2 1/4Cr-1Mo 钢 ， 上 部 壳 体 采 用 1 1/4Cr-1/2Mo-Si 钢 。 据 资 料 介 绍

12、 ， 美 国 目 前 正 在研 究 采 用 含 3 Cr 钢 制 造 焦 炭 塔 。我 国 的 15CrMoR相 当 于 1Cr-1/2Mo钢 ， 14Cr1MoR相 当 于 1 1/4Cr-1/2Mo-Si 2类 钢 。 15CrMoR钢 比 碳 钢 （ 20R） 有 明 显 的 优 越 性 ， 见 表 2。 而 且 15Cr1MoR钢 板 ，生 产 成 熟 ， 性 能 稳 定 ， 已 被 列 入 国 标 GB6654 1996 压 力 容 器 用 钢 板 ， 舞 阳 钢厂 、 武 汉 钢 厂 等 都 能 批 量 生 产 ， 所 以 自 2000年 我 国 第 一 台 15CrMoR焦 炭

13、塔 投 产 以来 ， 焦 炭 塔 大 量 采 用 15CrMoR， 也 有 不 少 焦 炭 塔 已 采 用 了 14Cr1MoR， （ 见 表 6） 。表 2 15CrMoR与 20R性 能 比 较钢号性能 15CrMoR 20R475许用应力MPa 110 41475十万小时持久强度MPa 180 59蠕变强度 MPa 100（475） 44（450）二 、 改 进 裙 座 结 构焦 炭 塔 是 一 个 承 受 热 循 环 和 机 械 循 环 的 压 力 容 器 ， 在 可 预 见 的 将 来 ， 由 于 经 济上 的 原 因 ， 加 热 和 冷 却 速 度 还 将 提 高 ， 这 类 循

14、环 操 作 将 在 塔 裙 中 产 生 比 较 高 的 应 力 。焦 炭 塔 疲 劳 开 裂 的 激 发 和 扩 散 是 由 焦 化 过 程 热 循 环 操 作 特 性 导 致 的 。 尽 管 比 较 好 的设 计 能 使 这 些 开 裂 降 到 最 小 。 但 是 不 管 在 什 么 地 方 ， 这 些 塔 使 用 1 10 年 都 可 能发 生 开 裂 。 在 API 调 查 的 焦 炭 塔 中 ， 有 约 1 2 的 塔 在 靠 近 塔 裙 壳 体 连 接 处 的塔 裙 发 生 开 裂 ， 开 裂 常 常 发 生 在 塔 裙 壳 体 连 接 结 构 附 近 ， 由 于 其 对 流 和 辐

15、 射 传 热面 积 较 大 ， 通 常 要 经 受 比 较 大 的 温 度 梯 度 。4设 计 焦 炭 塔 的 难 点 之 一 是 塔 裙 的 设 计 。 原 因 是 它 不 仅 需 要 足 够 的 强 度 才 能 支 撑设 计 负 荷 条 件 下 的 壳 体 ， 同 时 还 要 求 其 径 向 有 较 好 的 柔 韧 性 ， 以 便 避 免 热 应 力 的 影响 。 经 研 究 表 明 ， 壳 体 和 裙 座 之 间 的 连 接 细 节 是 非 常 重 要 的 ， 好 的 塔 裙 设 计 能 够 大大 延 长 其 使 用 寿 命 。筒 体 与 裙 座 的 连 接 方 式 有 如 下 四 种

16、：第 一 种 一 般 对 接 型 式 ， 其 结 构 简 单 ， 但 易 产 生 应 力 集 中 和 裂 纹 。第 二 种 搭 接 型 式 ， 其 结 构 简 单 ， 但 易 产 生 应 力 集 中 和 裂 纹 ， 裂 纹 扩 展 后 将会 造 成 塔 体 下 沉 的 严 重 后 果 。第 三 种 堆 焊 型 ， 应 力 集 中 系 数 较 小 ， 产 生 裂 纹 的 可 能 性 小 ， 但 制 造 较 复 杂 ，焊 接 工 作 量 较 大 。 裙 座 开 槽 孔 （ 即 膨 胀 缝 ） ， 有 利 于 应 力 释 放 ， 防 止 焊 缝 开 裂 。 但槽 孔 处 易 开 裂 。第 四 种 整 体 型 ， 即 采 用 整 体 锻 件 ， 应 力 集 中 系 数 最 小 ， 但 制 造 难 度 较 大 ，成 本 高 。1995 年 ASME 石 油 化 工 设 备 与 服 务 部 的 一 份 报 告 ， 介 绍 了 对 这 四