焦炭塔的失效原因分析及延寿技术研究进展

陆 怡， 卫渊钊， 魏安安， 刘犇欢， 甘刘意， 王园春

(常州大学 机械与轨道交通学院， 江苏 常州 213164)

焦炭塔是炼油厂延迟焦化工艺中的核心设备，也是操作环境最为苛刻的化工设备之一[1]。焦炭塔在运行过程中，不仅要承受工作压力的周期性变化，而且要承受温度的周期性变化，所以焦炭塔经常发生焊缝开裂，壳体的鼓胀、倾斜、变形等形式的失效。焦炭塔还具有造价高、对生产装置连续运行影响大等特点。因此，在出现上述损伤或失效时，一般不会轻易将其报废、更换，而是进行失效原因分析和损伤程度评价，然后进行适当、合理地现场修复，延长其使用寿命。

为了延长焦炭塔使用寿命，国内外研究人员一直不懈地进行焦炭塔失效原因研究，提出了一系列抑制焦炭塔失效的方法、措施，对延长焦炭塔的运行周期与使用寿命具有重要意义。

1 焦炭塔操作工艺

焦炭塔工作状况为周期性间歇生产，在一个完整的生产周期内要经历生焦(包括试压、预热、生焦)、除焦(包括小量吹气、大量吹气、蒸汽冷却、放水、除焦、冷却)2个阶段。各企业每个生产周期的总时间为22～48 h，总时间越长，容器的寿命越长，但生产效率越低。江苏某石化公司的每个生产周期为48 h，其中生焦时间为24 h，除焦时间为24 h，介质最高工作温度为503 ℃。

图1 焦炭塔操作工艺温度图Fig.1 Operating process temperature diagram of coke tower

首先对焦炭塔进行蒸汽试压，保证焦炭塔密闭性，再从焦炭塔塔顶通入高温油气，对焦炭塔进行预热。油气预热结束后，从塔底进料管通入440～500 ℃ 混合油进行生焦。结束后由塔底进料管通入高压蒸汽，将塔内油气全部吹出。随后从塔底进料管注满高速冷却水，静置冷却。打开底部封头，放出冷却水，并运用高压水射流将焦炭全部切碎排出，然后进行下一个循环。焦炭塔操作过程中塔内温度如图1所示。

2 焦炭塔失效原因分析

由于焦炭塔在运行过程中，反复承受操作温度、操作压力的周期性变化及除焦时冷水冲击引起的温度变化，致使焦炭塔在使用一定时间后会发生开裂、鼓胀、变形等形式的失效和损伤。国内外研究者从多方面、多角度、多学科展开了研究。

从20世纪50年代开始，美国石油协会(America Petroleum Institute，简称API)就焦炭塔的失效情况进行了3次比较全面的调研。第1次调研报告指出，碳钼钢焦炭塔比碳钢焦炭塔更容易发生脆化和破裂，但是碳钼钢焦炭塔发生鼓凸程度比碳钢焦炭塔小；焦炭塔的裂纹主要产生在骤冷或骤热阶段。第2次调研报告指出，将焦炭塔的材料改为Cr-Mo钢后，壳体产生的裂纹比例与之前相比降低了很多。第3次调研报告指出，焦炭塔操作参数对其寿命的影响远远大于结构、材料或其他设计参数；同时也发现焦炭塔的失效部位基本上集中在壳体、下封头与裙座之间连接的环焊缝上及附近部位，其中壳体膨胀占61%，壳体环焊缝开裂占97%，裙座与封头连接处的环焊缝开裂占78%[2-4]。焦炭塔常见的焦炭塔失效形式有：壳体与裙座的焊缝开裂、壳体鼓胀变形、焦炭塔壳体结构变形。

2.1 壳体与裙座连接部位的开裂

焦炭塔的壳体与裙座连接部位受力比较复杂，所以在此部位经常发生开裂。壳体与裙座连接部位的裂纹既有从内表面萌生，也有从外表面萌生，这些裂纹有环向、轴向、甚至不规则的开裂，其中对焦炭塔影响最大的还是环向裂纹。

研究者认为焦炭塔在运行期间反复承受剧烈的温度循环变化，轴向的热应力远远大于环向的热应力，从而导致裙座的膨胀低于壳体膨胀，并在连接处出现热应力集中，最终导致裙座处出现裂纹[5-9]。文献[10-13]认为裙座产生裂纹的主要原因是焦炭塔在使用过程中反复承受的热-机械疲劳载荷的作用，并提出在裙座上增加膨胀缝、增设外壁蒸汽盘管可以有效延长焦炭塔的使用寿命。张邵良等[14]基于正交试验方法和数值模拟就焦炭塔裙座上开柔性槽做了详细的研究，最终得出在裙座上开柔性槽可以降低裙座焊缝上的应力，但是柔性槽上端圆孔处会产生很大的应力集中。

综上所述，导致焦炭塔的焊缝发生开裂、变形的主要原因是在焦炭塔频繁的升温、降温过程中，由于壳体与裙座之间存在较大的温度梯度，壳体的膨胀变形量大于裙座的变形量，因此在焦炭塔裙座焊缝附近会受到很大的交变热应力延长，随着运行周期延长，最终导致壳体与裙座处产生裂纹。

研究认为，壳体与裙座连接的环焊缝部位开裂的主要原因，除了上述原因外，还有整个壳体震动所产生的波动性应力，这种应力的波动幅度小，但是频率高，因此它所产生的疲劳破坏作用不可小觑。

2.2 壳体鼓胀变形

图2 焦炭塔“葫芦状变形”示意图Fig.2 Schematic diagram of “gourd shaped deformation” of coke drum

焦炭塔的鼓胀变形是指壳体某个或多个部位的直径明显变大，沿圆周方向整圈鼓起(图2)，它不同于其他容器上发生的在圆周和垂直方向均为局部鼓起变形的鼓包。目前焦炭塔发生鼓胀变形的原因主要有：

1)CHEN等[15]和王清栋[16]认为焦炭塔在生焦过程中，由于温度的频繁变化，导致壳体在一个循环内不同截面、不同部位的载荷也不相同，壳体容易发生变形。当温度骤降时，塔内焦炭收缩小于壳体收缩，会在焦炭与壳壁之间产生套后压力，导致壳壁产生极大的残余应力，继而产生鼓胀变形。

2)PENSO[17]认为焦炭塔为承受轴压与内压的圆柱薄壳，很可能发生屈曲，屈曲可能会导致焦炭塔鼓胀变形。

3)张邵良等[14]认为焦炭塔的工作温度在490 ℃ 以上，母材极有可能发生蠕变，但是通过测量发现，在一个循环过程中塔内温度超过400 ℃ 时，壳壁的应力并不高，由此产生的鼓胀变形并不大，而在焦炭塔急冷阶段，塔内出现了严重的温度梯度并产生的热应力。同时发现当焦炭塔卸顶盖并暴露在空气中时，可能发生闪火，产生局部超高热，从而导致焦炭塔鼓胀变形。

4)BOWELL等[18]和DUNHAM等[19]认为当环焊缝的屈服极限高于壳体时，壳体受到焊缝的约束，鼓胀变形会发生在离焊缝较远的上方或下方；当焊缝的屈服极限低于壳体时，则在焊缝处或靠近焊缝处发生鼓胀变形，但这些鼓胀通常比前一种情况下产生的鼓胀小。

5)ELLIS等[20]发现在生焦阶段的塔内焦炭的热膨胀系数高于焦炭塔壳壁的热膨胀系数，缓慢冷却塔内焦炭，则能降低由焦炭对壳壁的压力，从而降低壳体的膨胀。

6)曹福东[21]认为鼓胀变形的成因是塑性变形的累积。在热应力作用下，焊缝热影响区发生局部屈服，屈服区的扩展和积累将导致焦炭塔鼓胀变形。

7)柳发[22]认为焦炭塔的鼓胀变形主要原因有高温蠕变、低周热疲劳、高温蠕变与低周热疲劳共同作用，骤冷、骤热的热应力引起的局部塑性变形。

综上所述，焦炭塔鼓胀变形的主要原因为：在运行过程中，由于焊缝材料的屈服强度与刚度高于母材的屈服强度与刚度，因此在壳体的环焊缝上下发生热膨胀变形，久而久之，就产生了永久性鼓胀变形，又称“葫芦状变形”。

2.3 壳体的倾斜变形

焦炭塔在降温阶段，通常是靠冷却水降低焦炭塔的温度。冷却水通过结焦层时，由于结焦层具有不规则形状和内部存在缝隙，冷却水会急速冷却焦炭塔的局部壳体，会在壳体上形成一个温度最低的区域，又称“冷点区域”。JU等[23]和李正亮[24]发现“冷点区域”在壳体轴向、环向的温度场分布不均匀会产生温差应力以及绕壳体中心的弯曲应力，导致焦炭塔在此处发生弯曲变形，进而诱发壳体的整体倾斜。

2.4 焦炭塔下塔盖变形

焦炭塔锥形下封头底部有一个用于排出焦炭的开孔，开、闭此孔的快开式端盖称为下塔盖。每次生焦前要快速关上此盖，除焦前要快速打开此盖。在频繁的升压、加热与降压、冷却过程中，产生的热疲劳极易使下塔盖发生变形，从而导致密封性不严，在工作时发生液体泄漏，甚至发生火灾。

3 焦炭塔的延寿技术

当焦炭塔在运行一段时间后出现损伤时，一般不会轻易将其报废、更换，而是根据损伤程度(分级)和损伤原因，对焦炭塔进行安全性评定和必要修复，然后确定其合理的使用寿命。由于焦炭塔的特殊性，目前对焦炭塔的延寿主要从焦炭塔结构改进、焊接修复以及操作工艺等方面进行。

3.1 结构改进

经过60年的发展，焦炭塔的大体结构已经定型，对于焦炭塔的结构多从壳体与裙座及连接处进行结构优化。目前对于焦炭塔的壳体与裙座处的连接方式有一般对接型、堆焊型和整体锻焊型，如图3所示。

图3 焦炭塔壳体与裙座的连接方式Fig.3 Connection mode between coke tower shell and skirt

广东某石化公司的焦炭塔采用一般对接型裙座(图3(a))，运行一段时间后在裙座U形口附近发现大量裂纹，遂采用圆弧过渡堆焊型连接方式(图3(b))，降低了应力集中，从而延长了使用寿命[25]。该公司的焦炭塔壳体与裙座连接焊缝存在环向裂纹，在一般对接型的基础上增加了带有空气囊的保温结构后，减少了壳体与裙座焊缝处的局部温度梯度，从而减少了裂纹产生的可能性[26]。辽宁某石化公司的裙座柔性槽开孔部位附近出现了由内而外的穿透性纵向裂纹，改用堆焊型之后(图3(c))，有效延长了焦炭塔的使用寿命[27]。上海某石化公司的焦炭塔壳体与裙座连接处、锥形封头环焊缝出现裂纹，改用整体锻焊型之后(图3(d))，在最近一次的检修中未发现裂纹，延长了焦炭塔的使用寿命[28]。

一般对接型结构，其结构简单，制造方便，但是易产生较大应力集中和裂纹；堆焊型结构，其结构较为复杂，应力集中较小，产生的裂纹也较少，但是制造较复杂，焊接工作量很大；整体锻焊型结构，应力集中小，最重要的是应力集中区的材料由焊缝变为母材，其产生的裂纹也最少，但是制造成本高。现在新制造的焦炭塔一般都采用整体锻焊型结构。

3.2 裂纹的消除与焊接修复

目前对于焦炭塔上轻微裂纹都会采用打磨后焊接的方法进行修复。对辽宁某石化公司、江苏某石化公司和河南某石化公司的焦炭塔进行定期检验时，发现壳体与裙座连接的环焊缝存在多处裂纹。将裂纹打磨消除后，经过无损检测，确认裂纹已经消除[29-31]。山东某石化公司的裙座与锥体连接处存在多条裂纹，通过碳弧气刨消除，再用砂轮机打磨干净，消除裂纹的打磨深度在2 mm之内时，进行打磨圆滑过渡处理，不需补焊；消除裂纹深度超过2 mm时，则应进行补焊，满足检测要求[32]。

焦炭塔在使用中产生的裂纹包括表面裂纹和埋藏裂纹(以表面裂纹为多)，目前对于焦炭塔上轻微裂纹都会采用打磨后焊接的方法进行修复。对表面裂纹一般先打磨消除，当裂纹深度小于凹坑允许深度时，用打磨方法进行圆滑过渡，保证侧面斜度小于或等于1∶4。当裂纹深度大于或等于凹坑允许深度时，进行补焊修复。对于埋藏裂纹，需要经过缺陷评定后，判断是否需要进行消除和焊接修复。

3.3 操作工艺改进

3.3.1 延长冷却周期

为了提高生产效率，目前国外很多焦炭塔生焦周期在18 h左右，如凯洛格公司为16～24 h，福斯特-惠勒公司为16～24 h[28]，杜邦公司为11～14 h[33]。采用这种方法，虽然能提高装置处理能力，以此达到延寿的目的，但是会加快焦炭塔升温和降温速率，产生更大的应力，缩短每个循环的时间。因此将必然导致焦炭塔服役寿命缩短，所以过分缩短生焦周期对焦炭塔的使用寿命是有害的。

3.3.2 降低循环比

循环比是影响焦炭塔处理能力、生焦性质及其分布的重要操作参数。较低的循环比有助于提高焦炭塔的生焦的能力，同时也能降低能耗。所以降低循环比、提高装置处理量是延迟焦化工艺的发展趋势。

河南某石化公司通过降低循环比提高了液体产品收率，增加了焦化装置渣油加工能力，同时降低了装置的综合能耗，而达到延寿的效果[34]。新疆某石化公司采取外甩部分循环油装置降低循环比，有效降低了加热炉负荷，有效延长了焦炭塔的使用寿命[35]。在降低循环比的同时，会导致焦炭塔结焦倾向增大、超负荷运行等问题，目前河南某石化公司通过原料在线密度仪实时检测原料性质，根据原料性质变化及时调整循环比，改变了原料在炉管内的流动状态，避免焦炭塔壳壁结焦，继而增加焦炭塔的使用寿命。

3.3.3 大吹汽节能技术

大吹汽的作用主要是用蒸汽降低焦炭塔内焦炭温度，将焦炭塔内焦炭温度从430 ℃ 左右降低至360 ℃ 左右，为后续给水冷焦等过程创造条件。文献[36]发现在焦炭塔入口，水汽化产生的体积膨胀会引起塔内焦炭塌方，从而引起炸焦，利用大吹汽节能技术，可以较好解决炸焦、壳体鼓胀变形，保证了焦炭塔安全生产。山东某石化公司利用大吹汽节能技术，焦炭塔壳壁降温速率低于40 ℃/h，避免了设备疲劳损坏[37]。但大吹汽过程消耗的蒸汽量大，为节约能源，国内已有企业采用了智能雾化器将水雾化，与蒸汽一起通入焦炭塔进行降温的技术，由此节省了60%～70%蒸汽，经济效益显著[36]。由于用水代替了汽，塔内降温速度增大，导致壳壁热应力增加，因此，该技术应用对塔器的安全存在隐患，采用时应慎重。

4 总结与展望

研究焦炭塔的失效原因，并对其损伤程度进行评估，以便保障焦炭塔的长周期安全运行。开裂和膨胀的主要原因是在频繁的升温、降温过程中，由于壳体与裙座之间存在较大的温度梯度，壳体的膨胀变形量大于裙座的变形量。因此在焦炭塔裙座焊缝附近会受到很大的交变热应力，随着疲劳次数的增加，最终导致开裂与彭胀变形。

目前焦炭塔的研究主要是利用有限元进行热力耦合分析，在力学分析方面，为了还原焦炭塔实际操作环境，需要对焦炭塔进行热力耦合分析。在热力耦合分析时，热应力的计算强烈地依赖于内外壁实际温度，但内壁温度无法得到准确值，一般采用工作温度。但是利用工作温度计算出的焦炭塔的疲劳寿命非常长，这与实际情况严重不符，因此影响焦炭塔疲劳寿命的原因可能还有目前未发现的更重要的因素，有待去发现。在有限元应力分析方面，目前大部分研究者进行的是线弹性有限元分析，但实际上塔内最高温度为480 ℃，壳壁材料实际上可能已经处于弹塑性状态，因此需要进行弹塑性应力分析。

文章针对焦炭塔使用寿命短的问题，结合国内外对焦炭塔失效形式、失效原因分析，对已有研究成果进行了分析，评述了焦炭塔失效的原因，并总结了关于焦炭塔的3个方面的延寿措施。措施包括：结构改进、操作工艺改进和焊接修复。解决焦炭塔延寿问题，具有重要的理论价值和工程实用意义。