大型焦炭塔的设计及其改进

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1、大型焦炭塔的设计及其改进大型焦炭塔的设计及其改进（一） 概述 炼油装置大型化的关键是设备大型化。要实现延迟焦化装置大型化，首先要实现其 核心设备焦炭塔的大型化。在延迟焦化装置中，单塔能力在 50 万吨/年时，其塔直径在 8m 以上。目前世界上最大焦炭塔在加拿大 sumcor 油砂加工厂，直径为 12.2m，高 30m。美国 焦炭塔一般都在 8m 左右，Chevron 公司的帕斯卡戈拉炼油厂的焦炭塔为美国最大的一个焦 炭塔，直径为 8.3m，高 33.5m。 上海石化股份有限公司于 1999 年新上的 100 万吨/年延迟焦化装置，原料为沙特原 油的减渣，含硫量达 4.6%。原设计方案为二炉四塔

2、，焦炭塔规格为DN640021000（mm） 。97 年 9 月经可行性研究审批后，设计方案改为一炉两塔，焦炭塔 直径改为 8400。直径加大后，其材料和结构也必须作相应的改进，为适应延迟焦化装置大 型化的要求，我院和上海石化机械制造有限公司一起，在中国石化集团公司国产化办公室 的支持下，进行了设计和制造技术的攻关。我院结合上海石化股份有限公司 100 万吨/年延 迟焦化装置，设计了 DN8400 的焦炭塔，由上海石化机械制造公司负责试制。该装置于 2000 年 2 月 20 日一次投产成功，实现了“一炉两塔”的新流程。这是目前国内直径最大 的焦炭塔，这一事实证明：国内现有技术能够设计、制造和

3、安装这种特大型设备，可以实 现焦炭塔大型化。DN8400 焦炭塔简图如图 1。 2001 年，我院为上海高桥石化公司炼油厂 140 万吨年设计了两台 8800 焦炭塔。（二） 焦炭塔塔体材质的选择 我们对国内外焦炭塔材质进行了调查研究： 美国石油学会于 1968 年和 1980 年对美国国内焦炭塔的使用状况进行了两次调 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 A285 级） 。 （2） 碳钼钢（例如 A204C 级） 。 （3）铬钼钢（例如 A387B 级） 。图1 焦炭塔简图180032338812100084005720复合钢板 20+39

4、00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。 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， 但性能好、整体价格便宜。 据美国石油学会 1980 年的考察报告表明，最老的焦炭塔是碳钢制的，在六十年代安 装的主要是碳钼钢制的，在七十年代安装的主要是铬钼钢制的（含 1%Mo 和 1 %的 Cr） 见表 1。 表 1 由不同材料制造的焦炭塔的安装安装时间碳钢塔碳-钼钢塔铬钼钢塔1968 年以前122441969 年以后4

5、414总计162818由此可见美国趋向于采用铬钼合金钢。API 1980 年报告同时也指出，生产石墨级 焦炭比生产普通焦炭在焦炭塔壳体上热循环过程中产生的热应力将更大，宜选用 Cr-Mo 钢。 日本爱知县炼油厂的焦炭塔 DN6100，材质为 0.5Mo+SUS405，设计温度 450， 是 1971 年 11 月份制造的。 Mobil 公司 1975 年的设计准则规定：“焦炭塔内壁应是合金钢衬里的” ，其材料 为“碳钢或 1 铬-1/2 钼钢复合有至少为 0.1 英寸厚的 410S 型钢” 。 据 AMOCO 公司介绍，焦炭塔过去也用过碳钢，但寿命只有 10 年。现大部分已 用 Cr-Mo 耐

6、热钢了。 台湾澄隆工程公司根据美国凯洛格公司技术 96 年 11 月份的报价资料表明， 焦炭塔直径为 DN8550，材质为 SA387Gr11-C1.2+SA240-410S，壁厚为 18+3 至 40+3。 凯洛格公司曾规定，原料含硫量0.7%采用 1Cr-0.5Mo 钢。原料含硫量0.7%， 采用 1Cr-0.5Mo 复合 12Cr 板。 印度古吉拉特邦的 2700 万吨年炼油厂有一套 671 万吨年的延迟焦化装置（尚 未投产） ，有 8 台焦炭塔，直径 8840（29 英尺） ，壳体材质为 1 1/4Cr-0.5Mof 410S 复合 板，下部锥体材质为 2 1/4Cr-1.0Mo。 目

7、前国内使用的焦炭塔材质都选用 20g，最长寿命也达 20 年左右，碳钢焦炭塔曾出 现过鼓包变形（俗称“糖葫芦变形” ）和焊缝产生裂纹现象。经修补及专家研究评定后有的 塔仍能使用，积累了很多碳钢焦炭塔的使用经验。焦炭塔选用碳钢的优点是钢板货源充足， 价格低，焊接方便且不需热处理，修补方便。但随着焦炭塔大型化，碳钢已明显不能适应 其要求。因为碳钢钢板厚度已超出允许不热处理的范围，与其使用碳钢进行热处理，还不 如用 Cr-Mo 钢更为经济，更为合理。 对钢材性能分析表明：20g 的最高使用温度为 450，在焦炭塔的操作工况条件下， 长期使用还是有可能产生石墨化现象的。产生石墨化的时间约几万小时。石墨

8、化的结果将 会导致钢材韧性、强度和塑性降低。不少碳钢制焦炭塔使用几年后出现严重变形和少量裂 纹就是例证。而 15CrMoR 是耐热钢，其机械性能大大优于 20g 和 20R，例如：475许用应力：15CrMoR（正火+回火）为 110MPa，而 20R 仅是 41MPa； 47510 万小时持久强 度： 15CrMoR 达 180MPa，而 20R 仅为 59MPa。 就蠕变强度而言，20g 在 400以上即可生产蠕变，450的蠕变极限为 56MPa（此 时相应的蠕变速率为 110-5） 。根据南京炼油厂对焦炭塔塔体的受力分析，膜应力较小， 轴向应力为 10.9 MPa,环向应力为 21.8M

9、Pa；而热应力较大，进油阶段由外壁厚度方向引起 的环向和轴向热应力为 44.8MPa。冷却期间，轴向温差所产生的环向和轴向热应力分别为 80.5MPa 和 24.15MPa（平均值） 。由此可见，热应力和内压产生的应力叠加已超过 56MPa，且在 420以上持续 20 多小时，足以使材料发生蠕变。所以使用 20g 钢板易产生 “糖葫芦”现象。而 15CrMo 钢的 475蠕变极限为 100MPa（相应的蠕变率也为 110-5） ， 几乎是 20g 的 2 倍。如按上述南京炼油厂焦炭塔的应力分析，其热应力和内压产生的应力 叠加亦小于 15CrMo 的蠕变极限 100MPa。由此可见，如选用 15

10、CrMo 钢，焦炭塔发生蠕变 的可能性小得多。 经计算 DN8400 焦炭塔如选用 20g，腐蚀裕度取 6mm，则壁厚为 4270mm；已超 过不热处理的允许范围（38mm） ，由于壁厚太厚，在热循环过程中产生的热应力将很大。 而选用 15CrMoR 钢板则计算壁厚仅 2036mm。操作时产生的热应力也相应较小。 从经济角度上看，若选用 20R 则设备估算重为 380 吨/台，概算投资为 760 万元/台， 而选用 15CrMoR 则设备重仅 200 吨/台，概算投资为 680 万元/台。这样，设备自重减少 180 吨/台，投资节约 80 万元/台。 关于腐蚀状况，据调查，国内碳钢制焦炭塔泡沫

11、段以上部位，腐蚀较为严重，这是 由于 H2S 和 HC1 在气相段腐蚀所造成的。例如： 胜利炼油厂塔-510/3 壁厚从原来的 24mm 减薄至 20mm，薄处已只剩 15mm， （局部 为 12mm） 。目前四塔已被更换。南京炼油厂焦炭塔塔顶曾出现大坑点腐蚀，坑直径达 1030mm，深5mm。出焦口接管管壁由原来的 14mm 减薄至 3mm，以致开裂着火。以 上情况是由于胜利、南炼原料中含硫含酸（硫含量 11.5%）较高造成的。本装置原料油 中，减渣的含硫达 4.6%，腐蚀将更为严重。 根据本装置的特点和经济对比并参考国外的经验，焦炭塔基材应选用 15CrMoR 钢。 根据 1997 年中国

12、石化总公司召开的炼制高含硫原油设备防腐蚀会议（简称青岛防腐 会议）的纪要精神，本塔泡沫层（包括泡沫层以下 200mm）以上采用 15CrMoR+0Cr13A1 复合板。筒体下部采用 15CrMoR。因为其内表面，有一层焦炭层起到了部分保护塔壁作用， 根据国内使用经验，可以不用复合板。 焦炭塔选用国产 15CrMoR 及其复合板有无可能呢？经调查，我们认为是可能的。 该钢种在 1996 年 4 月 5 日发布的 GB6654-1996“压力容器用钢板”中已正式列 入标准。加氢设备中已应用多台。使用证明，我国的 15CrMoR 钢板水平及实物水平已达到 了 ASME“锅炉和压力容器规范”第二篇中

13、SA387Cr12 规定的要求，并取得一定的制造经 验，是目前制造焦炭塔较理想的材料。 目前国内 15CrMoR 钢板生产已成熟，性能基本稳定。舞阳钢厂、武汉钢厂、重庆钢 厂等都能批量生产，为了更安全可靠，我院对钢板提出了一些特殊要求。 P.S 含量要求0.020%而 GB6654 规定 S0.030%，P0.030%。 提高了常温冲击值的要求，+10夏比（V 型缺口）冲击功41J（三个试样平 均值）允许其中一个试样34J。而 GB6654 规定：冲击功31J（三个试样平均值）允许 其中一个试样22J。 这些要求钢厂现都能满足。 2、复合钢板国内也能提供，据对宜宾复合板厂调查，该厂可以提供爆炸

14、复合钢板， 并提供相应的焊接工艺。复层 0Cr13A1 是从瑞典引进的板材。该厂生产的该类复合板已用于制造加氢重整装置的预加氢反应器，其焊接工艺成熟的。 针对焦炭塔的操作特点，人们担心使用复合板是否会产生复层和基层的剥离问题呢？ 经分析是不会产生的，理由是： （1） 复层（0Cr13A1）金相组织是铁素体类型，和基层是一致的，其膨胀系数 也基本一致。（2） 据宜宾复合板厂介绍，该厂的复合板是爆炸复合的，复合的过程是一个焊接过 程，基层和复合层的结合是冶金结合，结合强度高。 根据国标 GB8165-87，轧制复合板的剪切强度 147MPa；而根据 JB4733-1996“压力容器用爆炸不锈钢复合

15、钢板”标准，其爆炸复合钢板的剪切强度 210MPa。 根据使用条件，我们选择 B1级，即复层的贴合率为 100%。 （3） 15CrMoR 壳体根据规范 GB150-89 规定应进行焊后整体热处理，据调查，国 内对于大型设备现场热处理已有了成熟的经验。例如 5 万吨/年丙烯腈反应器的现场热处理， 有关施工单位已积累了不少成功经验。 综上所述，对于大型焦炭塔，其材质选用 Cr-Mo 钢及其复合板是合理的也是可行的。（三） 焦炭塔裙座结构型式的分析与选择低频热疲劳破坏是焦炭塔的主要破坏形式之一，这种破坏主要发生在筒体和裙座的连接处，所以筒体与裙座的连接型式是相当重要的，其基本型式有如下四种：第一种

16、 一般对接型式，见图 2。其结构简单，但易产生应力集中和裂纹。 第二种 搭接型式，见图 3。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 改进型，见图 4、5。应力集中系数较少，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。 第四种 整体型，见图 6，即采用整体锻件，应力集中系数小，疲劳寿命长。但制 造困难。加工这么大的锻件，目前国内尚无条件。 1995 年 ASME 石油化工设备与服务部的一份报告，介绍了对这四种结构的应力分析， 以便进行比较。分析结果表明第四种型式的疲劳寿命最长，第三种型式次之，见下表 2。30图2 焦炭塔裙座连接 一般的对接型式图3 焦炭塔裙座连接搭接型式30图4 焦炭塔裙座连接型式 改进型槽孔顶部30R6图 4 焦炭塔裙座连接型式 改进型图5 裙座开槽孔详图R6BR3截面详图3