延遲焦化工藝和工程

延遲焦化工藝與工程第七章

焦炭塔和焦化分餾塔第七章

焦炭塔和焦化分餾塔7.1

焦炭塔7.1.1

焦炭塔工藝特點(diǎn)和構(gòu)造特點(diǎn)7.1.2

焦炭塔操作及對(duì)壽命的影響7.1.3

焦炭塔材質(zhì)選擇7.1.4

焦炭塔裙座構(gòu)造7.1.5

焦炭塔保溫7.1.6

焦炭塔構(gòu)造設(shè)計(jì)改善7.1.7

焦炭塔大型化7.1.8

焦炭塔儀表、自動(dòng)化7.1.9

焦炭塔的檢測(cè)和壽命評(píng)定7.2焦化分餾塔7.2.1

焦化分餾塔設(shè)計(jì)特點(diǎn)7.2.2

焦化分餾塔的塔板構(gòu)造

第七章

焦炭塔和焦化分餾塔7.1

焦炭塔

7.1.1

焦炭塔的工藝特點(diǎn)和設(shè)備特點(diǎn)

延遲焦化是以渣油或類似渣油的多種重質(zhì)油、污油及原油為原料，通過(guò)加熱爐快速加熱到一定的溫度后進(jìn)入焦炭塔，在塔內(nèi)適宜的溫度、壓力條件下發(fā)生裂解、縮合反映，生成氣體、汽油、柴油、蠟油、循環(huán)油組分和焦炭的工藝過(guò)程，見圖7－1。延遲焦化妝置的重要設(shè)備有焦化加熱爐、焦炭塔、焦化分餾塔、吹汽放空塔、加熱爐進(jìn)料泵、水力除焦機(jī)械等，其中焦化加熱爐被認(rèn)為是焦化妝置的核心設(shè)備，而焦炭塔則是焦化妝置的核心設(shè)備。由于焦炭塔是焦化妝置的反映器，加熱爐、分餾塔、放空系統(tǒng)、冷切焦水解決系統(tǒng)、水力除焦系統(tǒng)等均與之有關(guān)。即使焦炭塔是一種空筒設(shè)備，但它的設(shè)計(jì)涉及到幾乎全裝置的工藝過(guò)程。

焦炭塔的工藝特點(diǎn)是操作溫度高，最高可達(dá)成495℃，操作溫度變化頻繁，每一種操作周期都要由常溫變化到最高操作溫度，并生焦周期越短，變溫速度越快；它不僅是一種反映器并且還是一種裝焦炭的容器，操作不當(dāng)會(huì)使生焦的泡沫溢出，造成后部系統(tǒng)結(jié)焦。焦炭塔在生焦過(guò)程中基本處在恒溫操作。在除焦過(guò)程中要通過(guò)先降溫再升溫的變化過(guò)程，往往由這一種變溫操作過(guò)程使焦炭塔及其有關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有些復(fù)雜。

焦炭塔普通是兩臺(tái)一組，每套延遲焦化妝置中有的是一組（兩臺(tái)），有的是兩組（四臺(tái)）焦炭塔。在每組塔中，一臺(tái)塔在反映生焦時(shí)，另一臺(tái)塔則處在除焦階段。即當(dāng)一臺(tái)塔內(nèi)焦炭積聚到一定高度時(shí)進(jìn)行切換，切換后先通入少量蒸汽把輕質(zhì)烴類汽提去分餾塔，再大量通入蒸汽，汽提重質(zhì)烴類去放空冷卻塔，回收重油和水。待含在焦炭?jī)?nèi)的大量油被吹出后再通入冷卻水使焦炭冷卻到80℃左右，然后除焦。除焦完畢后再用另一種塔的油氣預(yù)熱到400℃左右，然后切換進(jìn)料。每臺(tái)塔的切換使用周期普通為48小時(shí)，其中生焦24小時(shí)，除焦及其它輔助操作24小時(shí)（見表7－1）。除焦采用高壓水，高壓水壓力達(dá)14.8～30MPa。取決于塔徑的大小。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在每臺(tái)塔的切換周期已縮短，普通30～36小時(shí)。除下的焦炭落入焦池，同時(shí)用橋式起重抓斗經(jīng)皮帶輸送到別處寄存或裝車外運(yùn)。裝置所產(chǎn)的氣體和汽油，分別用氣體壓縮機(jī)和泵送入穩(wěn)定吸取系統(tǒng)進(jìn)行分離，得到干氣及液化氣，并使汽油的蒸汽壓合格。柴油需要加氫精制，蠟油可作為催化裂化及加氫裂化原料或燃料油。

表7－1

除焦及其它輔助操作序號(hào)操作時(shí)間(小時(shí))操作條件介質(zhì)來(lái)源及去向操作重要目的24181掃換四通閥0.50.5現(xiàn)場(chǎng)切換，電動(dòng)或氣動(dòng)操作渣油由A塔改去B塔2少量吹蒸汽1.0蒸汽：2～5t/h蒸汽來(lái)自管網(wǎng)油氣去分餾塔汽提焦炭塔內(nèi)輕質(zhì)油，油氣及泡沫層3大量給水2.51.0蒸汽:10～18t/h蒸汽來(lái)自管網(wǎng)油汽去放空塔汽提焦炭?jī)?nèi)的大量重油，冷卻焦炭。4少量給水1.55.5冷焦水:10～20t/h水來(lái)自冷焦水解決系統(tǒng)，蒸汽去放空塔快速冷卻焦炭，進(jìn)一步汽提焦炭?jī)?nèi)重油5大量給水3.5冷焦水:～350t/h水來(lái)自冷焦水解決系統(tǒng)，蒸汽去放空塔，溢流水去水解決系統(tǒng)冷卻焦炭及焦炭塔，達(dá)成80～下列6排放冷焦水4.01.5排水：400t/h排水至冷焦水解決系統(tǒng)放凈塔內(nèi)水，便于卸頂?shù)咨w7卸塔蓋0.51.25風(fēng)動(dòng)扳手或液壓自動(dòng)卸蓋先卸頂蓋后卸底蓋為除焦作準(zhǔn)備8水力除焦4.55水壓力：15～30MPa水流量：150～300m3/h水來(lái)自高壓水泵，焦炭去焦池去除塔內(nèi)的焦炭為換塔作準(zhǔn)備9裝塔蓋0.50.75風(fēng)動(dòng)扳手或液壓自動(dòng)卸蓋先裝底蓋后裝頂蓋10試壓1.0蒸汽沖壓到0.3MPa蒸汽來(lái)自管網(wǎng)密封實(shí)驗(yàn)，趕空氣11油氣預(yù)熱4.53.5油氣：～420℃

～0.2MPa油氣來(lái)自B塔，不凝氣去分餾塔使焦炭塔塔體升溫到400℃左右，避免換塔時(shí)溫度變化太快。

圖7－1

延遲焦化流程焦炭塔的工藝設(shè)計(jì)重要涉及焦炭塔直徑的擬定、塔高的擬定、和有關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

焦炭塔的直徑和高度

焦炭塔的直徑和高度重要取決于裝置的解決量、原料性質(zhì)、操作溫度、操作壓力和循環(huán)比。裝置的解決量是決定焦炭塔大小的重要參數(shù)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)單塔解決量和焦炭塔規(guī)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系以下：

表7－2序號(hào)單塔解決量(萬(wàn)噸/年)焦炭塔規(guī)格（mm）建設(shè)時(shí)間操作循環(huán)比120～30φ5400×18000（切）50年代至70年代1.3～1.4240～50φ6100×21000（切）80年代至90年代1.3～1.43100～120φ8400～φ8600×24000（切）90年代以來(lái)1.15～1.354140～160φ8800～φ9400×2700（切）21世紀(jì)初1.15～1.25

焦炭塔的單塔解決量越大，規(guī)定的焦炭塔直徑越大，這重要是由焦炭塔塔內(nèi)的允許氣速?zèng)Q定的。焦化原料渣油在加熱爐中被快速加熱到500℃左右進(jìn)入焦炭塔，為避免加熱爐管結(jié)焦，爐出口的反映轉(zhuǎn)化率普通不不不大于8％（氣體和汽油的轉(zhuǎn)化率），大部分的反映延遲到焦炭塔內(nèi)進(jìn)行。原料進(jìn)入焦炭塔，在塔內(nèi)適宜的壓力、溫度和停留時(shí)間的條件下發(fā)生裂解和縮合反映，裂解為吸熱反映，縮合為放熱反映，裂解的熱量除了來(lái)自原料渣油本身外尚有一部分由縮合反映提供，縮合反映生成的焦炭停留在塔內(nèi)，并由塔壁向中心擴(kuò)展，中心形成進(jìn)料通道，在焦炭層以上為重要反映區(qū)，即泡沫層。泡沫層分油相泡沫和氣相泡沫，氣相泡沫在上部，其密度約為30～100kg/m3，油相泡沫在焦層以上，其密度約為100～700kg/m3，焦化反映溫度即為泡沫層溫度，普通為460～480℃，并且生焦率越高，該反映溫度越高。

隨著原料的不停進(jìn)入，產(chǎn)生的焦炭量不停增加，焦炭層高度增加，泡沫層也隨之持續(xù)升高。塔內(nèi)反映示意見圖7－2。

圖7－2

焦炭塔內(nèi)生焦示意圖

由于泡沫層為反映區(qū)，普通不但愿正在反映的泡沫被油氣夾帶到焦炭塔頂口的大油氣管線和分餾塔，造成管線結(jié)焦和分餾塔內(nèi)結(jié)焦影響產(chǎn)品質(zhì)量。焦炭塔內(nèi)油氣的允許氣速可用下式計(jì)算：

其中Uc為塔內(nèi)氣相線速，m/s；

為輕相泡沫層密度，kg/m3；

為氣相層密度，kg/m3；

據(jù)資料報(bào)導(dǎo)，國(guó)外在焦炭塔內(nèi)不注入消泡劑時(shí)，允許氣速普通為0.11～0.17m/s。在使用消泡劑時(shí)，正常的設(shè)計(jì)油氣速度應(yīng)低于0.12～0.21m/s。根據(jù)允許的油氣速度和焦炭塔內(nèi)的油氣流量，結(jié)合進(jìn)料性質(zhì)和塔頂操作壓力即可擬定焦炭塔的直徑。

焦炭塔內(nèi)的油氣體積流量除和渣油進(jìn)料量有關(guān)外，與原料性質(zhì)、操作條件也有親密的關(guān)系。在擬定焦炭塔的直徑以前應(yīng)首先擬定焦炭塔的操作條件和產(chǎn)品分布。渣油是以碳、氫為重要元素的大分子烴類，普通分為飽和烴、芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)含量高的渣油生焦率較高，輕油收率較低。普通生焦率的估算可按式：Wc=1.6K進(jìn)行，其中K為渣油的康氏殘?zhí)?，產(chǎn)品分布普通最后由實(shí)驗(yàn)擬定。當(dāng)原料性質(zhì)擬定后，對(duì)生焦率和產(chǎn)品分布影響較大的重要是循環(huán)比、反映溫度和壓力。循環(huán)比減少10％，生焦率普通減少1％，同時(shí)焦化蠟油收率增加，氣體、汽油、柴油收率下降。當(dāng)需要提高裝置的液體收率時(shí)普通采用減少循環(huán)比（0.15～0.25）或零循環(huán)比操作；當(dāng)需要多產(chǎn)焦化石腦油和柴油時(shí)普通采用較大循環(huán)比（0.25～0.45）操作；當(dāng)焦化蠟油無(wú)出路或需要最大可能地生產(chǎn)柴油和乙烯原料時(shí)普通采用大循環(huán)比（0.4～1.0）操作。循環(huán)比越大，焦炭塔內(nèi)的油氣體積流量越大。提高焦化溫度可增產(chǎn)液體產(chǎn)品收率，但基于焦化反映的特點(diǎn)，反映溫度（爐出口溫度控制）調(diào)節(jié)的幅度是很窄的，溫度過(guò)高會(huì)造成提前結(jié)焦，堵塞爐管、轉(zhuǎn)油線，影響開工周期，同時(shí)易生成硬質(zhì)石油焦，使除焦困難；溫度過(guò)低造成熱量局限性反映深度不夠，輕油收率減少，焦炭揮發(fā)分增大或產(chǎn)生焦油。普通狀況下是根據(jù)原料性質(zhì)擬定最佳的操作溫度，普通焦化爐出口溫度為495～505℃，芳烴含量和瀝青質(zhì)含量的比值較大時(shí)宜采用較高的爐出口溫度。采用低壓操作可改善焦化產(chǎn)品分布，在國(guó)內(nèi)外已普遍承認(rèn)，國(guó)內(nèi)焦炭塔塔頂操作壓力普通為0.15～0.20Mpa，國(guó)外最低的達(dá)成0.1～0.15Mpa。壓力減少普通能提高蠟油的收率，但是增大了焦炭塔的氣體體積流量，勢(shì)必使焦炭塔的塔徑和油氣管線加大，并影響壓縮機(jī)的加大，因此裝置的投資增加，因此應(yīng)綜合設(shè)備投資、操作費(fèi)用和產(chǎn)品分布等因素?cái)M定適宜的操作壓力。

在基本擬定焦炭塔的直徑后，根據(jù)焦炭產(chǎn)率、生焦時(shí)間、泡沫層高度來(lái)擬定焦炭塔的高度。焦炭產(chǎn)率和原料性質(zhì)、操作條件有關(guān)，泡沫層高度和原料性質(zhì)、反映溫度及壓力有關(guān)，普通狀況下生焦率高的渣油反映的泡沫層高度小，生焦率低的渣油的泡沫層高度大。當(dāng)在焦炭塔內(nèi)注入消泡劑后，泡沫層的高度普通減少40～65％。當(dāng)單塔解決能力、原料性質(zhì)和操作條件擬定后，塔內(nèi)的焦層高度重要決定于生焦時(shí)間?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)焦化妝置設(shè)計(jì)的生焦時(shí)間均為24小時(shí)，國(guó)外焦化生焦時(shí)間為12～24小時(shí)，采用16～18小時(shí)的占大多數(shù)，采用短的生焦時(shí)間，能夠提高焦炭塔的運(yùn)用率，或者同等規(guī)模的焦炭塔的高度減少。在擬定焦炭塔高度時(shí)應(yīng)留有一定的安全空高，安全空高普通為塔頂切線離泡沫層頂部的距離。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的焦炭塔普通安全空高不不大于等于5米，國(guó)外焦炭塔的安全空高普通為2～3米?？崭咴酱?，焦炭塔的運(yùn)用率越低，但油氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)減少油氣線和分餾塔內(nèi)結(jié)焦有利。

空高的計(jì)算公式以下：

其中：H切－焦炭塔切線高度，m；

G焦－焦炭生焦率，kg/h；

焦－生焦時(shí)間，hr；

焦－塔內(nèi)焦炭堆密度，kg/m3(800～900kg/m3)；

V錐－焦炭塔錐體體積：m3；

D塔－焦炭塔直徑，m；

H泡沫－泡沫層高度，m。

普通所說(shuō)的縮短生焦時(shí)間能夠提高解決量，只是焦炭塔的安全空高增大，對(duì)應(yīng)的油氣線速能夠在較高的范疇內(nèi)操作。另外采用在生焦早期加大焦炭塔的進(jìn)料，生焦末期減少焦炭塔的進(jìn)料的方法，也能夠提高裝置的年加工能力。

焦炭塔直徑和切線高度的關(guān)系

焦炭塔直徑和高度互相補(bǔ)充，當(dāng)裝置解決量、操作條件擬定后，直徑增大能夠減少高度，高度增加也能夠合適減少塔徑。國(guó)內(nèi)在過(guò)去建設(shè)的焦炭塔的直徑普通為5.4～6.4米，其高徑比普通為3～4。近來(lái)建設(shè)的大直徑焦炭塔的高徑比普通為2～3。美國(guó)焦炭塔的高徑比普通為2～3。

焦炭塔的直徑和高度受到水力除焦機(jī)械，制造、運(yùn)輸、吊裝等的限制，不適宜太大和太高，美國(guó)現(xiàn)在運(yùn)行的最大焦炭塔的直徑為9.114米。建議在裝置解決量較大，采用一爐二塔使焦炭塔的直徑和高度特別龐大時(shí)，采用二爐四塔或三爐六塔更為適宜。

焦炭塔的構(gòu)造特點(diǎn)

焦炭塔是一種直立園柱殼壓力容器，頂部是球形或橢圓形封頭，下部是錐體，見圖7-3。直徑范疇普通為4.6～9.4米，高約25～35米。在頂部有直徑為φ600～φ1500的盲板法蘭（即鉆焦口），底部有φ1600～φ的盲板法蘭（即卸焦口），該盲板法蘭上有φ150～φ300的渣油入口接管。裙座位于連接殼體與錐體焊縫的區(qū)域，用來(lái)支撐塔體。普通焦炭塔是用碳鋼、C-1/2Mo、1Cr-1/2Mo、11/4Cr-1/2Mo和21/4Cr-1.0Mo鋼制造，其壁厚普通在14～42毫米之間。

普通，焦炭塔殼體采用不銹鋼復(fù)合板制造，復(fù)層為厚2.0～3.2mm的405或410S型不銹鋼，以抵抗腐蝕。

焦炭塔設(shè)計(jì)壓力范疇為0.2～0.8MPa，普通為0.25～0.35MPa。操作溫度為427～495℃。

焦炭塔外保溫普通采用120～180mm的玻璃纖維或復(fù)合硅酸鹽等保溫材料，并用鋁合金薄板或不銹鋼薄板作為保護(hù)層。壓力安全閥位于焦炭塔頂部，料位測(cè)量普通采用三個(gè)中子料位計(jì)，安裝于塔體外表面。

焦炭塔上封頭過(guò)去大多采用球形封頭，其優(yōu)點(diǎn)是受力條件好，耗材少；但近來(lái)大都采用橢圓封頭（2：1），其優(yōu)點(diǎn)在于在確保塔頂標(biāo)高不變的狀況下（即鉆桿長(zhǎng)度不變）的狀況下，能增加焦炭塔筒體段的有效體積。以φ8800焦炭塔為例，將球形封頭改為橢圓封頭，能增加體積44.6米3。

焦炭塔下部進(jìn)料口的接管的構(gòu)造型式大致有三種，即從側(cè)面進(jìn)入、水平并呈向上傾斜方向進(jìn)入和軸向進(jìn)入。操作經(jīng)驗(yàn)表明，500℃左右的原料油從側(cè)面進(jìn)入焦炭塔會(huì)造成塔底加熱不均勻，所引發(fā)的變形會(huì)促使塔體傾斜并產(chǎn)生裂紋、鼓脹和其它缺點(diǎn)，將使塔的可靠性下降。當(dāng)原料油入口接管呈水平方向和呈向上傾斜方向配備時(shí)，對(duì)面的器壁受較強(qiáng)烈加熱而產(chǎn)生附加的應(yīng)力;若原料油在中心軸向進(jìn)入，則能夠確保設(shè)備均勻加熱，焦炭塔操作的可靠性增大，這種構(gòu)造設(shè)計(jì)使變形減少?，F(xiàn)在焦炭塔大都采用這種軸向進(jìn)料方式。

7.1.2

焦炭塔操作特點(diǎn)及對(duì)壽命的影響

焦炭塔作用是將重油（渣油）輕質(zhì)化變成瓦斯、液體產(chǎn)品和焦炭。渣油在加熱爐內(nèi)被加熱到500℃左右進(jìn)入塔內(nèi)，單系列的延遲焦化妝置使用二臺(tái)并聯(lián)的焦炭塔，進(jìn)行持續(xù)操作，見圖7-4。該操作過(guò)程是周期性的，當(dāng)焦炭在一臺(tái)塔內(nèi)積聚，而另一臺(tái)塔進(jìn)行清焦。焦炭在塔壁上積聚并在塔內(nèi)累積增加，最后用高壓水噴頭切除。普通每隔48小時(shí)或36小時(shí)為一周期。焦炭塔冷卻到環(huán)境溫度又重新被加熱到454～495℃，見圖7-5。隨著著長(zhǎng)久重復(fù)冷卻和重復(fù)加熱可造成塔體變形，鼓脹和開裂。

焦炭塔操作時(shí)，塔壁溫度變化復(fù)雜，引發(fā)的應(yīng)力也非常復(fù)雜。如果單向?yàn)楸诤穹较蛞l(fā)的熱應(yīng)力，當(dāng)升溫時(shí)塔外壁為拉應(yīng)力而當(dāng)單向由縱向溫差引發(fā)的熱應(yīng)力，則塔外壁為壓應(yīng)力。實(shí)測(cè)的焦炭塔縱向溫差為175℃（間距2米）而壁厚溫差為85℃[16]，顯然縱向引發(fā)的熱應(yīng)力絕對(duì)值不不大于壁厚引發(fā)熱應(yīng)力的絕對(duì)值。如果這時(shí)的綜合應(yīng)力超出了材料在該溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引發(fā)塔壁的局部塑性變形，重復(fù)循環(huán)，將出現(xiàn)“熱應(yīng)力棘輪現(xiàn)象”，它比相似的定常應(yīng)力的靜態(tài)蠕變要大得多，這就是焦炭塔鼓脹變形的重要因素。

圖6-1焦炭塔簡(jiǎn)圖

圖7－3

焦炭塔簡(jiǎn)圖

日本學(xué)者平修二1974年綜合敘述了“棘輪”概念，即受靜載荷作用的構(gòu)件，若重復(fù)施加能產(chǎn)生塑性變形的大應(yīng)力，則在部件受定常載荷作用的方向上產(chǎn)生永久變形，并且逐步增加，這種永久變形的增加狀態(tài)恰恰和齒輪在解脫制動(dòng)器后開始旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)相似，故稱之為“棘輪”作用[9]。

在焦炭塔壽命的早期，變形僅局限于底部發(fā)生，隨著時(shí)間的推移，上部產(chǎn)生的鼓脹更加明顯。由于環(huán)縫含有較高的屈服強(qiáng)度，又該焊縫厚度又比母材稍厚某些，因而顯示出較少的鼓脹，焦炭塔就產(chǎn)生一種糖葫蘆狀的鼓凸，見圖7-6。

圖7-4

單系列延遲焦化妝置簡(jiǎn)圖

圖7-5

焦炭塔溫度曲線

A

B

C

D

正常形狀

1#階段

2#階段

3#階段

鼓包開始

腰圍脹大

鼓包形成

圖7-6

鼓包形成的階段

焦炭塔發(fā)生裂紋最多的位置是裙座焊縫，最嚴(yán)重的是勝利煉油廠3＃焦炭塔焊縫整圈開裂，造成塔體下沉807毫米，塔體傾斜395毫米；石油一廠焦炭塔焊縫開裂長(zhǎng)度3.77米，塔體傾斜74毫米；大慶1＃焦炭塔和南煉2＃焦炭塔裂紋分別為9.4米和4.06米。

由于熱機(jī)械疲勞的影響，南京煉油廠在焦炭塔外壁焊縫熔合線發(fā)現(xiàn)裂紋最長(zhǎng)2米，深3毫米；廣州石化廠的焦炭塔運(yùn)行五年后發(fā)現(xiàn)T101／4塔裙座與塔體連接焊縫存在斷續(xù)長(zhǎng)度10米，最深達(dá)5毫米的環(huán)向裂紋[11]。

7.1.3

焦炭塔材質(zhì)的選擇

7.1.3.1

塔體材質(zhì)的選擇

焦炭塔的操作溫度約427～495℃，操作壓力約0.1～0.27MPa（表）；生產(chǎn)針狀焦的焦炭塔，操作壓力可更高某些達(dá)0.7～0.8Mpa，操作溫度達(dá)510～520℃。周期性操作使焦炭塔重復(fù)處在驟冷驟熱、承受高壓水沖擊等苛刻操作條件，以致出現(xiàn)塔體腐蝕、變形和出現(xiàn)鼓包，甚至焊縫開裂、塔體傾斜等狀況。塔體變形狀況與焦炭塔的材質(zhì)有關(guān)，碳鋼制造的焦炭塔，發(fā)生鼓包處塔徑可增大200～250mm。使用碳－鉬或鉻－鉬鋼制造的焦炭塔，產(chǎn)生鼓包、徑向增大量就比較小。普通鉻鉬鋼焦炭塔最早產(chǎn)生穿透裂紋的時(shí)間為；碳鉬鋼焦炭塔為8年；碳鋼焦炭塔只有7年[8]。過(guò)去國(guó)內(nèi)焦炭塔材質(zhì)多采用20號(hào)鋼，壁厚24～32mm，使用一定時(shí)期后均出現(xiàn)上述塔體鼓包、變形狀況。國(guó)外從70年代起就已使用鉻鉬鋼（1Cr-1/2Mo或11/4Cr-1/2Mo）制造塔體，內(nèi)襯410S型不銹鋼。

美國(guó)石油學(xué)會(huì)于1968年、1980年和1996年對(duì)美國(guó)國(guó)內(nèi)外焦炭塔的使用狀況進(jìn)行了三次調(diào)查研究，并提出了報(bào)告。報(bào)告表明，美國(guó)用于制造焦炭塔的材質(zhì)重要有三種：

（1）碳鋼（例如A285C級(jí)）。

（2）碳鉬鋼（例如A204C級(jí)）。

（3）鉻鉬鋼（例如A387Gr.11）。

用碳鋼制造的焦炭塔已使用數(shù)年，其優(yōu)點(diǎn)是制造容易，對(duì)于小直徑的塔，價(jià)格便宜，投資省。缺點(diǎn)是耐熱強(qiáng)度低，易變形，焊縫易開裂，維修費(fèi)用高。

用碳鉬鋼的優(yōu)點(diǎn)是耐熱強(qiáng)度稍高，但制造較復(fù)雜，需要整體熱解決。

用鉻鉬鋼，耐熱強(qiáng)度更高，抗腐蝕性好，盡管制造也有一定難度，需要熱解決等，但性能好、整體價(jià)格便宜。

據(jù)1996年API調(diào)查[2]，1950～1959年，大量采用碳鋼和C－Mo鋼。1980～1997年大量使用Cr-Mo鋼，見圖7－7。Cr－Mo鋼中經(jīng)慣用的是1Cr-1/2Mo、11/4Cr-1/2Mo和21/4Cr-1.0Mo鋼，見圖7－8，從1970年后來(lái)，Cr-Mo鋼塔的數(shù)量不停增加，特別是11/4Cr-1/2Mo鋼塔增加很快。由于11/4Cr-1/2Mo鋼和1Cr-1/2Mo鋼相比，許用應(yīng)力高，對(duì)缺口敏感性小，耐熱性更加好。見表7－3：

表7－3焦碳塔所用不同鋼材的性能比較材料1Cr-1/2Mo11/4Cr-1/2Mo-Si注許用應(yīng)力475℃(Mpa)107116按ASMEVIII篇第一分篇高溫屈服強(qiáng)度475℃(Mpa)176.5185.5按ASMEII篇D分篇

調(diào)查份數(shù)年份

圖7-7

材料選擇的趨勢(shì)（殼體和錐體）

1Cr-1/2Mo鋼重要是珠光體組織而11/4Cr-1/2Mo-Si鋼重要是貝氏體組織，鋼板二分之一厚度處的沖擊值更高且穩(wěn)定。

11/4Cr-1/2Mo鋼，我國(guó)的鋼號(hào)為14Cr1MoR，據(jù)調(diào)查，舞陽(yáng)鋼廠能批量生產(chǎn)，性能符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

API調(diào)查指出：新塔的材料選擇趨向于提高Cr-Mo合金元素的含量。例如采用21／4Cr-1.0Mo鋼，由于它含有更高的屈服強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和抗蠕變疲勞能力，因而能更加好的抵抗熱循環(huán)。為了進(jìn)一步提高焦炭塔壽命，美國(guó)已開始采用21/4Cr-1.0Mo鋼，例如福斯特·惠勒（Foster-Wheeler）公司為印度信誠(chéng)石油公司（ReliancePetroleumLtd）設(shè)計(jì)的直徑29英尺的焦炭塔下部錐體采用21／4Cr-1.0Mo鋼，上部殼體采用11/4Cr-1/2Mo鋼。據(jù)資料介紹，美國(guó)現(xiàn)在正在研究采用含3％Cr鋼制造焦炭塔[12]。

年份

圖7－8

材料選擇的趨勢(shì)（殼體和錐體材料）

過(guò)去國(guó)內(nèi)使用的焦炭塔材質(zhì)大都選用20g，使用一定時(shí)期后均出現(xiàn)上述塔體鼓包、變形狀況，最長(zhǎng)壽命也有達(dá)20數(shù)年。碳鋼焦炭塔出現(xiàn)過(guò)這種鼓包變形（俗稱“糖葫蘆變形”）和焊縫開裂現(xiàn)象，經(jīng)修補(bǔ)后經(jīng)專家評(píng)定有的塔仍能使用，積累了諸多碳鋼焦炭塔的使用經(jīng)驗(yàn)。焦炭塔選用碳鋼的優(yōu)點(diǎn)是鋼板貨源充足，價(jià)格低，焊接方便且不需熱解決，修補(bǔ)方便。但隨著焦炭塔大型化，碳鋼材料已明顯不能適應(yīng)其規(guī)定。由于碳鋼鋼板厚度已超出允許不熱解決的范疇，與其使用碳鋼進(jìn)行熱解決，還不如用Cr-Mo鋼更為經(jīng)濟(jì)，更為合理。

對(duì)鋼材性能分析表明：20g的最高使用溫度為450℃，在焦炭塔的操作工況條件下，長(zhǎng)久使用還是有可能產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象的。產(chǎn)生石墨化的時(shí)間約幾萬(wàn)小時(shí)。石墨化的成果將會(huì)造成鋼材韌性、強(qiáng)度和塑性減少。不少碳鋼制焦炭塔使用幾年后出現(xiàn)嚴(yán)重變形和裂紋就是例證。而15CrMoR是耐熱鋼，其機(jī)械性能大大優(yōu)于20g和20R，例如：475℃許用應(yīng)力：15CrMoR（正火+回火）為110MPa，而20R僅是41MPa；475℃10萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度：15CrMoR達(dá)180MPa，而20R僅為59MPa。

就蠕變強(qiáng)度而言，20g在400℃以上即可生產(chǎn)蠕變，450℃的蠕變極限為44MPa（此時(shí)對(duì)應(yīng)的蠕變速率為1×10-5）。根據(jù)南京煉油廠對(duì)焦炭塔塔體的受力分析[16]，膜應(yīng)力較小，軸向應(yīng)力為10.9MPa,環(huán)向應(yīng)力為21.8MPa；而熱應(yīng)力較大，進(jìn)油階段由外壁厚度方向引發(fā)的環(huán)向和軸向熱應(yīng)力為44.8MPa。冷卻期間，軸向溫差所產(chǎn)生的環(huán)向和軸向熱應(yīng)力分別為80.5MPa和24.15MPa（平均值）。由此可見，熱應(yīng)力和內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力疊加已超出56MPa，且在420℃以上持續(xù)20多小時(shí)，足以使材料發(fā)生蠕變。因此使用20g鋼板易產(chǎn)生“糖葫蘆”現(xiàn)象。而15CrMo鋼的475℃蠕變極限為100MPa（對(duì)應(yīng)的蠕變率也為1×10-5），幾乎是20g的2倍。如按上述南京煉油廠焦炭塔的應(yīng)力分析，其熱應(yīng)力和內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力疊加亦不大于15CrMo的蠕變極限110MPa。由此可見，如選用15CrMo鋼，焦炭塔發(fā)生蠕變的可能性小得多。

焦炭塔選用國(guó)產(chǎn)15CrMoR及其復(fù)合板是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

1、該鋼種在1996年4月5日公布的GB6654-1996“壓力容器用鋼板”中已正式列入原則。加氫設(shè)備中已應(yīng)用多臺(tái)。使用證明，我國(guó)的15CrMoR鋼板水平及實(shí)物水平已達(dá)成了ASME“鍋爐和壓力容器規(guī)范”第二篇中SA387Gr12規(guī)定的規(guī)定，并已獲得一定的制造經(jīng)驗(yàn)，是現(xiàn)在制造焦炭塔較抱負(fù)的材料。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)15CrMoR鋼板生產(chǎn)已成熟，性能基本穩(wěn)定。舞陽(yáng)鋼廠、武漢鋼廠、重慶鋼廠等都能批量生產(chǎn)，為了更安全可靠，對(duì)鋼板提出了某些特殊規(guī)定。

①P含量規(guī)定≤0.012%，S含量規(guī)定≤0.010%，而GB6654規(guī)定S≤0.030%，P≤0.030%。

②提高了常溫沖擊值的規(guī)定，+10℃夏比（V型缺口）沖擊功≥80J（三個(gè)試樣平均值）允許其中一種試樣≥60J。而GB6654規(guī)定：沖擊功≥31J（三個(gè)試樣平均值）允許其中一種試樣≥22J。

上述規(guī)定國(guó)內(nèi)鋼廠現(xiàn)都能滿足。

2、復(fù)合鋼板國(guó)內(nèi)也能提供，據(jù)對(duì)宜賓復(fù)合板廠調(diào)查，該廠能夠提供爆炸復(fù)合鋼板，并提供對(duì)應(yīng)的焊接工藝。該廠生產(chǎn)的該類復(fù)合板已用于制造加氫重整裝置的預(yù)加氫反映器，其焊接工藝成熟的。

針對(duì)焦炭塔的操作特點(diǎn)，人們緊張使用復(fù)合板與否會(huì)產(chǎn)生復(fù)層和基層的剝離問(wèn)題呢？經(jīng)分析是不會(huì)產(chǎn)生的，理由是：

（1）復(fù)層（0Cr13A1或0Cr13）金相組織是鐵素體或鐵素體＋馬氏體，和基層基本一致，其膨脹系數(shù)α也差不多。

（2）據(jù)宜賓復(fù)合板廠介紹，該廠的復(fù)合板是爆炸復(fù)合的，復(fù)合的過(guò)程是一種焊接過(guò)程，基層和復(fù)合層的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB8165-87，軋制復(fù)合板的剪切強(qiáng)度τ≥147MPa；而根據(jù)JB4733-1996“壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板”原則，其爆炸復(fù)合鋼板的剪切強(qiáng)度τ≥210MPa。

根據(jù)使用條件，應(yīng)選擇B1級(jí)，即復(fù)層的貼合率為100%。

3、15CrMoR殼體根據(jù)規(guī)范GB150-89規(guī)定應(yīng)進(jìn)行焊后整體熱解決，據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)對(duì)于大型設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)熱解決已有了成熟的經(jīng)驗(yàn)。

總而言之，對(duì)于大型焦炭塔，其材質(zhì)選用Cr-Mo鋼及其復(fù)合板是合理的也是可行的。

隨著技術(shù)進(jìn)步及延遲焦化妝置大型化的需要，焦炭塔大型化是必然趨勢(shì)。從我國(guó)第一種Cr-Mo鋼塔即上海石化公司2臺(tái)φ8400焦炭塔問(wèn)世以來(lái)，Cr-Mo鋼塔不停出現(xiàn)，到現(xiàn)在為止已有50多臺(tái)Cr-Mo鋼焦炭塔投入使用。

7.1.3.2

有關(guān)復(fù)層材料的選擇

據(jù)資料調(diào)查，國(guó)外的焦炭塔幾乎全部采用不銹鋼復(fù)合板制造。根據(jù)我國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，由于焦炭塔泡沫層下列部分有一層焦炭保護(hù)，腐蝕很輕，能夠不用復(fù)合板。根據(jù)SH／T3096－“加工高硫原油重點(diǎn)裝置重要設(shè)備設(shè)計(jì)選材導(dǎo)則”規(guī)定，從頂部至泡沫層下列200mm處應(yīng)采用不銹鋼復(fù)合板，復(fù)層為0Cr13A1或0Cr13。

復(fù)層采用0Cr13A1(即405鋼)和0Cr13（即410S），哪種更加好呢？據(jù)API調(diào)查[2]，美國(guó)1969以前基本都采用405鋼，1970年后來(lái)基本都采用410S鋼，見圖7－9。據(jù)資料介紹[1]，采用405型不銹鋼應(yīng)限制在343℃下列，長(zhǎng)久處在371～538℃405型材料會(huì)變脆。超出343℃（650°F）時(shí)只可使用410S不銹鋼作內(nèi)部構(gòu)件。

現(xiàn)在我國(guó)使用405型（即0Cr13A1）作復(fù)層的不銹鋼復(fù)合板諸多，尚未見有0Cr13A1脆化的報(bào)導(dǎo)，但由于焦炭塔殼體復(fù)層長(zhǎng)久處在427～495℃之間，為了穩(wěn)妥可靠起見，還是選用0Cr13（即410S）為好，兩者價(jià)格亦相差不多。

圖7－9

材料選擇的趨勢(shì)

（殼／錐復(fù)層）

實(shí)踐表明[4]，焦炭塔復(fù)層的焊縫也會(huì)發(fā)生裂紋，為了減少裂紋產(chǎn)生，有的專家建議，采用INCONEL625替代慣用的405或410S作為復(fù)層。其優(yōu)點(diǎn)不僅抗腐蝕性能更加好，更為重要的是復(fù)層與基層之間因熱膨脹差別產(chǎn)生的熱應(yīng)力少，不易產(chǎn)生裂紋。根據(jù)對(duì)內(nèi)徑為φ6840mm，C-1/2Mo鋼制造的焦炭塔進(jìn)行有限元分析，基層厚20mm，復(fù)層為405或410S，厚度為1.6mm或3.2mm。分析是在復(fù)合板處在482℃的工況下進(jìn)行的。分析的成果是405或410S的應(yīng)力強(qiáng)度是INCONEL625的13倍，見表7－4。

表7-4焦炭塔復(fù)層應(yīng)力強(qiáng)度分析復(fù)層和厚度應(yīng)力強(qiáng)度

psi405或410S，1.6mm31784405或410S，3.2mn30564INCONEL625，1.6mm2460INONEL625，3.2mm2380

據(jù)統(tǒng)計(jì)，復(fù)層采用1.6mm厚的INCONEL625后焦炭塔成本將增加30%；當(dāng)采用厚3.2mmINCONEL625時(shí)，成本增加40～50%。當(dāng)部分采用INCONEL625，例如塔體下段垂直焊縫和其它容易產(chǎn)生鼓凸變形和焊接裂紋的部位復(fù)層采用INCONEL625，厚度為1.6mm時(shí)，成本增加不會(huì)超出15～20%。

7.1.3.3

有關(guān)復(fù)層焊接材料的選擇

據(jù)API調(diào)查[2]，1960年以前，復(fù)層焊接使用三種材料即ENiCrFe-3，ENiCrFe-2和308／309型不銹鋼焊條。從此后來(lái)，僅使用鎳基材料。ENiCrFe-2使用率是100％，ENiCrFe-3（INCO.182型）使用率是92％，見圖7－10。對(duì)309型不銹鋼的評(píng)價(jià)是從好到壞都有，有一份調(diào)查介紹，在第一次操作期間就產(chǎn)生大范疇的龜裂而全部被去除。如果抗硫腐蝕是首先要考慮的因素，則309型不銹鋼性能比鎳基材料較好些，但如果對(duì)應(yīng)的熱膨脹系數(shù)是核心，那么采用鎳基材料比采用奧氏體不銹鋼更加好。

筆者認(rèn)為，焦炭塔工作溫度高達(dá)427～495℃，并周期變化，膨脹是應(yīng)當(dāng)首先考慮的重要因素，即使鎳基材料貴某些，但仍應(yīng)選用它。

安裝年份圖7－10

材料選擇的趨勢(shì)（復(fù)層接頭的焊接材料）7.1.4

有關(guān)裙座構(gòu)造型式

焦炭塔是一種承受熱和機(jī)械循環(huán)的壓力容器，在可預(yù)見的將來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)上的因素，加熱和冷卻速度還將提高，這類循環(huán)操作將在塔裙中產(chǎn)生比較高的應(yīng)力。焦炭塔疲勞開裂的激發(fā)和擴(kuò)散是由焦化過(guò)程熱循環(huán)操作特性造成的。盡管比較好的設(shè)計(jì)能使這些開裂降到最小。但是不管在什么地方，這些塔使用1－都可能發(fā)生開裂。在API調(diào)查的焦炭塔中，有約1／2的塔在靠近塔裙－殼體連接處的塔裙發(fā)生開裂，開裂經(jīng)常發(fā)生在塔裙－殼體連接構(gòu)造附近，由于其對(duì)流和輻射傳熱面積較大，普通要經(jīng)受比較大的溫度梯度。

設(shè)計(jì)焦炭塔的難點(diǎn)之一是塔裙的設(shè)計(jì)。例如，它需要足夠的強(qiáng)度才干支撐設(shè)計(jì)負(fù)荷條件下的殼體，同時(shí)還規(guī)定其徑向有較好的柔韌性，方便避免熱應(yīng)力的影響，經(jīng)研究表明，殼體和裙座之間的連接細(xì)節(jié)是非常重要的，好的塔裙設(shè)計(jì)能夠大大延長(zhǎng)使用壽命。

焦炭塔裙座受力最復(fù)雜，是最容易出現(xiàn)裂紋的部位。API調(diào)查[2]給出了裂紋的位置，見圖7－11。A、B、C都有裂紋的占報(bào)告的56％，最嚴(yán)重的裂紋即延伸到筒體的裂紋（A）占報(bào)告的43％，從外表面開裂的裂紋（B）占63％，從內(nèi)表面開裂的裂紋（C）占26％，從膨脹縫槽孔處開裂（D）占76％，有A、B、C、D四種裂紋的塔占78％。

圖7－11焦炭塔裙座裂紋位置

筒體與裙座的連接方式有以下四種：

第一種

普通對(duì)接型式，見圖7－12。其構(gòu)造簡(jiǎn)樸，但易產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋。

第二種

搭接型式，見圖7－13。其構(gòu)造簡(jiǎn)樸，但易產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋，裂紋擴(kuò)展后將會(huì)造成塔體下沉的嚴(yán)重后果。

第三種

堆焊型，見圖7－14，應(yīng)力集中系數(shù)較小，產(chǎn)生裂紋的可能性小，但制造較復(fù)雜，焊接工作量較大。裙座開槽孔（即膨脹縫），有助于應(yīng)力釋放，避免焊縫開裂。但槽孔處易開裂。

第四種

整體型，見圖7－15，即采用整體鍛件，應(yīng)力集中系數(shù)最小，但制造難度大，成本高。

1995年ASME石油化工設(shè)備與服務(wù)部的一份報(bào)告[3]，介紹了對(duì)這四種構(gòu)造的應(yīng)力分析，并進(jìn)行了比較。分析成果表明第四種型式的疲勞壽命最長(zhǎng)，第三種型式次之，見下表7－5。

圖7－12

焦炭塔裙座連接－普通的對(duì)接型式

圖7－13

焦炭塔裙座連接－一搭接型式

圖7－14

裙座與殼體的堆焊連接構(gòu)造

圖7－15

整體鍛焊構(gòu)造

表7－5

裙座連接處的應(yīng)力值，應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞壽命型式普通對(duì)接型圖12搭接型圖13堆焊型圖14整體型圖15裙座連接處加熱時(shí)的應(yīng)力值

（psi）66627

在裙座內(nèi)表面焊肉上和在與裙座相連的錐體上72963

在裙座內(nèi)表面焊肉上和在與裙座相連接的錐體上54384

在裙座內(nèi)表面和在與裙座相接的錐體上47262

在裙座內(nèi)表面和在與裙座相接的錐體上裙座連接處冷卻時(shí)的應(yīng)力值（psi）41440

在裙座內(nèi)表面的焊肉上，在裙座與錐體連接處44117

在裙座內(nèi)表面焊肉上，在與裙座相連接的錐體上21834

在裙座內(nèi)外表面在與裙座相接的錐體上13824

在裙座內(nèi)外表面和在與裙座相接的錐體上應(yīng)力集中系數(shù)（用于疲勞計(jì)算）1.51.51.01.0計(jì)算疲勞壽命

(周期)598478550310704槽孔應(yīng)力值

(加熱時(shí))

（psi）68200

(槽孔頂部)槽孔應(yīng)力值

(冷卻時(shí))

（psi）22500

(槽孔頂部)槽孔應(yīng)力集中系數(shù)1.5槽孔計(jì)算疲勞壽命(周期)3302

1999年ASME的一份報(bào)告[4]，推薦裙座與殼體錐體連接部位采用整體鍛焊構(gòu)造（圖7－15）替代堆焊構(gòu)造（圖7－14），其好處在于在此高應(yīng)力區(qū)取消了環(huán)焊縫，代之以機(jī)加工的鍛件。經(jīng)驗(yàn)表明，焊縫同基材相比對(duì)裂紋更敏感，整體鍛焊構(gòu)造比焊接構(gòu)造更能抵抗裂紋。選擇合理的構(gòu)造尺寸可大大提高焦炭塔的疲勞壽命。報(bào)告中介紹了八種不同構(gòu)造尺寸的整體鍛件構(gòu)造，簡(jiǎn)圖如圖7－16所示，整體鍛件構(gòu)造應(yīng)力狀況及壽命分析如表7－6。

圖7－16裙座整體鍛焊構(gòu)造的優(yōu)化

表7－6

整體鍛焊構(gòu)造應(yīng)力狀況及壽命分析圖15圖16A圖16B圖16C圖16D圖16E圖16F圖16G圖16H加熱應(yīng)力(psi)543845680346683512125723745781485125940938570冷卻應(yīng)力(psi)218342156315469156221301410086107331706114643應(yīng)力范疇(psi)762187836662152668347025155867592457647053213壽命周期5503506710092812670091450811880544917123

由此可見，同樣是鍛焊構(gòu)造,不同的構(gòu)造尺寸其壽命也大不相似，例如圖7－16H的疲勞壽命最高，達(dá)17123次，是堆焊構(gòu)造（圖7－14）疲勞壽命的3倍多，而圖7－16G的疲勞壽命才5449次，比堆焊構(gòu)造（圖7－14）的5503次還低。

必須指出[3]，熱應(yīng)力水平的擬定取決于加熱速度和冷卻速度，以上熱應(yīng)力是在塔升溫（11°F/分）和冷卻（4°F/分）條件下，對(duì)最高應(yīng)力點(diǎn)的強(qiáng)度水平計(jì)算出來(lái)的，實(shí)際操作時(shí)實(shí)測(cè)的加熱速度約為14°F/分,冷卻速度為6°F/分，這還是相稱低的。有的延遲焦化妝置加熱和冷卻速度往往分別達(dá)成20°F/分和30°F/分。這樣將產(chǎn)生更高的熱應(yīng)力，隨之對(duì)應(yīng)的疲勞壽命將大大減少。這點(diǎn)由普通的焦炭塔裙座在投產(chǎn)五年內(nèi)開裂而得到證明。但整體鍛焊構(gòu)造（圖7－15）能提供最佳的計(jì)算壽命，甚至在操作條件達(dá)成了最高的加熱速度和最高的冷卻速度時(shí)，也能提供無(wú)裂紋的壽命。

這種整體鍛焊構(gòu)造已在日本和西班牙的4臺(tái)焦炭塔和我國(guó)上海煉油廠的φ8800焦炭塔等10多臺(tái)焦炭塔上得到應(yīng)用。

采用整體鍛焊構(gòu)造，塔的成本將增加大概10%。

據(jù)API調(diào)查指出[2]：87％的裙座發(fā)生焊縫開裂而僅13％的裙座有鼓包變形，直線型裙座占沒(méi)有發(fā)生裂縫裙座的83％，沒(méi)有發(fā)生裂縫裙座的75％焊縫是磨平的，兩者結(jié)合起來(lái)，沒(méi)有發(fā)生裂縫裙座的67％是直線型設(shè)計(jì)并且焊縫是磨平的。

因此在決定裙座構(gòu)造型式時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇直線型設(shè)計(jì)（即裙座外壁與殼體外壁成始終線），焊縫應(yīng)打磨平滑。根據(jù)具體狀況選擇堆焊構(gòu)造或整體鍛焊構(gòu)造，在有條件的狀況下，為了盡量延長(zhǎng)焦炭塔的疲勞壽命，應(yīng)優(yōu)先選擇整體鍛焊構(gòu)造。

焦炭塔裙座上要不要開膨脹縫

由于焦炭塔操作溫度高且周期變化，而裙座下部固定在基礎(chǔ)上，在塔體與裙座的連接處會(huì)產(chǎn)生因熱膨脹引發(fā)的周期變化的熱應(yīng)力，此熱應(yīng)力值很大，容易引發(fā)焊縫開裂。過(guò)去有人提出在裙座上開設(shè)膨脹縫（槽孔）,以下圖7－17所示，將有效減少因膨脹差引發(fā)的熱應(yīng)力，但開了膨脹縫后勢(shì)必在裙座的開孔處引發(fā)很大的局部應(yīng)力，如開孔處離焊縫太近，將和焊縫處的局部應(yīng)力疊加，產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力，引發(fā)開孔處上部靠近焊縫處開裂。某石化總廠去年發(fā)現(xiàn)4座焦炭塔的開孔處全部出現(xiàn)裂紋就是一種例證。

1995年，ASME的一份報(bào)告[3]稱對(duì)此開孔進(jìn)行了應(yīng)力分析，表明槽孔頂部的集中應(yīng)力最大，達(dá)22500～68200psi，其應(yīng)力分布見圖7－18、圖7－19。

圖7－17

裙座開槽孔詳圖

圖18

根據(jù)國(guó)外資料介紹[3]，為了減少孔槽處的集中應(yīng)力，槽孔頂部離焊縫距離應(yīng)不不大于3英寸，槽孔邊沿應(yīng)打磨圓滑。

根據(jù)1996年API調(diào)查[2]，開槽的裙座的89％發(fā)生開裂，而不開槽的裙座僅22％開裂。根據(jù)對(duì)某φ8600焦炭塔的裙座的應(yīng)力分析，不開槽的危險(xiǎn)截面在裙座上部，其最大應(yīng)力值為161.2MPa；而開了槽后，危險(xiǎn)截面在槽孔上，其最大應(yīng)力值達(dá)361MPa。由ANSIS應(yīng)力分析得知，開設(shè)槽孔后危險(xiǎn)截面的應(yīng)力值反而增加，槽孔處的集中應(yīng)力更大，因此普通狀況下裙座上不適宜開設(shè)膨脹縫。

7.1.5

焦炭塔保溫

焦炭塔保溫對(duì)完善渣油的裂化反映是至關(guān)重要的。如果保溫不好，熱量大量損失，將使反映溫度減少，裂化反映不能充足完畢，甚至局部部位無(wú)法結(jié)焦。據(jù)估算，焦炭塔內(nèi)溫度每減少5.6℃，將使液體收率減少1.1％[6]。

焦炭塔塔體表面保溫的好壞，也對(duì)減少局部應(yīng)力及塔壁腐蝕有著極其重要的作用，應(yīng)當(dāng)引發(fā)我們的高度重視。當(dāng)塔體表面某些部位缺少保溫或保溫破損，長(zhǎng)久裸露，特別在下雨、下雪時(shí)，會(huì)造成塔內(nèi)外溫差陡增，熱應(yīng)力增大，是塔體變形，焊縫開裂的潛在隱患。某些煉廠焦炭塔接管，支腿加強(qiáng)焊縫開裂就是與保溫不善，內(nèi)應(yīng)力過(guò)大有著很大關(guān)系。在塔頂部位，因保溫不善而引發(fā)塔內(nèi)壁接管的加速腐蝕，直至局部滲入、泄漏。

勝利煉油廠曾對(duì)已換下來(lái)的舊塔塔體檢查后發(fā)現(xiàn)，凡塔體壁未結(jié)焦而腐蝕產(chǎn)生處，塔外壁都有焊接件，造成保溫不好。塔外壁保溫不好，使得塔內(nèi)壁溫度不大于410℃，不易結(jié)焦，塔內(nèi)壁就失去一層保護(hù)屏障，腐蝕加劇。據(jù)資料介紹，塔頂溫度為432℃時(shí)，內(nèi)壁結(jié)一層致密的焦層，溫度不大于410℃時(shí)內(nèi)壁結(jié)焦輕微，溫度為380～390℃時(shí)就不易結(jié)焦。南京煉油廠也有同樣的問(wèn)題，3＃、4＃焦碳塔封頭下部的一圈鋼板在四根平臺(tái)支腿的加強(qiáng)板處，塔壁從24毫米減至17毫米。由于外壁保溫不善，塔內(nèi)油氣在露點(diǎn)溫度時(shí)變成冷凝液，旋流沖刷內(nèi)壁，造成坑點(diǎn)腐蝕，并使接管下端腐蝕加劇，直至斷裂、泄漏。

從防腐蝕的觀點(diǎn)出發(fā)，塔體上也不適宜焊接支吊架、加強(qiáng)板、支腿等焊接件。

1996年API調(diào)查詢問(wèn)了保溫支持圈的焊縫問(wèn)題，29％的顧客說(shuō)，在焊縫處有貫穿塔壁的裂紋，52％的顧客說(shuō)有裂紋但還沒(méi)有延伸成貫穿裂紋。API調(diào)查報(bào)告也指出，早期的設(shè)計(jì)將井架和除焦平臺(tái)的附件都焊在塔頂，在連接板和塔體上都發(fā)現(xiàn)有裂紋，焊到塔體上的管線支吊架也有相似的狀況。

焦炭塔承受熱疲勞載荷，規(guī)定表面形狀圓滑過(guò)渡，故不適宜在其表面焊接保溫釘或保溫支持圈。對(duì)必要的焊接件也應(yīng)使其焊縫圓滑過(guò)渡。若塔體采用Cr-Mo鋼，因Cr-Mo鋼對(duì)裂紋的敏感性更強(qiáng)，故更不能在塔體上焊保溫釘和保溫支持圈，因此焦炭塔應(yīng)參考加氫反映器的保溫構(gòu)造，采用“背帶”，在“背帶”上焊保溫釘并固定保溫支持圈，內(nèi)部的保溫材料應(yīng)能耐500℃，外表面應(yīng)有保護(hù)層，例如鋁合金瓦楞板等。這種構(gòu)造，國(guó)內(nèi)已有對(duì)應(yīng)的專利[18]。

鑒于焦炭塔的操作特點(diǎn)，有關(guān)保溫構(gòu)造應(yīng)適應(yīng)其周期性的膨脹收縮。為此規(guī)定：

1、保溫材料應(yīng)是軟質(zhì)的，本身能吸取膨脹，而不易損壞。

2、保溫層內(nèi)外側(cè)溫差很大，外側(cè)的保護(hù)層即保溫鐵皮（或瓦楞板）不應(yīng)與內(nèi)部的保溫釘連接，否則保護(hù)層易損壞。

裙座上部和焦炭塔錐體之間應(yīng)設(shè)有熱盒，見圖7－20，此熱盒能使裙座與錐體連接部位的焊縫處的熱量損失減少，當(dāng)焦炭塔操作時(shí)，能有效減少該處的溫度梯度，也就是能減少該處的熱應(yīng)力，避免該處焊縫產(chǎn)生裂紋。

圖7－20

焦炭塔裙座熱盒和保溫簡(jiǎn)圖

7.1.6

構(gòu)造設(shè)計(jì)改善

針對(duì)過(guò)去焦炭塔出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題，應(yīng)在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，采用某些對(duì)應(yīng)的改善方法。

實(shí)踐證明，焦炭塔操作時(shí)低循環(huán)疲勞引發(fā)筒體部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形的積累會(huì)形成筒體的“糖葫蘆狀”變形。這是“低周疲勞＋金屬蠕變”引發(fā)的。由于重復(fù)循環(huán)受力，環(huán)焊縫幾何形狀（軸向）不持續(xù)，筒體凹凸變形，產(chǎn)生嚴(yán)重的“應(yīng)力集中”。在環(huán)焊縫熔合線處易產(chǎn)生裂紋。

改善方法：

①按疲勞容器的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)

a)

采用無(wú)堵焦閥設(shè)計(jì)，在筒體上不開孔。盡量減少與筒體相焊的連接件。全部與殼體相焊的連接焊縫處打磨圓滑。

b)

由于塔體焊縫加強(qiáng)高度在焦炭塔操作條件下是引發(fā)應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋的本源，同時(shí)也是筒體段鼓凸變形的一種因素，為此焊縫內(nèi)外側(cè)應(yīng)應(yīng)全部磨平，其加強(qiáng)高度應(yīng)為0。不等厚壁板相焊時(shí)，應(yīng)打磨成1：10斜坡。這樣能減少由熱循環(huán)引地的峰值應(yīng)力。

c)

對(duì)接焊縫采用X型坡口以減少變形和應(yīng)力。

d)

上封頭上的開孔連接處取消補(bǔ)強(qiáng)圈，采用整體補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。連接處圓弧過(guò)渡特別是底蓋進(jìn)料口處設(shè)計(jì)成翻邊構(gòu)造，避免應(yīng)力集中。

②

針對(duì)裙座與筒體焊縫處出現(xiàn)裂紋的狀況，采用下列方法

a)

當(dāng)采用堆焊型構(gòu)造時(shí)裙座焊縫應(yīng)圓滑過(guò)渡，并增加焊縫高度，（控制焊縫外表面與垂線成15°角）。特別是焊縫下部應(yīng)打磨成圓弧狀。焊縫應(yīng)全焊透。有條件時(shí)應(yīng)采用整體鍛焊構(gòu)造。

b)

當(dāng)采用堆焊構(gòu)造時(shí)裙座與筒體焊縫處加設(shè)加熱盤管，以減少操作時(shí)的溫差，即可減少溫差應(yīng)力。

c)

加強(qiáng)保溫效果，設(shè)計(jì)熱箱構(gòu)造（見圖7－20）。

③

由于水力除焦時(shí)，高壓水對(duì)筒壁沖擊造成塔體振動(dòng)，引發(fā)底座墊鐵外逸，螺栓松動(dòng)。采用方法：

a）

斜鐵（二斜一正）找正后，斜鐵之間及斜鐵與底座環(huán)之間都焊死焊牢。

b）

地腳螺栓上螺母下加彈簧墊圈或彈簧。

④

由于焦炭塔的鼓凸變形和焊縫開裂經(jīng)常發(fā)生在環(huán)焊縫及其周邊，因此制造時(shí)盡量減少環(huán)縫。為此芝加哥鋼橋公司（CB&I）的工程師們，采用新的辦法制造焦炭塔[4]，即采用大型板材縱向排板，以減少環(huán)焊縫，增加縱焊縫。例如對(duì)于直徑φ8208（27英尺）的焦炭塔，筒體切線長(zhǎng)為24米（80英尺），采用3米寬12米長(zhǎng)的鋼板，縱向排列，這樣一周有8條縱縫，殼體直段部分只有2條環(huán)縫，如圖7－21所示。

圖7－21

焦炭塔縱縫和環(huán)縫的布置圖

⑤

提高材料的沖擊韌性

不管是碳鋼還是C－1／2Mo鋼塔，隨著時(shí)間的日益增加會(huì)變脆，C－1／2Mo鋼制造的塔對(duì)于脆化和破裂更為敏感。當(dāng)殼體發(fā)生穿透破裂時(shí)，碳鋼塔顯示比C－1／2Mo鋼塔有更嚴(yán)重的鼓凸。穿透殼體的裂縫是環(huán)向的。穿透性裂紋往往發(fā)生在急速冷卻時(shí)、吹蒸汽冷卻時(shí)或剛開始升溫時(shí)。隨著著塔的惡劣工作條件發(fā)生的殼體裂紋重要發(fā)生在環(huán)焊縫的熱影響區(qū)，或發(fā)生在鼓凸的波峰或波谷。穿透性裂紋的長(zhǎng)度從幾英尺到30英尺不等，它們幾乎總是與鋼材脆化有關(guān)。據(jù)1968年API調(diào)查成果[8]，碳鋼塔和C－1／2Mo鋼塔塔體明顯脆化了，有某些塔測(cè)量其破裂時(shí)的沖擊韌性在21℃時(shí)降到了2－3英尺－磅。為了減少裂紋的傾向性，必須提高材料的沖擊性。

低合金Cr-Mo鋼中影響沖擊值的因素有以下幾個(gè)

1.

成分：不同成分的材料對(duì)缺口敏感性特別是0℃沖擊韌性的影響是不同的。在多種元素中，P的影響最大，另一方面是Si、Sb、As、Sn等。

2.

晶粒度：細(xì)而均勻的晶粒意味著單位體積內(nèi)的晶粒多，受沖擊后裂紋沿晶間擴(kuò)展的阻力大，材料吸取沖擊能的能力較強(qiáng)。這里特別要避免大型鍛件里常見的混晶，它會(huì)使材料整體抗沖擊的能力大大減少。

3.

組織：不同熱解決狀態(tài)下的析出組織（如不同比例組合的奧氏體、珠光體、馬氏體涉及位錯(cuò)、層錯(cuò)，孿晶等亞組織）及不同純凈度且雜質(zhì)不同分布的材料對(duì)沖擊的影響有著截然不同的成果。

4.

熱解決現(xiàn)狀態(tài)：15CrMo是慣用鋼，熱解決工藝已十分成熟。但應(yīng)注意，由于時(shí)間－冷速－溫度比較而言，溫度起的作用最大。因此應(yīng)重要考慮溫度因素。

焊后熱解決溫度對(duì)沖擊值的影響是很顯致的。例如對(duì)從厚160mm的15CrMo鍛件焊接件上鋸下的試片進(jìn)行了675℃、690℃和705℃的焊后熱解決，得到以下不同的沖擊值，見表7－6：

表7－6不同焊后熱解決溫度下沖擊值比較現(xiàn)場(chǎng)焊后回火675℃×5h,試片又經(jīng)PWHT（以下）×2h接頭σb（10℃）Akv(0℃)Akv(0℃)母材焊縫HAZ母材焊縫HAZ675℃534～60691～26520～4838～102105～24280～19898～210690℃509～608110～28052～10280～112105～281160～203113～200705℃503～588140～28962～11376～225152～268115～211117～190由此可見，選擇合理的熱解決溫度，控制熱解決溫度偏差，對(duì)提高沖擊韌性來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

提高材料沖擊韌性的方法普通為：

1

采用細(xì)晶粒鋼加正火解決，其沖擊韌性將大大提高.現(xiàn)在普通都采用Cr-Mo鋼。特別是采用11/4Cr-1/2MoSi鋼。由于它是貝氏體組織而1Cr-1/2Mo鋼是珠光體組織，貝氏體鋼比珠立體鋼沖擊韌性更加好。

2

Cr-Mo鋼應(yīng)經(jīng)精煉，嚴(yán)格控制S.P含量。有資料介紹，國(guó)外某公司控制P≤0.008%

S≤0.005%。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)普通能控制P≤0.012%

S≤0.010%。

3

合適減少焊接材料的屈服強(qiáng)度，規(guī)定一種母材與焊接材料之間的最大屈服強(qiáng)度差，焊接材料的屈服強(qiáng)度普通不應(yīng)超出母材的10％[12]。

4

提高Cr-Mo焊接的予熱溫度,普通應(yīng)為160～250℃。

5

選擇低熱輸入的焊接工藝，（例如小電流手工焊）以減少熱影響區(qū)晶粒的長(zhǎng)大。

6

提高焊后熱解決溫度（PWHT）,普通為690℃±14℃

采用以上一系列方法后，鋼材的沖擊值將大大提高。例如焦炭塔采用舞陽(yáng)鋼廠的15CrMoR鋼板。某煉廠φ8800焦炭塔的工程試塊的沖擊值以下：手工焊（鋼板δ28）常溫AKV·J0℃AKV·J焊縫124162熱影響區(qū)246.6189母材215216.3埋弧焊（鋼板δ28）常溫AKV·J0℃AKV·J焊縫166.3147.3熱影響區(qū)175.3171母材223.3221

7.為了減少鋼材對(duì)高溫蠕變脆化的敏感性，延長(zhǎng)高溫操作壽命，根據(jù)API938[10]的規(guī)定，國(guó)外有的公司規(guī)定：操作溫度超出445℃的壓力容器，SA－387Gr.11的鋼材類別應(yīng)是1類，而不應(yīng)是2類，也就是說(shuō)要減少?gòu)?qiáng)度，增加沖擊韌性。在美國(guó)，有的公司明確規(guī)定焦炭塔選用SA－387Gr.11class1或SA－387Gr.22class1,并規(guī)定－29℃的Akv>54J（焦耳）。

7.1.7

焦炭塔大型化

要實(shí)現(xiàn)延遲焦化妝置的大型化，首先要實(shí)現(xiàn)其核心設(shè)備焦炭塔的大型化。在100萬(wàn)噸/年延遲焦化妝置中焦炭塔直徑普通都在8米以上，要實(shí)現(xiàn)大型化，必須考慮以下幾個(gè)因素。

a)

應(yīng)選擇高溫性能好的耐熱鋼制造大型焦炭塔，例如1Cr-1/2Mo鋼、

11/4Cr-1/2Mo或21/4Cr-1Mo鋼。若選用碳鋼，則因其高溫強(qiáng)度低,不可能制造大型焦炭塔。例如φ8400焦炭塔，若采用20R鋼板，則壁厚達(dá)40～70mm[17]，已經(jīng)超出不熱解決的允許范疇。由于壁厚太厚，在操作過(guò)程中因徑向溫差引發(fā)的熱應(yīng)力將很大。而選用15CrMoR鋼，則計(jì)算厚度僅為20～36mm。操作時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較少。從經(jīng)濟(jì)角度看，若選用20R，設(shè)備估算重達(dá)380噸/臺(tái)，1998年的概算投資為760萬(wàn)元/臺(tái)而選用15CrMoR則設(shè)備重僅200噸/臺(tái)，概算投資為680萬(wàn)元／臺(tái)。這樣選用Cr-Mo鋼后，設(shè)備自重減少180噸／臺(tái)，投資節(jié)省80萬(wàn)元／臺(tái)。

b)

大型焦炭塔的制造首先要解決的是焊后熱解決問(wèn)題。Cr-Mo鋼設(shè)備按規(guī)范應(yīng)進(jìn)行焊后熱解決，但因直徑大，整體熱解決很困難。故普通進(jìn)行分段爐內(nèi)熱解決，現(xiàn)場(chǎng)拼接后，對(duì)環(huán)縫再進(jìn)行局部熱解決?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)有多家熱解決公司專門從事大型設(shè)備的熱解決。大型焦炭塔的現(xiàn)場(chǎng)熱解決是一項(xiàng)比較復(fù)雜的施工工藝，熱工計(jì)算規(guī)定對(duì)的合理，工藝設(shè)計(jì)規(guī)定經(jīng)濟(jì)合用并滿足工程實(shí)際需要?，F(xiàn)場(chǎng)熱解決的工藝設(shè)計(jì)重要涉及加熱設(shè)施的設(shè)計(jì)與布置；測(cè)溫與溫控系統(tǒng)的設(shè)立以及采用必要的防變形方法?，F(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易加熱爐的構(gòu)造見圖7－22。有的單位采用塔體整體熱解決的辦法，即將塔體吊裝完后豎立在框架上，加外保溫，塔內(nèi)裝有燒油噴嘴加熱。這也是一種可取的熱解決辦法。但一定要控制工件表面溫度偏差在±14℃之內(nèi)。這兩種熱解決辦法都已有了成功的經(jīng)驗(yàn)，作為比較，后者占地少、操作方便、投資省、熱解決質(zhì)量好、更受顧客的歡迎。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在大多采用立置燃油法整體熱解決[14]。

圖7－22

現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易加熱爐示意圖

c)

運(yùn)輸。大型焦炭塔普通在車間制成筒節(jié)，在工地拼裝并熱解決。因此必須首先考慮從車間到工地的運(yùn)輸問(wèn)題。

d)

吊裝。普通焦炭塔直徑φ6000～φ9400，重量為100～350噸／臺(tái)。其吊裝方案視安裝公司的吊裝能力和現(xiàn)場(chǎng)條件而定，有整體吊裝和分段吊裝兩種。整體吊裝時(shí)也有采用吊耳和采用內(nèi)置背杠兩種（圖7－22）。由于焦炭塔是低周熱疲勞容器，規(guī)定全部臨時(shí)固定在殼體上的吊耳等臨時(shí)固定件在吊裝完畢后都必須去除干凈并磨平磨光。為了減少打磨工作量，有條件的話能夠采用內(nèi)置背杠式。采用何種吊裝方式都應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力核算。

圖7－23

焦炭塔吊裝用吊耳或采用內(nèi)置背杠現(xiàn)在大多采用分段吊裝法，即將塔體分成3～5段，按吊車的能力分幾次吊裝，其優(yōu)點(diǎn)是不需用大型吊車，安全性增加了，缺點(diǎn)是高空拼裝量大。

有關(guān)焦炭塔最大直徑

隨著延遲焦化妝置大型化，焦炭塔的直徑也對(duì)應(yīng)增大。1996年API調(diào)查報(bào)告中的最大直徑為28英尺，福斯特·惠勒（FOSTER.WheeLer）公司1998年為印度信誠(chéng)石油公司設(shè)計(jì)的670萬(wàn)噸／年延遲焦化妝置有8個(gè)直徑為29英尺（φ8840mm）的焦炭塔，該公司有18臺(tái)直徑為28英尺（φ8534mm）的焦炭塔投產(chǎn)。近來(lái)正在建造直徑為29英尺和30英尺的焦炭塔，他們將計(jì)劃設(shè)計(jì)32英尺（φ9753mm）的焦炭塔。據(jù)資料介紹，魯姆斯(Lummus)公司最大的焦炭塔為30英尺（φ9144mm）。

我國(guó)焦炭塔直徑早期大多是φ5400mm，80年代后期建的塔為φ6100mm?，F(xiàn)在投產(chǎn)的焦炭塔直徑達(dá)φ8400mm、φ8600mm、φ8800、φ9400mm。

焦炭塔直徑的增大受切焦系統(tǒng)能力的限制，直徑越大，匹配高壓水泵的壓力越大，見下表7－7。

表7－7

焦炭塔直徑與高壓水泵壓力的關(guān)系塔直徑mm高壓水泵壓力

MPaφ540015.0φ610018.0φ6400φ680020.021.0φ840028.5φ880029.5φ900031.0φ940035.0

7.1.8

焦炭塔儀表、自動(dòng)化

焦炭塔的料位計(jì)和塔壁測(cè)溫點(diǎn)的設(shè)立也是焦炭塔設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素。設(shè)立料位計(jì)的重要目的是觀察焦炭塔內(nèi)泡沫層和焦層的所處位置，有助于及時(shí)注入消泡劑和停止工藝進(jìn)料，對(duì)提高焦炭塔的運(yùn)用率，指導(dǎo)焦化工藝操作、節(jié)省能耗和消泡劑耗量非常有利?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)采用的大部分是國(guó)產(chǎn)的中子料位計(jì)，其使用的中子源活度為50毫居，對(duì)應(yīng)輻射劑量為距源點(diǎn)l米處，中子及射線總輻射劑量不大于1.6×10-6希沃特／時(shí)。其工作原理是中子源發(fā)出快中子，穿過(guò)塔壁和塔內(nèi)介質(zhì)，由于塔內(nèi)介質(zhì)中的氣體、泡沫層、焦炭的碳?xì)浔炔煌?，?duì)中子的吸取慢化不同，塔外壁接受到的中了通量也不同。測(cè)量在此中子通量及其隨時(shí)間的變化，則能夠擬定塔內(nèi)物料的相對(duì)密度的大小及其變化，由此鑒定物料狀態(tài)是油氣、泡沫還是焦炭。普通每個(gè)焦炭塔設(shè)立料位計(jì)1～4點(diǎn)不等，設(shè)3點(diǎn)的較多。三個(gè)點(diǎn)的設(shè)立位置應(yīng)根據(jù)生焦率、進(jìn)料量、生焦時(shí)間、泡沫層高度擬定。每檢測(cè)點(diǎn)由中子源、檢測(cè)器、電子線路、主控室接口及二控PC數(shù)據(jù)解決、顯示系統(tǒng)等構(gòu)成。塔上部件都有效地密封在防火、防水、防電磁干擾的外殼內(nèi)，并安裝在塔壁外的支架上，在塔體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮料位計(jì)的安裝位置及構(gòu)造形式。中子料位計(jì)每一檢測(cè)點(diǎn)只能檢測(cè)塔內(nèi)某一點(diǎn)的料位，另外一種料位計(jì)點(diǎn)發(fā)射源和接受器在焦炭塔相對(duì)的兩側(cè)，發(fā)射源發(fā)射的射線是水平向下約30°的扇面，其對(duì)面的是長(zhǎng)約2～3米的棒形接受器，該料位計(jì)能夠在一定范疇內(nèi)持續(xù)檢測(cè)塔內(nèi)的料位，若采用該類型料位計(jì)，在焦炭塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在塔的兩側(cè)設(shè)計(jì)安裝料位計(jì)支架。

焦炭塔塔壁溫度的變化基本也能夠判斷焦層、泡沫層的位置，該方法在國(guó)內(nèi)外也得到普遍應(yīng)用。根據(jù)焦炭塔內(nèi)的反映模式，泡沫層區(qū)的塔壁溫度最高，焦層區(qū)由于焦炭的隔熱作用，塔壁溫度比進(jìn)料溫度低，氣相區(qū)由于氣體的溫度低且傳熱的效果較差，造成塔壁溫度比反映區(qū)溫度也低。根據(jù)不同點(diǎn)塔壁溫度的變化，由低到高再到低來(lái)擬定泡沫層與否已通過(guò)此點(diǎn)。另外塔壁溫度的設(shè)立對(duì)焦炭塔的吹汽、給水、油氣預(yù)熱過(guò)程也有一定的指導(dǎo)作用。測(cè)溫點(diǎn)的熱電偶和塔壁應(yīng)有效接觸，采用埋置式較合理，在焦炭塔的制造過(guò)程中就要預(yù)放焊接板。

用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)冷焦過(guò)程自動(dòng)化，控制進(jìn)料流率，控制焦炭塔的空高，焦炭塔自動(dòng)切換；按照焦炭塔壓力控制冷卻水流率，用γ射線或中子料面計(jì)監(jiān)視塔內(nèi)焦炭層和泡沫層高度等。有關(guān)延遲焦化的先進(jìn)控制（APC控制）本書將有專門一章加以討論。

由于設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，焦炭塔的焦化操作周期已可降至16～20h。

焦炭塔自動(dòng)聯(lián)鎖

焦炭塔為間歇操作，需要提高儀表自動(dòng)化水平以確保操作安全。新建裝置的儀表和自動(dòng)聯(lián)鎖裝置已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)焦炭塔操作自動(dòng)化。焦炭塔的聯(lián)鎖閥門就是一項(xiàng)可供參考的實(shí)例。焦炭塔部分聯(lián)鎖的閥門及管線圖見圖7－24。塔

A塔

B

圖7－24焦炭塔聯(lián)鎖閥門切換閥的進(jìn)口隔斷閥SP6與公用工程總管的隔斷閥SP7互相聯(lián)鎖，其作用是：

(1)

當(dāng)四通切換閥SV切換加熱爐出料至焦炭塔A時(shí)，四通切換閥不會(huì)向隔斷閥關(guān)閉的焦炭塔B一側(cè)打開，這就不至于使加熱爐出口形成斃壓。

(2)

當(dāng)進(jìn)口隔離閥SP6A啟動(dòng)時(shí)，聯(lián)鎖的公用工程總管隔斷閥SP7A就不能打開。這可避免加熱爐轉(zhuǎn)油線的熱油進(jìn)入排水系統(tǒng)；

(3)

當(dāng)四通切換閥通至某一側(cè)之前，該側(cè)的公用工程隔斷閥提前關(guān)閉；

(4)

當(dāng)四通切換閥向某一側(cè)進(jìn)料時(shí)，該側(cè)的進(jìn)口隔斷閥不能關(guān)閉。

焦炭塔頂?shù)陌踩y與放空閥聯(lián)鎖，是在焦炭塔安全閥排出管線上裝設(shè)一只電動(dòng)切換閥。其作用是：當(dāng)設(shè)有多組焦炭塔時(shí)，可避免放空油汽倒流至已經(jīng)打開頭蓋的焦炭塔內(nèi)。當(dāng)某臺(tái)焦炭塔的放空閥或頭蓋已經(jīng)打開時(shí)，此切換閥不會(huì)由于誤操作而被打開。

7.1.9

焦炭塔的檢測(cè)和壽命評(píng)定：

焦炭塔的損壞涉及：裙座鼓包和開裂、殼體鼓包和開裂、復(fù)層開裂、腐蝕和剝離。鼓脹和開裂是影響焦炭塔完整性和可靠性的常見因素。焦炭塔每天都在經(jīng)受嚴(yán)肅的熱循環(huán)、壓力循環(huán)、和機(jī)械循環(huán)。在這種環(huán)境下操作的焦炭塔用不了多久，在其環(huán)焊縫附近就會(huì)鼓脹，鼓脹可能引發(fā)不可接受的應(yīng)力直至開裂。

焦炭塔為什么會(huì)開裂，普通來(lái)說(shuō)有下列因素：

·設(shè)計(jì)時(shí)未考慮低周疲勞，沒(méi)有采用實(shí)測(cè)的瞬時(shí)熱應(yīng)力或應(yīng)力范疇

·操作切換和冷卻程序更加苛刻

·制造過(guò)程有缺點(diǎn)

·焦化的操作周期越來(lái)越短（10－16小時(shí)）

·原料油不同，加工更加困難。

焦炭塔的失效發(fā)生在不同的操作周期，失效的頻率隨使用年限的增加而增加。普通發(fā)生穿透性裂紋所需要的典型時(shí)間間隔是3000－5000周期（24－36小時(shí)／每一種循環(huán)），但是有的煉廠報(bào)告在使用時(shí)間在不長(zhǎng)的狀況下也發(fā)生開裂。正常狀況下，如果焦炭塔是初次使用，頭5年不應(yīng)發(fā)生鼓脹和開裂。在發(fā)生鼓脹和開裂的地方，普通會(huì)測(cè)量到超常大的應(yīng)力值。焦炭塔的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力峰值分別超出843.7Mpa和808.5MPa。平均軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力為337.4MPa和281.2MPa。在循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的超常應(yīng)力將嚴(yán)重影響焦炭塔的壽命。

有資料介紹國(guó)外某公司建于90年代的大多數(shù)焦炭塔（最少8臺(tái)）4～5年內(nèi)殼體和裙座就出現(xiàn)穿透性裂紋。普通的檢修周期是每4～7年一次。

檢測(cè)辦法：

擬定焊縫開裂的最直接辦法是從焦炭塔內(nèi)部進(jìn)行肉眼檢查和著色滲入檢查，或者從外部進(jìn)行超聲波檢查。由于一座焦炭塔有500－1000英尺長(zhǎng)的焊道，100％地檢查出早期焊道開裂是不切實(shí)際的。慣用的檢測(cè)辦法有：

1、用斷面激光遙控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)變形

早期的焦炭塔變形定位和定性的人工檢查是在塔內(nèi)搭腳手架后進(jìn)行的。這種檢查辦法現(xiàn)在已經(jīng)基本上由斷面激光遙控系統(tǒng)所取代。操作斷面激光遙控系統(tǒng)能夠在很短時(shí)間內(nèi)從塔內(nèi)繪制出焦炭塔剖面圖，不用等到檢修期就能進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量，見圖7－25。檢查所得的常規(guī)激光剖面圖能協(xié)助操作者做下列幾項(xiàng)工作：

1）比較水同焦炭塔的變形程度，據(jù)此擬定哪些焦炭塔需更多的檢查。

2）把檢查工作集中到靠近變形區(qū)域的焊道。

3）比較超時(shí)焦炭塔的變形程度，預(yù)測(cè)焦炭塔鼓脹何時(shí)才干達(dá)成臨界水平。

2、遙控內(nèi)部直觀檢查

配備高分辨率變焦鏡頭的彩色視頻攝像機(jī)能夠具體觀察焦炭塔內(nèi)部，確認(rèn)表面開裂狀況，這是人工檢查不能相比的。用這類設(shè)備能夠獲得價(jià)值比較高的開裂激發(fā)點(diǎn)信息，能夠確認(rèn)開裂位置和開裂程度。檢查精度取決于焦炭塔內(nèi)壁表面的清潔度。

應(yīng)用遙控視頻檢查技術(shù)，不用等到檢修期，就能持續(xù)統(tǒng)計(jì)和同時(shí)能夠自動(dòng)打上定位信息。

3、應(yīng)用應(yīng)變測(cè)量?jī)x，定量測(cè)出焦炭塔某處的實(shí)際應(yīng)力

應(yīng)變測(cè)量?jī)x是一種能夠擬定焦炭塔壁板和塔裙在操作過(guò)程中承受實(shí)際負(fù)荷應(yīng)力范疇的重要工具。高溫應(yīng)變測(cè)量?jī)x是附著在焦炭塔外側(cè)的單軸向電阻傳感器，高溫應(yīng)變測(cè)量?jī)x以周向／軸向的形式安裝在焦炭塔上。

4、聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

自1985年以來(lái)，聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)被用來(lái)執(zhí)行焦炭塔的在線檢查，找出裂紋的活動(dòng)。借助于表面熱電偶和高溫應(yīng)變測(cè)量?jī)x能夠監(jiān)測(cè)幾個(gè)循環(huán)。對(duì)于低循環(huán)疲勞來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)檢查有關(guān)的內(nèi)外徑尺寸并繪圖。運(yùn)用已有的常規(guī)的聲發(fā)射檢查知識(shí)，就能制訂停工計(jì)劃。

運(yùn)用以上檢測(cè)技術(shù)以及它們的組合，就能避免或減少人進(jìn)入焦炭塔。減少內(nèi)部檢查，不僅節(jié)省經(jīng)費(fèi)，并且能夠明顯減少有關(guān)人員的危險(xiǎn)性，對(duì)焦炭塔的在線檢測(cè)應(yīng)當(dāng)是經(jīng)常性的，方便擬定它們何時(shí)何處在變化和變形速率是多少。根據(jù)這些信息，能夠擬定修補(bǔ)對(duì)策，隨著焦炭塔達(dá)成它壽命的終點(diǎn)，這些檢測(cè)能夠協(xié)助操作者擬定焦炭塔更換之前還能使用多久。這類超前信息和可予測(cè)性對(duì)制訂壁板更換計(jì)劃是必不可少的。

焦炭塔的壽命評(píng)定：

焦炭塔所承受的是煉油廠最苛刻的熱循環(huán)，它是一種低周疲勞容器，其壽命的計(jì)算普通采用靜態(tài)應(yīng)力分析法，即采用有限元應(yīng)力分析辦法，計(jì)算出最危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力范疇，根據(jù)JB4732－95“鋼制壓力容器－分析設(shè)計(jì)原則”中圖C－1，查得允許的循環(huán)次數(shù)，即預(yù)測(cè)焦炭塔的疲勞壽命。但此分析法，沒(méi)有考慮到最大應(yīng)力點(diǎn)的位置事實(shí)上是在變化的，最高應(yīng)力值也是在變化的，是隨著操作過(guò)程中升溫和降溫的速率在變化的，因此出現(xiàn)了另一種辦法，稱為動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法。即用有限元應(yīng)力分析法建立一種數(shù)學(xué)模型，此數(shù)學(xué)模型是根據(jù)用應(yīng)力應(yīng)變儀和熱電偶實(shí)測(cè)的操作中的實(shí)際瞬時(shí)應(yīng)力范疇來(lái)修正的。用此數(shù)學(xué)模型來(lái)評(píng)定焦炭塔的壽命。

焦炭塔的壽命評(píng)定，普通由專業(yè)公司來(lái)實(shí)施，例如：美國(guó)的SES公司，該公司在現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)變儀和熱電偶測(cè)量操作中的實(shí)際瞬時(shí)應(yīng)力。采用“壽命控制系統(tǒng)”來(lái)監(jiān)測(cè)操作中的焦炭塔。通過(guò)“壽命控制”系統(tǒng)，變化影響焦炭塔損傷的過(guò)程和操作辦法。

1）通過(guò)50－70周期的瞬時(shí)數(shù)據(jù)擬定實(shí)際的應(yīng)力范疇。

2）計(jì)算出每個(gè)周期直到失效時(shí)累積的疲勞損傷。

3）給出與DCS操作對(duì)應(yīng)的損傷累積分布圖。

4）發(fā)現(xiàn)操作人員在操作中存在的問(wèn)題，優(yōu)化日常操作，特別是優(yōu)化升溫和冷卻速率，以減少疲勞損傷和裂紋擴(kuò)展。

7.2

焦化主分餾塔

7.2.1

焦化主分餾塔設(shè)計(jì)和內(nèi)構(gòu)件選擇

焦化主分餾塔和煉廠催化裂化、加氫裂化等的主分餾塔作用基本相似，差別是焦化原料油是從塔洗滌段的下部進(jìn)入塔內(nèi)，進(jìn)料在洗滌段中被預(yù)熱并將來(lái)自焦炭塔的油氣中的焦粉洗滌出去，塔底普通作為焦化妝置新鮮原料的緩沖罐，對(duì)于避免塔底結(jié)焦和焦粉攜帶有較高的規(guī)定。典型的焦化主分餾塔構(gòu)造見圖7－26[17]。焦化主分餾塔設(shè)計(jì)除了應(yīng)用分餾塔設(shè)計(jì)準(zhǔn)則外，根據(jù)焦化特點(diǎn)，還需重點(diǎn)考慮下列問(wèn)題：

1

充足回收熱量：塔的精餾段普通設(shè)頂循和中段循環(huán)回流、柴油和蠟油的產(chǎn)品回流，以實(shí)現(xiàn)最大的回流取熱量用于預(yù)熱進(jìn)料和發(fā)生蒸汽；

2

為實(shí)現(xiàn)低壓操作而減少塔內(nèi)壓力降；

3

洗滌段設(shè)計(jì)必須注意改善重瓦斯油側(cè)線下列塔內(nèi)件設(shè)計(jì)，特別是在低循環(huán)比操作狀況下更為重要。蠟油回流焦化柴油焦化蠟油

圖7－26

焦化主分餾塔構(gòu)造示意圖。焦化主分餾塔設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及塔徑及塔內(nèi)構(gòu)件安排。

1精餾段

可按常規(guī)分餾塔考慮塔徑、塔盤數(shù)及布置。

分餾段能力脫瓶頸的硬件選擇普通采用高通量塔盤和規(guī)整填料，格柵填料也能夠考慮在HGO回流段使用。當(dāng)塔內(nèi)負(fù)荷以氣相為主時(shí)，采用規(guī)整填料比塔盤的優(yōu)勢(shì)大，而高通量塔盤適合于液相負(fù)荷大的場(chǎng)合。同時(shí)高通量塔盤和規(guī)整填料比較，含有投資?。ㄆ胀ㄒ阋?0％）、抗腐蝕性能好和檢修方便等特點(diǎn)。表7－8是分餾段內(nèi)部構(gòu)件的選擇原則。

表7－8

焦化主分餾塔分餾段內(nèi)部構(gòu)件的選擇原則（注）項(xiàng)目高通量塔盤規(guī)整填料格柵填料效率33－41容易檢查程度411成本421氣相負(fù)荷為主時(shí)解決能力234液相負(fù)荷為主時(shí)解決能力324抗腐蝕性413注：1－最差

4－最佳

2洗滌段

焦化主分餾塔洗滌段起到下列三種作用：

－控制焦化重蠟油餾分的重質(zhì)“尾餾分”。

－盡量減輕主分餾塔產(chǎn)品（重要是CGO）中焦粉的攜帶。

－通過(guò)循環(huán)油切割點(diǎn)的調(diào)節(jié)，優(yōu)化焦化產(chǎn)品分布。

為了減少塔壓降，可根據(jù)需要在洗滌段內(nèi)使用擋板、填料或使用空塔。洗滌段內(nèi)件的形式取決于循環(huán)量和對(duì)焦化重瓦斯油質(zhì)量的規(guī)定。用于特低循環(huán)比的操作時(shí)，可采用噴淋式洗滌段，但瓦斯油質(zhì)量稍差。規(guī)定產(chǎn)低瀝青質(zhì)含量的焦化重蠟油時(shí)，洗滌段效率應(yīng)比噴淋塔好。焦炭塔急冷后油氣的進(jìn)塔溫度約為420℃，由于通過(guò)了裂化，性質(zhì)不穩(wěn)定，停留時(shí)間長(zhǎng)就會(huì)生焦。焦化妝置按高液收率（降石油焦收率）改造會(huì)造成空塔流速提高和循環(huán)比減少。其效果是使洗滌段效果變壞。這就需要在洗滌段中設(shè)有氣體分派器，氣體分派器是專門設(shè)計(jì)的集液塔盤，壓降較大（150mmH2O）。專門設(shè)計(jì)的降液管，對(duì)于來(lái)自焦炭塔夾帶雜質(zhì)的重油有沖洗作用。

焦化主分餾塔可有高效洗滌段和低效洗滌段兩種模式，參見圖7－27和圖7－28。其區(qū)別為在洗滌段中與否裝設(shè)填料。

圖7－27

高效洗滌段的焦化主分餾塔

圖7－28

低效洗滌段的焦化主分餾塔選擇洗滌段硬件在考慮效率的同時(shí)，必須考慮其結(jié)焦趨向。普通而言，效率越高的硬件，所得的CGO質(zhì)量越好，但其結(jié)焦趨向越嚴(yán)重，也就規(guī)定更多的洗滌油量來(lái)進(jìn)行沖洗以避免結(jié)焦。表7－9是洗滌段內(nèi)構(gòu)件的選擇原則。普通抗垢性能和解決能力是最重要的選擇原則，對(duì)一種具體裝置二言，也可能存在其它規(guī)定。表7－9

焦化主分餾塔洗滌段內(nèi)構(gòu)件的選擇原則（注）項(xiàng)目浮閥或篩板柵格填料柵格塔盤擋板塔盤噴嘴抗垢性能12344潤(rùn)濕速率規(guī)定12244效率43221檢查的方便性41443成本31334能力14233注：1－最差

4－最佳

主分餾塔洗滌段用的填料效率可參考表7－10的數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，洗滌段構(gòu)造對(duì)焦化重瓦斯油質(zhì)量的影響見表7－11。

表7－10

不同填料效率填料種類等板高度/mm格柵填料2130以上亂堆填料1520以上規(guī)整填料1220以上

表7-11

洗滌段構(gòu)造對(duì)焦化重瓦斯油質(zhì)量的影響洗滌段構(gòu)造焦化重瓦斯油的釩含量/10-6洗滌段裝填料3.5洗滌段不裝填料1.8

對(duì)洗滌段而言，高洗滌油流率能夠除去更多的焦化蠟油中所含的重質(zhì)尾部攜帶物和焦粉，改善了焦化蠟油的質(zhì)量，也減少了洗滌段內(nèi)部構(gòu)件結(jié)焦的可能性，從而提高了裝置運(yùn)行的可靠性。但是，這將造成焦化加熱爐進(jìn)料和熱負(fù)荷的增加，就是循環(huán)比增加。隨著循環(huán)比增加，裝置加工能力下降，焦炭收率增加，能耗增加。因此，要綜合多種因素后，擬定一種合理的洗滌段洗滌油流率。

福斯特-惠勒公司按超低循環(huán)比操作設(shè)計(jì)的主分餾塔下段構(gòu)造如圖7－29。由于洗滌段的液體流率太低無(wú)法避免塔盤或填料結(jié)焦，因此洗滌段采用噴淋式空塔。在噴淋室下面安裝了幾層擋板。從焦炭塔來(lái)的油氣進(jìn)入塔內(nèi)?？繐醢宸殖鲇蜌庵械闹刭|(zhì)焦油和焦粉。由于時(shí)常發(fā)生擋板上結(jié)焦，因此有的煉油廠拆除塔內(nèi)的擋板、寧愿重焦化瓦斯油含有較多的雜質(zhì)和免去停工時(shí)清掃塔內(nèi)擋板的麻煩。福斯特-惠勒公司曾將一臺(tái)舊的焦化主分餾塔按照超低循環(huán)比模式進(jìn)行了改造。改造前后的數(shù)據(jù)比較如表7－12。表7－12

超低循環(huán)比操作的焦化重瓦斯油質(zhì)量項(xiàng)目改造前改造設(shè)計(jì)實(shí)際操作循環(huán)比1053.6～5.4