焦炭塔材质老化与腰鼓变形的研究
海川化工论坛_延迟焦化装置焦炭塔缺陷检验和分析
延迟焦化装置焦炭塔缺陷检验与分析合肥通用机械研究所压力容器检验站胡明东摘要延迟焦化装置焦炭塔是炼油厂的重要设备之一，由于操作条件苛刻，裙座焊缝开裂、塔体鼓凸变形和塔体环焊缝、堵焦阀接管角焊缝产生裂纹等问题屡屡发生，本文主要结合具体检验实例介绍焦炭塔缺陷检验与分析。
一、概况延迟焦化装置在国外已有70余年的发展历史，我国从上世纪60年代开始投产使用延迟焦化装置，而装置中的焦炭塔是炼油厂重要设备之一，塔顶部为半球形，中间为直筒体、下部为锥体，筒体内径有Φ5400mm、Φ6100mm、Φ7600mm、Φ8400mm，设计压力一般为0.3MPa、0.38MPa，操作压力为0.25MPa、0.27MPa，设计温度为475℃，工作介质为：渣油、焦炭、油气、水蒸气。
我国早期焦炭塔材质一般选用20g（也有用原西德HⅡ材料的），现在国内焦炭塔筒体设计选材有用15CrMoR（上部内衬405）、SB42（上部内衬SUS403）和14Cr1MoR等。
由于生产工艺的要求，焦炭塔的操作条件特别苛刻，一个生产周期需经历48小时的高温与冷却的循环过程并连续运行，已发现诸如塔体鼓凸变形和塔体环缝、堵焦阀接管角焊缝产生裂纹以及裙座角焊缝（裙座与塔体连接的焊缝）开裂等问题，特别是裙座角焊缝开裂问题尤为严重，国内曾发生过塔体与裙座脱开的严重事故，自上世纪80年代中期开始，国内有关使用单位和科研院所及高等学校就焦炭塔的变形、开裂机理和热机械疲劳剩余寿命进行过分析和研究，取得了一定的科研成果，如研究的沿裙座周围纵向开槽，可减少裙座的刚性约束和使约束下移，裙座角焊缝处的应力水平大幅度降低，改善了其受力状态。
从某炼油厂改造前后的焦炭塔检验结果看，裂纹的产生已大大减少，效果非常显著。
二、常见典型缺陷（一）塔体鼓凸变形焦炭塔操作过程中除内压、介质重量、自重等引起的应力外，还有因周期性温度循环所造成的温度梯度引起的热应力，根据我国有关科研院所及高等学校对国内焦炭塔进行的温度场、应变场现场测试结果可知，最大应变在塔体底部筒节，出现在升温结束至恒温开始的一段时间里。
焦炭塔热机械疲劳寿命评估研究进展
DOI: 10.11991/yykj.202005008焦炭塔热机械疲劳寿命评估研究进展王增超1，银建中1，韩志远2，谢国山2，徐君臣31. 大连理工大学 化工学院，辽宁 大连 1160242. 中国特种设备检测研究院，北京 1000293. 惠生工程(中国)，上海 201210摘 要：焦炭塔在运行过程中承受热−机械载荷联合作用，其安全可靠性至关重要。
每个生产周期，塔内温度从室温到490 ℃左右循环变化。
一般认为，由于温度变化产生的热应力是焦炭塔结构失效的主要原因。
本文从焦炭塔典型材料热机械疲劳性能、形变检测、有限元模拟和热机械疲劳寿命评价方法等几方面对焦炭塔热机械疲劳寿命评估研究进展进行了评述，并对国内外的相关研究进行了比较，指出了亟待解决的问题，本文可以为焦炭塔的寿命评估提供指导和参考。
关键词：焦炭塔；寿命评估；温度场；有限元；热机械疲劳；激光扫描；鼓胀；热应力中图分类号：TQ053.5 文献标志码：A 文章编号：1009−671X(2021)01−0103−08Research progress of coke drum thermo-mechanicalfatigue life assessmentWANG Zengchao 1, YIN Jianzhong 1, HAN Zhiyuan 2, XIE Guoshan 2, XU Junchen 31. School of Chemical Engineering , Dalian University of Technology, Dalian 116024, China2. China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China3. Wison Engineering (China) Co., Ltd., Shanghai 201210, ChinaAbstract : The coke drum is subject to the combined effects of thermo-mechanical loads during operation, and its safety and reliability are of paramount importance. In each production cycle, the temperature in the drum is cyclically changed from room temperature to about 490 ℃. It is generally believed that the thermal stress caused by temperature change is the main reason for the structural failure of coke drum. This article reviews the research progress of coke drum thermo-mechanical fatigue life from the aspects of thermo-mechanical fatigue properties, deformation detection, finite element simulation, and thermo-mechanical fatigue life evaluation methods. The related studies in domestic and overseas are compared, and the problems to be solved urgently are pointed out. This paper can provide guidance and reference for the life assessment of coke drums.Keywords: coke drum; life assessment; temperature field; finite element analysis; thermo-mechanical fatigue; laser scanning; bulge; thermal stress焦炭塔是炼油厂生产焦炭的关键设备，其生产工艺是延迟焦化过程，可简述为：采用加热炉将原料油加热到反应温度，并在高流速、短停留时间的条件下，使原料油基本不发生或只发生少量裂化反应就迅速离开加热炉，进入焦炭塔内，借助自身的热量，原料油在“延迟”状态下进行裂化和生焦缩合反应，称之为“延迟焦化”过程[1−2]。
浅谈焦炭塔的保温(精品)[详细]
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浅谈焦炭塔的保温中石化工程建设公司顾一天SEI第二届延迟焦化年会论文(6)浅谈焦炭塔的保温顾一天(中国石化工程建设公司100101)1. 焦炭塔保温的特殊性(1)焦炭塔是一种低周循环的热疲劳容器,操作温度高达450～500℃,且周期性变化,即48小时之内,从常温至500℃左右,再降至常温.操作温度的周期性变化,引起壳体热胀冷缩的周期性变化.以φ8800焦炭塔为例,壳体的轴向膨胀量为195毫米,直径膨胀量为60毫米,塔体周向膨胀量为200毫米.保温结构应能适应这些膨胀量.(2)由于焦炭塔材料一般都是Cr-米o钢,且经过热处理,壳体不允许随意焊接各种附件;焦炭塔是热疲劳压力容器,任何附件的焊接都将形成壳体的很大的局部峰值应力.所以塔体上不允许焊任何保温钉或保温支持圈.(3)由于焦炭塔使用一定周期后会出现裂纹等缺陷,须定期检查,所以相应部位的保温应是可拆的,以便于检查.由于焦炭塔具有以上特殊性,焦炭塔保温的材料及结构必须适应这些特殊性,才能保证保温效率和寿命.好的保温结构寿命一般能达10年以上.2. 焦炭塔保温结构的特点(1)由于壳体上不允许焊保温钉和保温支持圈,所以应参考加氢反应器的保温,采用背带式保温结构,在背带上焊保温支持圈和保温钉(保温钉长度和支持圈宽度应小于保温厚度).但不同于加氢反应器保温的是要适应塔体的周期性变化的热胀冷缩.例如保温支持圈应分块均布,各部份之间应用弹簧连接等.见图1.(2)因为塔体周向膨胀较大,保温材料应分多层铺设,多层接缝之间应交错布置,交错量应大小200毫米,以免热量从保温接缝处直接外泄.(3)为了减少空气对流的热损失,在保温毡的保温层外表面再包一层不锈钢丝网,钢丝网上再涂一层复合硅酸盐保温涂料(俗称海泡石),总保温厚度一般为120～150毫米.见图2.(4)在保温层外侧再设保护板以防水和防风.因为保温层外侧温度低,内侧温度高,内外膨胀量不一致,所以保护板不应与保温钉或保温支持圈直接连接,而在保温层外,再设置背带(俗称外背带),保护板直接与外背带连接,这样就减少了保护板受壳体膨胀的影响.为了适应塔体轴向较大的膨胀,外背带下端必须用拉簧固定在裙座的碳钢部份上.(5)保护板应采用铝合金瓦椤板,主要有以下考虑:a 瓦椤板比平板更能适应壳体周向的反复胀缩,减少护板连接处的铝铆钉脱落的可能性.b 采用镀锌铁皮板的缺点是,连接处的铆钉孔易腐蚀(包括铁板的锈蚀和Fe-Al 的电化学腐蚀),铝铆钉在反复胀缩的影响下易脱落.c 铝合金瓦椤板与镀锌铁皮瓦椤板相比,其价格差不多.因为铝合金瓦椤板的单位重量价格是后者的三倍,但铝的比重是铁的1/3,且用了铝合金瓦椤板不需要再涂一层银粉漆.(6)裙座与锥体连接采用堆焊结构时,该处保温应是可拆式的.裙座与锥体连接处当采用堆焊结构时,由于焊接应力较大,加上温差应力的影响,当达到一定的操作周期后,该处极易产生裂纹.为了便于检查,该处的保温应是可拆式的.美国石油学会(API)1996～1998年曾对145台焦炭塔作调查,收集到的调查报告的40％主张裙座处的保温应是可拆式的,以便于检查裙座裂纹.裙座与锥体连接处当采用整体锻焊结构时,如果这种锻焊结构能提供无裂纹寿命,则该处的保温可不必采用可拆式结构.3. 焦炭塔保温对保温材料的特殊要求(1)因为操作温度较高,必须采用耐高温且导热系数低的保温材料,其内层保温材料应能耐500℃.(2)因为塔体周期性热胀冷缩,所以必须采用软质保温材料.常用保温材料为:复合硅酸盐板材、复合硅酸盐涂料、硅酸铝纤维毡.外层温度较低,为了节约投资也可用岩棉毡.保温材料主要性能列表如下:4. 焦炭塔新保温结构的开发旧焦炭塔的保温大多采用一般塔类容器的保温结构,没有考虑或很少考虑焦炭塔的特殊性:(1)塔体上焊保温钉和保温支持圈,不但热损失大,而且塔体的热应力大,峰值应力高,焊缝容易开裂;(2)保护铁皮直接和保温钉连接,随着壳体的热胀冷缩,保温铁皮的自攻螺钉或铆钉容易脱落,保温铁皮容易损坏.所以,旧保温结构不但热损失大,而且保温结构易损坏,寿命短,塔体易产生裂纹.随着我国Cr-米o钢大型焦炭塔投入使用,对保温的要求更高,我院和齐鲁石化公司所属的淄博北岳设备防护公司一起从焦炭塔保温的特殊性出发,在实践中不断创新,开发了适用于焦炭塔的背带式保温结构,并申请了专利,“大型铬钼钢塔器背带式保温结构”,专利号:ZL01243629.1,经过上海石化、上海高桥、济南、镇海、吉林、齐鲁、锦西石化、武汉、茂名炼油厂以及苏丹炼油厂的约40多台焦炭塔的施工实践,取得了很好的保温效果,积累了丰富的施工经验.目前该技术正在不断推广使用,它将进一步推动焦炭塔保温技术的不断发展.5. 焦炭塔保温的重要性焦炭塔保温的好坏对焦化装置的操作和焦炭塔寿命至关重要.据资料介绍,焦炭塔内介质温度每降低5.6℃,液体收率将下降1.1%,故不少炼厂都很重视焦炭塔的保温.锦西石化公司原有4台φ6000焦炭塔采用旧式结构保温.去年为了扩大处理量又增加了2台φ6000Cr-米o钢焦炭塔,采用了背带式保温专利技术.新旧焦炭塔操作条件相同,结果旧塔的予热时间4小时而新焦炭塔予热时间仅为2小时.该厂焦化装置的工程师们对新旧保温技术深有体会,决定对旧塔保温进行更新,采用背带式保温专利技术.最近我们在西北某炼厂对2台φ5400焦炭塔保温外表面温度进行了实侧,(采用红外线测温仪).时间:2004年8月20日12:00气温约28℃,风速2～3级.镀锌铁皮保护层外表面大部份是42～60℃,不少部位特别是保温铁皮接缝处为70～110℃,个别部位达100～130℃;有一处迎风面为135℃,背风面达158℃,不少部位镀锌铁皮因热烤而变色.操作间DCS系统显示塔底为493℃,中部417℃,塔顶为403℃.作为比较,济南炼油厂2台φ6800焦炭塔采用背带式保温的专利技术,护板外表面温度实测为30～40℃,最高点为51℃,用手模,手感温暖.操作间DCS系统显示的焦炭塔温度顶部440℃,中间453℃,底部495℃.也就是说,原料油从底部495℃入塔,因热损失到塔顶为440℃.克拉玛依老焦化装置焦炭塔原料油入塔温度493℃和济南塔差不多,塔顶只有403℃,比济南焦炭塔低37℃.可见保温效果差,热损失大,相应的液体产品收率较低.建议对该塔保温进行改造更新.图1 内外背带示意图图2 新保温结构示意图参考文献:1、炼油装置技术标定丛书:延迟焦化装置技术标定程序.2、1996 API Coke Dru米SURVEYFinal report July21,1998.。
焦炭塔安全评定的研究
１ １２ 简体焊缝及热影响区的显微组织的检验 ．． 对焦炭塔筒体第 四、 五筒节 的内表面环 、 焊 纵
缝 以及外 表 面 环 、 焊 缝 进 行 现 场 金 相 检 验 。 如 纵 图 ５～图 ６为其 巾一 处 内表 面金 相 组 织 ， 图 ７一 如
测试 ， 以进行 安全评 定 。 １ 实验部分
图 ２ 第 ５简节变形大处 内表面 母材金相组织
１ １ 焦炭塔简体材质显微组织的金相检验 ． １１１ 焦炭塔简体母材显微组织的金相检验 ．．
对焦炭塔简体第 四、 五筒节变形较大处 内表 面母材及第 四、 五筒节外表面母 材进行现场复膜
金相 检验 Ｊ材 质 的显 微 组 织 均 为块 状 铁 素 体 ＋ ，
的校核 ， 出焦炭塔在厚度和强度方面是安全的。对 焦炭塔 的剩余寿命 评估， 了一些基础性 的研 得 做 究工作， 以期提高焦炭塔的使用寿命 ， 为企业如何提高经济效益提 出一些建议。
关键词 ： 焦炭 塔 ； 光体 球化 ； 珠 安全 等级
目 前炼油厂的许多焦炭塔按 其设计寿命已接 近或达到年限， 有些甚至超过设计使用年限， 面临 着设备安全和生产安全 问题。焦炭塔普遍存在如 下问题 ： 塔体 出现 腰鼓 变形； 简体环 焊缝 出现 裂 纹； 裙座与简体之 间的环焊缝 易发生开裂…。某 厂焦炭塔筒体 的材质为２ ， ０ｇ反复被加热到４ ５。 ７ 【 ＝ 左右 的高温。焦炭塔筒体 的第一 、 第二 、 第 、 第
表 １ 焦炭 塔充焦段简体材质硬度的测定
图 ５ 焊缝 内表面 金相 组织
１３ 焦炭塔简体壁厚的测量 ．
表 ２ 焦炭塔简体各个筒节、 下锥体及上封头壁厚的测量值
对焦炭塔裙座结构的探讨
对焦炭塔裙座结构的探讨林季壮【摘要】焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备之一，一般处理减压渣油、重质原油等重质油品，操作工况恶劣：塔体在预定的时间内承受温度压力由低到高然后由高到低以及介质重量大小的交替变化。
作为支撑整个塔体的裙座同时承受着温度、压力和重量的交替变化，因此裙座的结构，就显得尤为重要。
本文对焦炭塔的几种裙座连接结构和辅助措施进行了介绍和分析探讨，并对裙座结构的设计和选用给出了一些建议。
%Coking tower was one of the main equipment for delayed coking unit. When the heavy oil such as VR ( vacuum residue) and heavy crude oil were disposed, the operating condition for the coking tower was gross. In fixed time, the temperature and the pressure went from low to high, and then from high to low, the weight bearing for the tower was also changing. For the skirt which supported the whole tower should also bear the changing of temperature, pressure and weight, so the structure for the skirt was very important. Some coking tower skirt connecting structure and the auxiliary measures were introduced and analyzed, and then some suggestions were proposed for the designing and choosing the skirt.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2014(000)024【总页数】3页(P141-143)【关键词】焦炭塔;裙座结构;使用年限;循环应力 (薄膜应力和热应力)【作者】林季壮【作者单位】洛阳瑞泽石化工程有限公司，河南洛阳 471003【正文语种】中文【中图分类】TE962延迟焦化装置将减压渣油、常压渣油、重质原油等重质油品经深度热裂化部分转化为高价值的液体和气体产品，其余重质部分生成石油焦［1］。
焦炭塔蠕胀变形开裂机理分析及预防
焦炭塔蠕胀变形开裂机理分析及预防白明珠【摘要】焦炭塔是延迟焦化装置中的反应容器,它把价值低的劣质油转化为价值高的汽油和中馏分油,并生成石油焦,笔者结合检验实践,对焦炭塔鼓胀及裂纹的产生机理进行了研究分析,提出了相关的预防措施和进一步的研究方向.【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2011(014)012【总页数】4页(P14-17)【关键词】焦炭塔:鼓胀;裂纹;产生机理;预防【作者】白明珠【作者单位】浙江省特种设备检验研究院,浙江杭州310020【正文语种】中文焦炭塔一般为板焊结构的壁塔式容器，我国从上世纪60年代开始使用延迟焦化装置，目前正在运行的焦化装置有24套。
中国石化镇海炼化4台延迟焦化装置1991年12月投入使用，在检验中发现鼓胀及裂纹，本文针对焦炭塔鼓胀、裂纹的产生原因进行分析，并提出相应的预防措施。
1 焦炭塔蠕胀变形焦炭塔特殊的工艺要求，使得它在温度的影响下存在一个低循环应力状态。
主要过程为：常温→495℃→常温，其中包括：瓦斯预热7h，进油24h，吹蒸汽降温2.5h，水冷5h，其余时间为放水。
焦炭塔的载荷（含温度）条件很复杂，最高温度在475℃左右，最低温度85℃左右，每48h进行一次冷热循环，在每一循环中至少有三次压力、温度的变化，造成塔体各截面各部位的载荷都不相同，且随时间瞬时变化，对塔体应力分布存在不利影响。
焦炭塔T101/1、2、3、4由浙江省特种设备检验中心分别于2006年、2009年进行内外部检验，主要检验项目和结果如表1、表2。
表1 2006年检验情况汇总表2006年对该4台焦炭塔进行修理改造，对T101/1上封头以下8.4m、T101/2上封头以下8.6m、T101/3及T101/4上封头以下5.5m进行筒节更换，更换为铁素体不锈钢衬里，材质20R+410S。
表2 2009年检验情况汇总表2 焦炭塔应力分析2.1 热应力焦炭塔为周期性连续作业，每个周期48 h，其中包括：瓦斯预热7 h，进油24 h （油温495℃），吹蒸汽降温2.5 h，水冷5 h，除焦、升温、降温时，热油和水均从底部注入。
焦炭塔膨胀变形评定
焦炭塔膨胀变形评定摘要：膨胀变形的评定准则为：焦炭塔单边膨胀变形量不得大于焦炭塔外径的2％。
关键词：焦炭塔膨胀变形0 引言焦炭塔在运行过程中产生膨胀变形是不可避免的。
膨胀变形的成因是塑性变形的累积，膨胀变形的过程（规律性）正如指出的那样，在热应力等的作用下，焊缝热影响区局部首先发生屈服，这种屈服区域的不断扩大和累积则形成焦炭塔的膨胀变形。
对膨胀变形问题的研究，主要集中于确定膨胀变形量的临界值，并以膨胀变形量是否超过临界值作为评定的准则。
1 膨胀变形量的临界值容器发生塑性失稳时的最低应力成为临界应力，容器发生失稳时的最小变形量称为临界变形量。
以外压容器为例，薄壁圆筒受侧向均布外压作用，一旦达到临界压力时，沿周向将形成几个波，轴向形成半个波，轴向半波远大于周向半波。
在一定的周边约束条件下，临界压力除与圆筒材料的弹性模量和泊松比有关外，主要和圆筒长度与直径之比值、壁厚与直径的比值有关。
按照我国容器标准规定，变形量的正负偏差不超过图1中查得的最大允许偏差值[1]。
式中：e，最大允许偏差，％；D0，圆筒外径，mm；t，圆筒厚度（不包括壁厚附加量），mm；n，失稳时的波数，与有关；C1，C2，由实验决定的系数，在对失稳压力考虑20%安全裕度后，取C1=0.036，C2=0.030。
参照上述公式，对于某焦炭塔，取t=28mm，D0=5400mm，则当 n=2时，e=112.44mm=0.208%D0；当n=4时，e=51.96mm=0.96%D0；当n=6时，e=37.44mm=0.70%D0。
焦炭塔每个筒节变形通常为“C”形或“ε”形，既考虑每个筒节变形量，又考虑整个筒体变形量，据文献，选定单个筒节变形量允许的最大量[2][e]=0.020D0。
膨胀变形的评定标准为：e≥[e]，式中：e，焦炭塔单个筒节变形量；[e]，焦炭塔单个筒节许用变形量。
综上所述：膨胀变形的评定准则为：焦炭塔单边膨胀变形量不得大于焦炭塔外径的2％。
对焦炭塔塔鼓变形失效的机理分析
对焦炭塔塔鼓变形失效的机理分析黄磊;张巨伟;屈晓雪【摘要】焦炭塔是延迟焦化反应的反应釜，是延迟焦化装置的重要组成部分，其长期安全的运行是炼油企业取得高效益的前提和保障。
但由于工作条件的恶劣，焦炭塔普遍存在着塔体变形、裙座及塔体焊接开裂等问题，严重影响着焦炭塔的安全运行。
究其原因目前主要有以下几种情况：高温蠕变的结果；低周热疲劳的结果；高温蠕变与低周热疲劳共同作用的结果冷；急热温差热应力引起的局部塑性变形。
通过对高温蠕变与低周热疲劳的产生条件以及损坏特征的仔细研究，并辅助以各种试验的结果，用排除法确定了焦炭塔的腰鼓变形失效的原因为急冷、急热温差热应力导致的局部塑性变形，并且总结出了其变形失效的规律和防治的具体方法。
【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2012(000)009【总页数】3页(P967-969)【关键词】焦炭塔;延迟焦化;腰鼓变形;温差应力【作者】黄磊;张巨伟;屈晓雪【作者单位】辽宁石油化工大学, 辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学, 辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学, 辽宁抚顺 113001【正文语种】中文【中图分类】TE624焦炭塔是延迟焦化装置中的关键设备，一般为板焊结构的薄壁塔式容器，他是一种处于温度和载荷同时做周期性变化的高温设备，当运行若干年后会出现筒体鼓胀变形，目前国内制造的焦炭塔的基本结构为直立圆筒形结构，上端球型封头，下端锥体结构。
直径多为Ф5 400 mm，壁厚t为28 mm，材质为20号锅炉钢，其含碳量为0.2%，即是一种低碳钢。
工作周期为48 h，设计操作温度为475 ℃，工作压力为0.23 MPa 。
设计使用寿命为20 a，而目前国内正在服役的焦炭塔的服役时间基本上都已超过了其设计使用寿命，而且普遍存在一种鼓胀现象。
究其原因主要有以下几点：（1）高温蠕变的结果；（2）低周热疲劳的结果；（3）高温蠕变与低周热疲劳共同作用的结果；（4）急冷、急热温差热应力引起的局部塑性变形［1］。
焦炭塔失效分析案例集
案例1、含有堵焦阀的焦炭塔的热疲劳裂纹筒体裂纹特征裂纹特征：1）穿晶。
2）沿环焊缝筒体侧热影响区启裂并扩展。
微观呈穿晶特征。
3）密集排列，呈断续状。
原因分析：在筒体与锥体连接的环焊缝附近,由于存在由圆柱体到圆锥体的几何形状突变，加之堵焦阀的开孔造成应力重新分布和堵焦阀处接管对筒体的变形拘束，使该部位的应力水平较其它处更高,该部位在循环往复的热载荷和内压载荷的联合作用下，最终导致以热疲劳为主导的疲劳开裂。
而堵焦阀上部筒体凸出，下部凹进的变形与焦炭塔堵焦阀的自身的重力作用又一定的关系。
案例2、鼓凸变形严重部位的疲劳裂纹180°90°0°270°180°测金相检Z72Z71Z74Z73度Z5-1Z5-2Z5-4Z5-3Z7-2Z7-1Z7-4Z7-3D ▲Z3-5Z3-4Z3-3Z3-2Z3-1Z3-8Z3-7Z3-6注： ▲表示内壁金相复膜取样部位。
H1图2-a C-1/1焦炭塔内壁展开示意图裂纹成因分析：裂纹是由热机械疲劳引起的焦炭塔在操作过程中加热和裂纹是由热机械疲劳引起的。
焦炭塔在操作过程中，加热和急冷都会诱发的轴向二次应力，并使得轴向应变大于周向应变，最终引发与环焊缝相互平行的热疲劳裂纹。
案例3、裙座角焊缝处裂纹外壁筒体裂纹1裂纹2环焊缝锥体纵焊缝纵焊缝裙座外壁裂纹部位示意图案例4、由焊渣引发的微裂纹▲西南东H6H5北西H4H3H2H1H0位图4-a C 101/2内壁金相检验部位示意图经MT 检测发现焦炭塔的内壁H 6环焊缝上有10处缺陷磁痕显选其中最长的进行缺陷金相分析样部位图注：▲表示内壁金相复膜取样部位.示，选取其中最长的一处进行缺陷金相分析，取样部位见图4-a ，经金相制样后其缺陷的宏观形貌见图4-b ，该处缺陷主要为焊渣要为焊渣。
根据温度场、应变场现场测试及有限元计算结果表明，焦炭塔在塔体底部的筒节其应力和应变最大。
在该部位的焊接缺陷端部由于应力集中的作用，容易诱发出疲劳裂源纹。
焦炭塔的易出缺陷及其检验
焦炭塔的易出缺陷及其检验摘要：焦炭塔是炼油厂提高轻质油采收率和生产石油焦的核心设备之一，由于其工作条件，在焦炭塔中容易出现开裂、鼓凸和偏斜、材料变异、下塔盖的变形等缺陷，因此在焦炭塔的检验过程中，对焦炭塔的宏观检验、无损检测、硬度测定和金相检验等。
关键词：焦炭塔角焊缝裂纹检验中图分类号：tq3 文献标识码：a 文章编号：1672-3791（2012）10（a）-0091-02焦炭塔是延迟焦化装置中的核心设备之一，延迟焦化是将渣油经深度热裂化转化为气体和烃、中质馏分油及焦炭的加工过程，是炼油厂提炼高轻质油采收率和生产石油焦的主要手段。
其工艺将重油在焦化加热炉中加热后送入焦炭塔中进行焦化反应，把长链烃的环烷烃裂化分解成焦炭和轻油的过程，产品中的焦炭可以直接作为商品应用于冶金、造纸、国放等工业领域，而产品中的轻质油经过氢精制后，柴油质量可以达到要求。
焦炭塔是延迟焦化装置中的核心设备之一。
图1为焦炭塔的结构示意图。
1 焦炭塔的易出缺陷1.1 焦炭塔的工作条件焦炭塔是一种从室温到高温周期性运行的塔器，锅内焦炭塔常用的材质是20g（或20r），筒体高度约在26～30mm左右，直径约在5～7mm之间，壁厚20～36mm，工作介质为渣油（含s）、焦炭、油气、水和水蒸汽。
我国的焦炭塔的一般运行周期为48～24h。
进油时塔体局部最高壁温超过475℃，介质的温度为495℃，由下至上在393～475℃之间。
焦炭塔在运行完48h一个周期，紧接着开始下一个周期。
通常是每两个塔之间进行切换操作，当一个塔处于进油生焦过程中，另一个塔正处于水力除焦阶段，其最低温度只有40℃，最高温度可接近500℃，当进料时，500℃的油渣很快进入预热至250℃的焦炭塔，这时在焦炭塔内外形成极高的温差，温差应力足以使焦炭塔产生局部屈服。
焦炭塔在工作中承受的温差疲劳应力，是造成焦炭塔失效的主要原因。
其主要失效方式为热机疲劳和蠕变，具体表现为塔体鼓凸、倾斜和焊缝开裂，造成焦炭塔的破坏。
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收稿 日期 ：０６— ２— ２ ２０ ０ ２ 。 作 者简介 ： 孙合辉 ， 在读研究生 。 ・中国石油化 工集 团公 司资助课题 （ 目编号 ０ ０ ０ 项 １８ ６一ｏ ） ７。
级别分 别 为 中度 球化 和完全 球化 。老 化处理 试 验
工艺 曲线如 图 １所 示 。老 化 处 理 温度 为 ６ ０ ｏ ５ Ｃ，
达到 各球 化 级 别 的保 温 时 间 分别 为 ３ ０和 ６ 。 ０ ｈ 各 种球 化级别 的金相组 织 照 片如 图 ２所 示 Ｊ 。球 化级别 的评定标准 为 电力 行业标 准 ：火 电厂 用 ２ 《 ｏ 号钢珠光体球 化评级标 准一 Ｄ ／ ６４ １９》 Ｌ Ｔ７— ９９ 。
力 。按 Ｇ ／ １ ６ １ ８ （ Ｂ Ｔ２ ０ － ９ ０ 金属 夏 比 （ Ｖ型 缺 口）
在役 的焦炭 塔 上 存在 腰 鼓 变 形 的部 位 ， 变 将 形 最严 重部位 的钢 板 切 割成 条 块 状 试件 ， 人 热 放
处 理炉 中进行 不 同球 化 程 度 的热 处 理 ¨ ， 金 相 Ｊ经 观 察确认 得 到不 同球 化 程 度 的各 组试 件 后 ， 其 将
１ 试验部 分 １ １ 试 样 材料 ．
如 一 Ｆ＝ ６ １ ｇ Ｄ ： ．３ ＩＬ： ．５ １ ， Ｆ： ２ ． １ ， ０ ６ ５０１ ， ０ ７ ００ Ｔ ｋ Ｔ Ｉ
Ｃ Ｐ：２４２Ｊ Ａ ９ ． 。金属 材 料 在使 用过 程 中除要 求有 足 够 的强 度 和 塑性 外 ， 要 求 有 足够 的韧 性 。韧 还 性是 材料 在 塑性 变形 和断裂 过 程 中吸收 能量 的能
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炼
２０ ０６年 ７月
油
技
术
与
工
程
Ｐ Ｔ Ｏ Ｅ Ｍ Ｒ ＦＮ Ｒ Ｎ ＩＥ ＲＮ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ｅ ＩＥ Ｙ Ｅ ＧＮ Ｅ ＩＧ
第 ３ 卷第 ７ ６ 期
焦炭 塔 材 质 老化 与腰 鼓 变 形 的研 究 木
孙合辉 李邓 弱 张 国福 宋天 民 佟德斌
聚集 析 出并 长大 ， 然 会提 高晶界 能量 ， 必 降低 晶界 断 裂强 度 ， 之 成 为 裂纹 扩 展 的路 径 。从 而 使 得 使
冲击试验方法》 进行试验 ， 试验结果见表 １ 。
表 １ ２ ｇ钢不同球化程度试样 的冲击试验 值 ０
Ｔ ｂ ｅ １ Ｉ ａ ｔｖ ｌ ｅ ｏ ０ ｔｅ ｔ ａ ｌ ｍｐ ｃ ａ ｕ ｆ２ ｇ ｓｅ ｌ ａ
制 成标准 试样 ， 行 室 温及 高 温 拉 伸力 学 性 能 试 进 验、 冲击试 验及 高温低 周疲 劳试 验 。 在高温 下长 期 服 役 的低 碳 钢 ， 体如 焦 炭 塔 具 材质 ２ｇ 老 化 过 程 主要表 现 为 ： 光 体球 化 ， ０， 珠 具 体为渗碳 体球 化 ， 即珠 光 体 中 的 片状 的 渗碳 体 转 变成球状 渗碳 体 。从 抚 顺 石 油 一 厂 已使 用 ２ ７ａ
的焦炭塔 简体 腰鼓 部位 割 下 的 钢板 中取 样 ， 材 该
ｄｆ ｒ ｎ ｐ ｅ ｄ ｚ ｔ ｎ ｇ ａ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔｓ ２ ７ａ的使用 过程 中已发 生 了轻 度球 化 ， 在此
基础上 进行 老 化处 理 试 验 ， 试 样 的珠 光 体 球 化 各
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第 ７期
孙合辉等． 焦炭 塔 材 质 老 化 与 腰 鼓 变形 的 研 究 ‘
一 ３ ９一
分 散 ， 逐 渐 向 晶界 扩散 ， 光体 形态 尚明显 ； 并 珠 材
原始组 织 （ 未球化 ）
圈
轻 度球化 ； 牟球 化 若
质 发生 中度球 化 时 ， 光 体 区域 中的 碳 化 物 已明 珠
１ 辽宁石油化工大学机械工 程学 院（ ． 辽宁省抚顺市 １ ３０ ） ０ １ １ ２ ．中国石 油管道沈 阳输 油分公司 （ 辽宁省沈 阳市 １０ ３ ） ０ １ １
摘要 ： 研究 了 ２ ｇ ０ 材质老化程度对各种力学性能 的影响 。 认为 ２ ｇ材质老化是从 本质上影响延迟焦化焦炭塔安 ０ 全运行 的主要 因素 。 应依据材质老化程度来判断焦 炭塔是否报废 。材质老化是一个复杂的过程 ，０ ２ ｇ材质 老化 实质 是具有较 高表面能 的片状珠光体在高温下 向具有较 低表面能 的球状珠 光体转化 。焦 炭塔在 运行过程 中产生 腰鼓
显 分 散 ， 向晶 界 聚集 ， 光 体 形态 尚保 留 ； 质 并 珠 材 发 生 完全 球化 时 ， 光 体形态 消 失 ， 珠 晶界及 铁 素体 基 体上 的球 状碳 化物 已逐渐长 大 。这些 变 化从 材
质 球化标 准 中的金相 照 片也 能看 出来 。从 以上变 化 可知 ， 由于 渗碳 体 在 球 化 的过程 中 不 断 向 晶界
变形是不可避免 的， 成因是 塑性变形 的累积。腰鼓变形有如下过程 （ 其 规律性 ） 在热应力作用 下 ， ： 焊缝热影响 区局
部发生屈服 ， 这种屈服 区域 的不断扩大和累积则形成焦炭塔的腰 鼓变形。对腰 鼓变形 问题 的研究 主要集 中于确 定 腰鼓变形量 的临界值 ， 以腰鼓变形量是否超过临界值作为焦炭塔判废的标准之 一。 并 关键词 ： 延迟焦化装置 焦炭塔 报废 材质老化 珠光体球 化 低碳钢 腰鼓变形
１ ２ 试验 结果 及分 析 ． １ ２ １ 冲击 韧性试 验 ．．
图 １ 热 处 理 工 艺 曲线
Ｆｉ．１ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇｃ ｌｃ ｌ＇ ｏ ｇ ｃ ｏ ｏ ｉ ａ ｕｗｅ ｆｈｅ ｔｔｅａｍｅ ｔ ａ ｒ ｔ ｎ
加热 时 间／ ｈ
试验按 Ｇ ／ １６ １８ （ Ｂ Ｔ２０－ ９０ 金属夏比（ Ｖ型缺