陸 怡， 衛(wèi)淵釗， 魏安安， 劉犇歡， 甘劉意， 王園春

(常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

焦炭塔是煉油廠延遲焦化工藝中的核心設(shè)備，也是操作環(huán)境最為苛刻的化工設(shè)備之一[1]。焦炭塔在運(yùn)行過(guò)程中，不僅要承受工作壓力的周期性變化，而且要承受溫度的周期性變化，所以焦炭塔經(jīng)常發(fā)生焊縫開(kāi)裂，殼體的鼓脹、傾斜、變形等形式的失效。焦炭塔還具有造價(jià)高、對(duì)生產(chǎn)裝置連續(xù)運(yùn)行影響大等特點(diǎn)。因此，在出現(xiàn)上述損傷或失效時(shí)，一般不會(huì)輕易將其報(bào)廢、更換，而是進(jìn)行失效原因分析和損傷程度評(píng)價(jià)，然后進(jìn)行適當(dāng)、合理地現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，延長(zhǎng)其使用壽命。

為了延長(zhǎng)焦炭塔使用壽命，國(guó)內(nèi)外研究人員一直不懈地進(jìn)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，對(duì)延長(zhǎng)焦炭塔的運(yùn)行周期與使用壽命具有重要意義。

1 焦炭塔操作工藝

焦炭塔工作狀況為周期性間歇生產(chǎn)，在一個(gè)完整的生產(chǎn)周期內(nèi)要經(jīng)歷生焦(包括試壓、預(yù)熱、生焦)、除焦(包括小量吹氣、大量吹氣、蒸汽冷卻、放水、除焦、冷卻)2個(gè)階段。各企業(yè)每個(gè)生產(chǎn)周期的總時(shí)間為22～48 h，總時(shí)間越長(zhǎng)，容器的壽命越長(zhǎng)，但生產(chǎn)效率越低。江蘇某石化公司的每個(gè)生產(chǎn)周期為48 h，其中生焦時(shí)間為24 h，除焦時(shí)間為24 h，介質(zhì)最高工作溫度為503 ℃。

圖1 焦炭塔操作工藝溫度圖Fig.1 Operating process temperature diagram of coke tower

首先對(duì)焦炭塔進(jìn)行蒸汽試壓，保證焦炭塔密閉性，再?gòu)慕固克斖ㄈ敫邷赜蜌?，?duì)焦炭塔進(jìn)行預(yù)熱。油氣預(yù)熱結(jié)束后，從塔底進(jìn)料管通入440～500 ℃ 混合油進(jìn)行生焦。結(jié)束后由塔底進(jìn)料管通入高壓蒸汽，將塔內(nèi)油氣全部吹出。隨后從塔底進(jìn)料管注滿(mǎn)高速冷卻水，靜置冷卻。打開(kāi)底部封頭，放出冷卻水，并運(yùn)用高壓水射流將焦炭全部切碎排出，然后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。焦炭塔操作過(guò)程中塔內(nèi)溫度如圖1所示。

2 焦炭塔失效原因分析

由于焦炭塔在運(yùn)行過(guò)程中，反復(fù)承受操作溫度、操作壓力的周期性變化及除焦時(shí)冷水沖擊引起的溫度變化，致使焦炭塔在使用一定時(shí)間后會(huì)發(fā)生開(kāi)裂、鼓脹、變形等形式的失效和損傷。國(guó)內(nèi)外研究者從多方面、多角度、多學(xué)科展開(kāi)了研究。

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，美國(guó)石油協(xié)會(huì)(America Petroleum Institute，簡(jiǎn)稱(chēng)API)就焦炭塔的失效情況進(jìn)行了3次比較全面的調(diào)研。第1次調(diào)研報(bào)告指出，碳鉬鋼焦炭塔比碳鋼焦炭塔更容易發(fā)生脆化和破裂，但是碳鉬鋼焦炭塔發(fā)生鼓凸程度比碳鋼焦炭塔??；焦炭塔的裂紋主要產(chǎn)生在驟冷或驟熱階段。第2次調(diào)研報(bào)告指出，將焦炭塔的材料改為Cr-Mo鋼后，殼體產(chǎn)生的裂紋比例與之前相比降低了很多。第3次調(diào)研報(bào)告指出，焦炭塔操作參數(shù)對(duì)其壽命的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)、材料或其他設(shè)計(jì)參數(shù)；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)焦炭塔的失效部位基本上集中在殼體、下封頭與裙座之間連接的環(huán)焊縫上及附近部位，其中殼體膨脹占61%，殼體環(huán)焊縫開(kāi)裂占97%，裙座與封頭連接處的環(huán)焊縫開(kāi)裂占78%[2-4]。焦炭塔常見(jiàn)的焦炭塔失效形式有：殼體與裙座的焊縫開(kāi)裂、殼體鼓脹變形、焦炭塔殼體結(jié)構(gòu)變形。

2.1 殼體與裙座連接部位的開(kāi)裂

焦炭塔的殼體與裙座連接部位受力比較復(fù)雜，所以在此部位經(jīng)常發(fā)生開(kāi)裂。殼體與裙座連接部位的裂紋既有從內(nèi)表面萌生，也有從外表面萌生，這些裂紋有環(huán)向、軸向、甚至不規(guī)則的開(kāi)裂，其中對(duì)焦炭塔影響最大的還是環(huán)向裂紋。

研究者認(rèn)為焦炭塔在運(yùn)行期間反復(fù)承受劇烈的溫度循環(huán)變化，軸向的熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)向的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致裙座的膨脹低于殼體膨脹，并在連接處出現(xiàn)熱應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致裙座處出現(xiàn)裂紋[5-9]。文獻(xiàn)[10-13]認(rèn)為裙座產(chǎn)生裂紋的主要原因是焦炭塔在使用過(guò)程中反復(fù)承受的熱-機(jī)械疲勞載荷的作用，并提出在裙座上增加膨脹縫、增設(shè)外壁蒸汽盤(pán)管可以有效延長(zhǎng)焦炭塔的使用壽命。張邵良等[14]基于正交試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬就焦炭塔裙座上開(kāi)柔性槽做了詳細(xì)的研究，最終得出在裙座上開(kāi)柔性槽可以降低裙座焊縫上的應(yīng)力，但是柔性槽上端圓孔處會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。

綜上所述，導(dǎo)致焦炭塔的焊縫發(fā)生開(kāi)裂、變形的主要原因是在焦炭塔頻繁的升溫、降溫過(guò)程中，由于殼體與裙座之間存在較大的溫度梯度，殼體的膨脹變形量大于裙座的變形量，因此在焦炭塔裙座焊縫附近會(huì)受到很大的交變熱應(yīng)力延長(zhǎng)，隨著運(yùn)行周期延長(zhǎng)，最終導(dǎo)致殼體與裙座處產(chǎn)生裂紋。

研究認(rèn)為，殼體與裙座連接的環(huán)焊縫部位開(kāi)裂的主要原因，除了上述原因外，還有整個(gè)殼體震動(dòng)所產(chǎn)生的波動(dòng)性應(yīng)力，這種應(yīng)力的波動(dòng)幅度小，但是頻率高，因此它所產(chǎn)生的疲勞破壞作用不可小覷。

2.2 殼體鼓脹變形

圖2 焦炭塔“葫蘆狀變形”示意圖Fig.2 Schematic diagram of “gourd shaped deformation” of coke drum

焦炭塔的鼓脹變形是指殼體某個(gè)或多個(gè)部位的直徑明顯變大，沿圓周方向整圈鼓起(圖2)，它不同于其他容器上發(fā)生的在圓周和垂直方向均為局部鼓起變形的鼓包。目前焦炭塔發(fā)生鼓脹變形的原因主要有：

1)CHEN等[15]和王清棟[16]認(rèn)為焦炭塔在生焦過(guò)程中，由于溫度的頻繁變化，導(dǎo)致殼體在一個(gè)循環(huán)內(nèi)不同截面、不同部位的載荷也不相同，殼體容易發(fā)生變形。當(dāng)溫度驟降時(shí)，塔內(nèi)焦炭收縮小于殼體收縮，會(huì)在焦炭與殼壁之間產(chǎn)生套后壓力，導(dǎo)致殼壁產(chǎn)生極大的殘余應(yīng)力，繼而產(chǎn)生鼓脹變形。

2)PENSO[17]認(rèn)為焦炭塔為承受軸壓與內(nèi)壓的圓柱薄殼，很可能發(fā)生屈曲，屈曲可能會(huì)導(dǎo)致焦炭塔鼓脹變形。

3)張邵良等[14]認(rèn)為焦炭塔的工作溫度在490 ℃ 以上，母材極有可能發(fā)生蠕變，但是通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)循環(huán)過(guò)程中塔內(nèi)溫度超過(guò)400 ℃ 時(shí)，殼壁的應(yīng)力并不高，由此產(chǎn)生的鼓脹變形并不大，而在焦炭塔急冷階段，塔內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的溫度梯度并產(chǎn)生的熱應(yīng)力。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)焦炭塔卸頂蓋并暴露在空氣中時(shí)，可能發(fā)生閃火，產(chǎn)生局部超高熱，從而導(dǎo)致焦炭塔鼓脹變形。

4)BOWELL等[18]和DUNHAM等[19]認(rèn)為當(dāng)環(huán)焊縫的屈服極限高于殼體時(shí)，殼體受到焊縫的約束，鼓脹變形會(huì)發(fā)生在離焊縫較遠(yuǎn)的上方或下方；當(dāng)焊縫的屈服極限低于殼體時(shí)，則在焊縫處或靠近焊縫處發(fā)生鼓脹變形，但這些鼓脹通常比前一種情況下產(chǎn)生的鼓脹小。

5)ELLIS等[20]發(fā)現(xiàn)在生焦階段的塔內(nèi)焦炭的熱膨脹系數(shù)高于焦炭塔殼壁的熱膨脹系數(shù)，緩慢冷卻塔內(nèi)焦炭，則能降低由焦炭對(duì)殼壁的壓力，從而降低殼體的膨脹。

6)曹福東[21]認(rèn)為鼓脹變形的成因是塑性變形的累積。在熱應(yīng)力作用下，焊縫熱影響區(qū)發(fā)生局部屈服，屈服區(qū)的擴(kuò)展和積累將導(dǎo)致焦炭塔鼓脹變形。

7)柳發(fā)[22]認(rèn)為焦炭塔的鼓脹變形主要原因有高溫蠕變、低周熱疲勞、高溫蠕變與低周熱疲勞共同作用，驟冷、驟熱的熱應(yīng)力引起的局部塑性變形。

綜上所述，焦炭塔鼓脹變形的主要原因?yàn)椋涸谶\(yùn)行過(guò)程中，由于焊縫材料的屈服強(qiáng)度與剛度高于母材的屈服強(qiáng)度與剛度，因此在殼體的環(huán)焊縫上下發(fā)生熱膨脹變形，久而久之，就產(chǎn)生了永久性鼓脹變形，又稱(chēng)“葫蘆狀變形”。

2.3 殼體的傾斜變形

焦炭塔在降溫階段，通常是靠冷卻水降低焦炭塔的溫度。冷卻水通過(guò)結(jié)焦層時(shí)，由于結(jié)焦層具有不規(guī)則形狀和內(nèi)部存在縫隙，冷卻水會(huì)急速冷卻焦炭塔的局部殼體，會(huì)在殼體上形成一個(gè)溫度最低的區(qū)域，又稱(chēng)“冷點(diǎn)區(qū)域”。JU等[23]和李正亮[24]發(fā)現(xiàn)“冷點(diǎn)區(qū)域”在殼體軸向、環(huán)向的溫度場(chǎng)分布不均勻會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力以及繞殼體中心的彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致焦炭塔在此處發(fā)生彎曲變形，進(jìn)而誘發(fā)殼體的整體傾斜。

2.4 焦炭塔下塔蓋變形

焦炭塔錐形下封頭底部有一個(gè)用于排出焦炭的開(kāi)孔，開(kāi)、閉此孔的快開(kāi)式端蓋稱(chēng)為下塔蓋。每次生焦前要快速關(guān)上此蓋，除焦前要快速打開(kāi)此蓋。在頻繁的升壓、加熱與降壓、冷卻過(guò)程中，產(chǎn)生的熱疲勞極易使下塔蓋發(fā)生變形，從而導(dǎo)致密封性不嚴(yán)，在工作時(shí)發(fā)生液體泄漏，甚至發(fā)生火災(zāi)。

3 焦炭塔的延壽技術(shù)

當(dāng)焦炭塔在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)損傷時(shí)，一般不會(huì)輕易將其報(bào)廢、更換，而是根據(jù)損傷程度(分級(jí))和損傷原因，對(duì)焦炭塔進(jìn)行安全性評(píng)定和必要修復(fù)，然后確定其合理的使用壽命。由于焦炭塔的特殊性，目前對(duì)焦炭塔的延壽主要從焦炭塔結(jié)構(gòu)改進(jìn)、焊接修復(fù)以及操作工藝等方面進(jìn)行。

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，焦炭塔的大體結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，對(duì)于焦炭塔的結(jié)構(gòu)多從殼體與裙座及連接處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。目前對(duì)于焦炭塔的殼體與裙座處的連接方式有一般對(duì)接型、堆焊型和整體鍛焊型，如圖3所示。

圖3 焦炭塔殼體與裙座的連接方式Fig.3 Connection mode between coke tower shell and skirt

廣東某石化公司的焦炭塔采用一般對(duì)接型裙座(圖3(a))，運(yùn)行一段時(shí)間后在裙座U形口附近發(fā)現(xiàn)大量裂紋，遂采用圓弧過(guò)渡堆焊型連接方式(圖3(b))，降低了應(yīng)力集中，從而延長(zhǎng)了使用壽命[25]。該公司的焦炭塔殼體與裙座連接焊縫存在環(huán)向裂紋，在一般對(duì)接型的基礎(chǔ)上增加了帶有空氣囊的保溫結(jié)構(gòu)后，減少了殼體與裙座焊縫處的局部溫度梯度，從而減少了裂紋產(chǎn)生的可能性[26]。遼寧某石化公司的裙座柔性槽開(kāi)孔部位附近出現(xiàn)了由內(nèi)而外的穿透性縱向裂紋，改用堆焊型之后(圖3(c))，有效延長(zhǎng)了焦炭塔的使用壽命[27]。上海某石化公司的焦炭塔殼體與裙座連接處、錐形封頭環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋，改用整體鍛焊型之后(圖3(d))，在最近一次的檢修中未發(fā)現(xiàn)裂紋，延長(zhǎng)了焦炭塔的使用壽命[28]。

一般對(duì)接型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但是易產(chǎn)生較大應(yīng)力集中和裂紋；堆焊型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，應(yīng)力集中較小，產(chǎn)生的裂紋也較少，但是制造較復(fù)雜，焊接工作量很大；整體鍛焊型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中小，最重要的是應(yīng)力集中區(qū)的材料由焊縫變?yōu)槟覆?，其產(chǎn)生的裂紋也最少，但是制造成本高?，F(xiàn)在新制造的焦炭塔一般都采用整體鍛焊型結(jié)構(gòu)。

3.2 裂紋的消除與焊接修復(fù)

目前對(duì)于焦炭塔上輕微裂紋都會(huì)采用打磨后焊接的方法進(jìn)行修復(fù)。對(duì)遼寧某石化公司、江蘇某石化公司和河南某石化公司的焦炭塔進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)殼體與裙座連接的環(huán)焊縫存在多處裂紋。將裂紋打磨消除后，經(jīng)過(guò)無(wú)損檢測(cè)，確認(rèn)裂紋已經(jīng)消除[29-31]。山東某石化公司的裙座與錐體連接處存在多條裂紋，通過(guò)碳弧氣刨消除，再用砂輪機(jī)打磨干凈，消除裂紋的打磨深度在2 mm之內(nèi)時(shí)，進(jìn)行打磨圓滑過(guò)渡處理，不需補(bǔ)焊；消除裂紋深度超過(guò)2 mm時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊，滿(mǎn)足檢測(cè)要求[32]。

焦炭塔在使用中產(chǎn)生的裂紋包括表面裂紋和埋藏裂紋(以表面裂紋為多)，目前對(duì)于焦炭塔上輕微裂紋都會(huì)采用打磨后焊接的方法進(jìn)行修復(fù)。對(duì)表面裂紋一般先打磨消除，當(dāng)裂紋深度小于凹坑允許深度時(shí)，用打磨方法進(jìn)行圓滑過(guò)渡，保證側(cè)面斜度小于或等于1∶4。當(dāng)裂紋深度大于或等于凹坑允許深度時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。對(duì)于埋藏裂紋，需要經(jīng)過(guò)缺陷評(píng)定后，判斷是否需要進(jìn)行消除和焊接修復(fù)。

3.3 操作工藝改進(jìn)

3.3.1 延長(zhǎng)冷卻周期

為了提高生產(chǎn)效率，目前國(guó)外很多焦炭塔生焦周期在18 h左右，如凱洛格公司為16～24 h，福斯特-惠勒公司為16～24 h[28]，杜邦公司為11～14 h[33]。采用這種方法，雖然能提高裝置處理能力，以此達(dá)到延壽的目的，但是會(huì)加快焦炭塔升溫和降溫速率，產(chǎn)生更大的應(yīng)力，縮短每個(gè)循環(huán)的時(shí)間。因此將必然導(dǎo)致焦炭塔服役壽命縮短，所以過(guò)分縮短生焦周期對(duì)焦炭塔的使用壽命是有害的。

3.3.2 降低循環(huán)比

循環(huán)比是影響焦炭塔處理能力、生焦性質(zhì)及其分布的重要操作參數(shù)。較低的循環(huán)比有助于提高焦炭塔的生焦的能力，同時(shí)也能降低能耗。所以降低循環(huán)比、提高裝置處理量是延遲焦化工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

河南某石化公司通過(guò)降低循環(huán)比提高了液體產(chǎn)品收率，增加了焦化裝置渣油加工能力，同時(shí)降低了裝置的綜合能耗，而達(dá)到延壽的效果[34]。新疆某石化公司采取外甩部分循環(huán)油裝置降低循環(huán)比，有效降低了加熱爐負(fù)荷，有效延長(zhǎng)了焦炭塔的使用壽命[35]。在降低循環(huán)比的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焦炭塔結(jié)焦傾向增大、超負(fù)荷運(yùn)行等問(wèn)題，目前河南某石化公司通過(guò)原料在線密度儀實(shí)時(shí)檢測(cè)原料性質(zhì)，根據(jù)原料性質(zhì)變化及時(shí)調(diào)整循環(huán)比，改變了原料在爐管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，避免焦炭塔殼壁結(jié)焦，繼而增加焦炭塔的使用壽命。

3.3.3 大吹汽節(jié)能技術(shù)

大吹汽的作用主要是用蒸汽降低焦炭塔內(nèi)焦炭溫度，將焦炭塔內(nèi)焦炭溫度從430 ℃ 左右降低至360 ℃ 左右，為后續(xù)給水冷焦等過(guò)程創(chuàng)造條件。文獻(xiàn)[36]發(fā)現(xiàn)在焦炭塔入口，水汽化產(chǎn)生的體積膨脹會(huì)引起塔內(nèi)焦炭塌方，從而引起炸焦，利用大吹汽節(jié)能技術(shù)，可以較好解決炸焦、殼體鼓脹變形，保證了焦炭塔安全生產(chǎn)。山東某石化公司利用大吹汽節(jié)能技術(shù)，焦炭塔殼壁降溫速率低于40 ℃/h，避免了設(shè)備疲勞損壞[37]。但大吹汽過(guò)程消耗的蒸汽量大，為節(jié)約能源，國(guó)內(nèi)已有企業(yè)采用了智能霧化器將水霧化，與蒸汽一起通入焦炭塔進(jìn)行降溫的技術(shù)，由此節(jié)省了60%～70%蒸汽，經(jīng)濟(jì)效益顯著[36]。由于用水代替了汽，塔內(nèi)降溫速度增大，導(dǎo)致殼壁熱應(yīng)力增加，因此，該技術(shù)應(yīng)用對(duì)塔器的安全存在隱患，采用時(shí)應(yīng)慎重。

4 總結(jié)與展望

研究焦炭塔的失效原因，并對(duì)其損傷程度進(jìn)行評(píng)估，以便保障焦炭塔的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。開(kāi)裂和膨脹的主要原因是在頻繁的升溫、降溫過(guò)程中，由于殼體與裙座之間存在較大的溫度梯度，殼體的膨脹變形量大于裙座的變形量。因此在焦炭塔裙座焊縫附近會(huì)受到很大的交變熱應(yīng)力，隨著疲勞次數(shù)的增加，最終導(dǎo)致開(kāi)裂與彭脹變形。

目前焦炭塔的研究主要是利用有限元進(jìn)行熱力耦合分析，在力學(xué)分析方面，為了還原焦炭塔實(shí)際操作環(huán)境，需要對(duì)焦炭塔進(jìn)行熱力耦合分析。在熱力耦合分析時(shí)，熱應(yīng)力的計(jì)算強(qiáng)烈地依賴(lài)于內(nèi)外壁實(shí)際溫度，但內(nèi)壁溫度無(wú)法得到準(zhǔn)確值，一般采用工作溫度。但是利用工作溫度計(jì)算出的焦炭塔的疲勞壽命非常長(zhǎng)，這與實(shí)際情況嚴(yán)重不符，因此影響焦炭塔疲勞壽命的原因可能還有目前未發(fā)現(xiàn)的更重要的因素，有待去發(fā)現(xiàn)。在有限元應(yīng)力分析方面，目前大部分研究者進(jìn)行的是線彈性有限元分析，但實(shí)際上塔內(nèi)最高溫度為480 ℃，殼壁材料實(shí)際上可能已經(jīng)處于彈塑性狀態(tài)，因此需要進(jìn)行彈塑性應(yīng)力分析。

文章針對(duì)焦炭塔使用壽命短的問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)焦炭塔失效形式、失效原因分析，對(duì)已有研究成果進(jìn)行了分析，評(píng)述了焦炭塔失效的原因，并總結(jié)了關(guān)于焦炭塔的3個(gè)方面的延壽措施。措施包括：結(jié)構(gòu)改進(jìn)、操作工藝改進(jìn)和焊接修復(fù)。解決焦炭塔延壽問(wèn)題，具有重要的理論價(jià)值和工程實(shí)用意義。