在用焦炭塔检验及缺陷分析

时间：2025-01-06

贾丙中，王芳芳，钱俊锋，唐志，赵阁

(合肥通用机械研究院有限公司，国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽合肥 230031)

0 引言

焦炭塔是炼油工业中延迟焦化的关键设备，一般为板焊结构的壁塔式容器，由于延迟焦化工艺的特点，使焦炭塔经历循环的升温、降温过程，同时容器承载的介质由气态到液态至固态，工作环境复杂、恶劣，因此国内许多炼油厂的焦炭塔会发生径向鼓凸变形，焊缝及筒体开裂的现象。在对国内多家大型炼油厂延迟焦化装置的焦炭塔全面检验后，根据焦炭塔的设计、制造及运行特点，对焦炭塔的常见缺陷进行分析，有助于焦炭塔的检验检测及运行维护。

1 焦炭塔的工艺特点和结构特点

焦炭塔的工艺特点是操作温度高，最高可达500 ℃，操作温度变化频繁，每个操作周期都要由常温变化到最高操作温度，并且生焦周期越短，温度变化速度越快；焦炭塔是反应器,还是装焦炭的容器。焦炭塔一般是2台一组，一台塔在反应生焦时，另一台塔处于处理阶段。每台塔的切换使用周期一般为48 h，其中生焦24 h，除焦及其他辅助操作24 h。

焦炭塔是一个直立圆柱壳压力容器，如图1所示，顶部是球形或椭圆形封头，下部是锥体，直径通常为4.6～9.4 m，高25～35 m。国内早期焦炭塔材质多选用碳钢，但由于碳钢耐热强度低，抗疲劳及蠕变的能力差，随着炼油厂的大型化，国内多选用高温性能好的耐热钢制造大型焦炭塔，如15CrMoR、14Cr1MoR等。由于焦炭塔上部泡沫段以上部分的腐蚀介质与塔体直接接触，因此焦炭塔上部塔体采用不锈钢复合板制造，复层为厚2.0～3.2 mm的405或410S不锈钢，以防止腐蚀[1-2]。

图1 焦炭塔结构图

2 焦炭塔的全面检验

根据焦炭塔的工艺特点和结构特点，检验内容应包括宏观检验、壁厚测定、无损检测[3]、硬度检测及金相分析。

2.1 宏观检验

主要采用目视方法(必要时利用放大镜、内窥镜或者其他辅助仪器设备、测量工具)检验压力容器本体结构、几何尺寸、表面情况(如裂纹、腐蚀、泄漏、变形)，以及焊缝、隔热层、衬里等。

2.2 壁厚测定

一般采用超声测厚方法，对易受介质腐蚀的部位、物料进口部位、流动转向易受冲蚀的部位、制造成型时壁厚减薄部位、使用中易产生变形及磨损的部位、接管部位、宏观检验时发现的问题部位进行重点测厚。

2.3 无损检测

表面缺陷检测，应采用NB/T 47013.4—2015中的磁粉检测、渗透检测方法对主焊缝、应力集中部位、变形部位、宏观检验发现裂纹的部位进行检测，异种钢焊接接头、T型接头、接管角接接头、补焊区、工卡具焊迹、电弧损伤处和易产生裂纹部位应重点检测。

埋藏缺陷检测，应采用NB/T 47013.3—2015中的超声检测或NB/T 47013.10—2015中的TOFD等方法对主焊缝、鼓胀变形部位、使用过程中补焊过的部位、检验时发现焊缝表面裂纹部位进行检测。

2.4 硬度检测及金相分析

对壳体主焊缝(检测部位包括熔敷金属、热影响区和母材)、鼓胀变形及发现表面裂纹部位进行硬度检测及金相分析。

3 焦炭塔常见缺陷及原因分析

3.1 塔体鼓胀变形

如图2所示，炼油厂延迟焦化装置焦炭塔发生塔体鼓胀变形，3台焦炭塔半径方向最大鼓胀量分别为83、75、80 mm。

(a)东营某炼油厂焦炭塔

由于焦炭塔的工艺特点，在初始预热和急冷阶段，塔体产生了严重的热梯度，在局部区域引起了超过塔体材料屈服极限的热应力，并且由于环焊缝金属与塔体母材金属强度的差异，筒节变形受到约束，向外鼓凸，随着循环次数增多,塑形变形不断积累，最终出现了严重的鼓胀变形[4]。

3.2 内壁热疲劳裂纹

图3为炼油厂焦炭塔内壁裂纹宏观形貌，3台焦炭塔内壁裂纹宏观形貌均为短且细，龟裂，密集分布，有部分裂纹从母材扩展至焊缝。

(a)东营某炼油厂焦炭塔(材质20g)

对裂纹部分进行硬度测定和金相分析，裂纹部位硬度值均未超标，微观形貌见图4，放大倍数均为200倍。微观上观察，金相组织均为铁素体+珠光体，裂纹以穿晶扩展为主，尖端无分叉，且裂纹内充满氧化物。综合判断，焦炭塔在周期性的热胀冷缩过程中，裂纹附近的板材会在焦炭塔运行时经历的循环热-机械载荷作用下产生热疲劳开裂[5-6]。

(a)东营某炼油厂焦炭塔

3.3 内壁冷裂纹

图5为天津某炼油厂焦炭塔内壁裂纹宏观形貌。裂纹位于焊缝上，部分延伸至母材。对裂纹部分进行硬度测定和金相分析，裂纹部位焊缝金属硬度值260～280 HB(HB为布氏硬度)，偏高；微观形貌见图6，放大倍数均为200倍。微观上观察，母材金相组织为铁素体+珠光体，焊缝金属金相组织为铁素体+马氏体，裂纹以穿晶扩展为主。从裂纹宏观和微观形貌特征判断，该裂纹属于制造过程中产生的冷裂纹。

图5 天津某炼油厂焦炭塔内壁冷裂纹宏观形貌