大型焦炭塔幾個設計問題的探討1

1、第二屆延遲焦化年會論文大型焦炭塔幾個設計問題的探討中國石化工程建設公司顧一天 賈桂茹 李出和2002年10月大型焦炭塔幾個設計問題的探討 延遲焦化工藝是加工渣油的重要手段，目前越來越受到人們的關注。采用先進技術改進焦炭塔設計，提高焦炭塔操作的穩(wěn)定性，延長焦炭塔的壽命是當務之急。美國石油學會1996年至1998年對焦炭塔作了第三次調查（以下簡稱api調查），收到了54份報告，調查了17家公司的145臺焦炭塔。我國1995年曾對國內十家煉油廠的延遲焦化裝置作了調查。最近我公司也對國內部分煉廠的焦炭塔作了調查。本文就其中的一些共性問題再結合美國焦炭塔網站的有關資料進行討論。 1、關于操作循環(huán)周期 2

2、、關于塔體材料的選擇 3、關于復層材料的選擇 4、關于復層焊接材料的選擇 5、關于裙座的結構型式 6、焦炭塔要不要膨脹縫 7、關于焦炭塔最大直徑 8、關于焦炭塔的保溫 9、關于減緩對焦炭塔熱沖擊的措施 1、關于操作循環(huán)周期 目前國內設計的焦炭塔操作循環(huán)周期大都是48小時，生焦時間為24小時。為了提高處理能力和節(jié)省投資，國外縮短了生焦時間，通常為1024小時，平均生焦時間為1516小時。根據api調查的54份報告，其中有15份生焦周期為16小時，有11份報告生焦時間為18小時（見圖1）。目前生焦周期時間調查份數 （小時）圖1 生焦周期時間 目前的焦炭塔設計，提高了材質等級，改進了設計結構，采取了

3、一系列抗疲勞措施，疲勞壽命大大提高了，完全有能力適應縮短生焦周期的工況。例如，裙座與塔體是最容易出現失效的部位。據計算，早期設計的焦炭塔的搭接結構疲勞壽命為478次，對接結構為598次，而改進的堆焊結構可達5503次，鍛焊結構疲勞壽命更長，達到14508次。 另外，隨著裝置大型化，焦炭塔的直徑需要增大，但因為受除焦機械能力所限，塔直徑不能無限增大，目前美國在役焦炭塔最大直徑為2829英尺。提高單塔處理能力，通常采用縮短循環(huán)周期的辦法來實現。 據資料介紹，魯姆斯(lummus)規(guī)定的切換周期時間為36小時，時間分配如下：生焦18.0小時切換塔0.5小時小吹氣0.5小時大吹氣1.5小時小給水1.0

4、小時大給水3.5小時排水2.0小時頂底頭蓋拆卸0.5小時水力除焦3.5小時裝頭蓋/壓力試驗1.0小時塔預熱升溫4.0小時閑 置0.5小時總計36.5小時 盡管縮短循環(huán)周期會給目前的操作習慣造成沖擊。但不可否認，這是生產發(fā)展的必然趨勢。 2、關于塔體材料的選擇 過去我國的焦炭塔材質都采用碳鋼，大多數是20g。隨著技術進步及延遲焦化裝置大型化的需要，焦炭塔大型化是必然趨勢。從2000年我國第一個cr-mo鋼塔問世以來，cr-mo鋼塔不斷出現，到目前為止已有12臺cr-mo鋼塔投入使用。 據api調查，19501959年，大量采用碳鋼和cmo鋼。19801997年大量使用cr-mo鋼，見圖2。crm

5、o鋼中經常用的是1cr-1/2mo、1 1/4cr-1/2mo和2 1/4cr-1.0mo鋼。見圖3。從1970年以后，cr-mo鋼塔的數量不斷增加，尤其是1 1/4cr-1/2mo鋼塔增加很快。因為1 1/4cr-1/2mo鋼和1cr-1/2mo鋼相比，許用應力高，對缺口敏感性小，耐熱性更好。見下表： 表1材料1cr-0.5mo1.25cr-0.5mo-si注許用應力475(mpa)107116按asme viii篇第一分篇高溫屈服強度475(mpa)176.5185.5按asme ii篇d分篇 1 1/4cr-1/2mo鋼，我國的鋼號為14cr1mor，據調查，舞陽鋼廠能生產，性能符合設計

6、要求，我們準備設計1 1/4cr-1/2mo鋼的大型焦炭塔。 api調查指出：新塔的材料選擇趨向于提高cr-mo合金元素的含量。美國已開始采用2 1/4cr-1.0mo鋼，例如福斯特.維勒（foster-wheeler）公司為印度設計的直徑29英尺的焦炭塔下部錐體采用 2 14cr-1.0mo鋼，上部采用 1 1/4cr-1/2mo鋼。據資料介紹，美國目前正在研究采用3cr-1.0mo鋼制造焦炭塔。圖2 材料選擇的趨勢（殼體和錐體） 調查份數安裝時期圖3 材料選擇的趨勢（殼體和錐體）調查份數安裝時期材料選擇的趨勢安裝時期 3、關于復層材料的選擇 據資料調查，國外的焦炭塔幾乎全部采用不銹鋼復合板

7、制造。根據我國的經驗，因為焦炭塔中下部有一層焦炭保護，腐蝕很輕，可以不用復合板。根據sht30962001“加工高硫原油重點裝置主要設備設計選材導則”規(guī)定，從頂部至泡沫層200mm處應采用不銹鋼復合板，復層為0cr13a1或0cr13。 復層采用0cr13a1(即405鋼)和0cr13（即410s），哪種更好呢？據api調查，美國1969以前基本都采用405鋼，1970年以后基本都采用410s鋼，見圖4。據資料介紹，采用405型不銹鋼應限制在343以下，長期處于371538會使405型材料變脆。超過343（650f）時只可使用410s不銹鋼作內部構件。目前我國使用405型（即0cr13a1）作

8、復層的不銹鋼復合板很多，還未見有0cr13a1脆化的報導，但為了穩(wěn)定可靠起見，焦炭塔殼體復層長期處于430495之間，還是選用0cr13（即410s）為好。圖4 材料選擇的趨勢 （殼錐復層） 份 數安裝時期 4、關于復層焊接材料的選擇 據api調查，1960年以前，使用三種材料即enicrfe-3，enicrfe-2和308309型不銹鋼焊條。從此以后，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5。對309型不銹鋼的評價是從好到壞都有，有一份調查介紹，在第一次操作期間就產生大范圍的龜裂而全部被消除。如果抗硫腐蝕是首先要考慮的因素

9、，則309型不銹鋼性能比鎳基材料較好些，但如果相應的熱膨脹系數是關鍵，那么采用鎳基材料比采用奧氏體不銹鋼更好。 我們認為，焦炭塔工作溫度高達440495，并周期變化，膨脹是應該首先考慮的重要因素，雖然鎳基材料貴一些，但仍應選用它。圖5 材料選擇的趨勢 （復層接頭的焊接材料） 材 料安裝年份 5、關于裙座結構型式 焦炭塔裙座受力最復雜，是最容易出現裂紋的部位。api調查給出了裂紋的位置，見下圖。a、b、c都有裂紋的占報告的56，最嚴重的裂紋即延伸到筒體的裂紋（a）占報告的43，從外表面開裂的裂紋（b）占63，從內表面開裂的裂紋占26，從膨脹縫槽孔開裂（d）占76，有a、b、c、d四種裂紋的塔占7

10、8。 筒體與裙座的連接方式有如下四種： 第一種 一般對接型式，見圖6。其結構簡單，但易產生應力集中和裂紋。 第二種 搭接型式，見圖7。其結構簡單，但易產生應力集中和裂紋，裂紋擴展后將會造成塔體下沉的嚴重后果。 第三種 堆焊型，見圖8，應力集中系數較小，產生裂紋的可能性小，但制造較復雜，焊接工作量較大。裙座開槽孔（即膨脹縫），有利于應力釋放，防止焊縫開裂。 第四種 整體型，見圖9，即采用整體鍛件，應力集中系數最小，但制造難度較大。 1995年asme石油化工設備與服務部的一份報告，介紹了對這四種結構的應力分析，并進行了比較。分析結果表明第四種型式的疲勞壽命最長，第三種型式次之，見下表2。圖6 焦

11、炭塔裙座連接 一般的對接型式圖7 焦炭塔裙座連接 一搭接型式 圖8 改進型裙座結構 圖9 整體型裙座結構表2 裙座連接處的應力值，應力集中系數和疲勞壽命一般對接型圖2搭接型圖3改進型圖4整體型圖6裙座連接處加熱時的應力值（psi）66627在裙座內表面焊肉上和在與裙座相連的錐體上72963在裙座內表面焊肉上和在與裙座相連接的錐體上54384在裙座內表面和在與裙座相接的錐體上47262在裙座內表面和在與裙座相接的錐體上裙座連接處冷卻時的應力值（psi）41440在裙座內表面的焊肉上，在裙座與錐體連接處44117在裙座內表面焊肉上，在與裙座相連接的錐體上21834在裙座內外表面在與裙座相接的錐體上

12、13824在裙座內外表面和在與裙座相接的錐體上應力集中系數（用于疲勞計算）1.51.51.01.0計算疲勞壽命(周期)598478550310704槽孔應力值(加熱時)（psi）68200(槽孔頂部)槽孔應力值(冷卻時)（psi）22500(槽孔頂部)槽孔應力集中系數1.5槽孔計算疲勞壽命(周期)3302圖10 整體裙座結構的優(yōu)化 1999年asme的一份報告，推薦裙座與殼體錐體連接部位采用整體鍛焊結構（圖9）代替堆焊結構（圖8），其好處在于在此高應力區(qū)取消了環(huán)焊縫，代之以機加工的鍛件。經驗表明，焊縫同基材相比對裂紋更敏感，整體鍛焊結構比焊接結構更能抵抗裂紋。選擇合理的結構尺寸可大大提高焦炭塔

13、的疲勞壽命。文中介紹了八種不同結構尺寸的整體鍛件結構，簡圖如圖10所示，其應力狀況及壽命如表3。表-3圖8圖10a圖10b圖10c圖10d圖10e圖10f圖10g圖10h加熱應力(psi)543845680346683512125723745781485125940938570冷卻應力(psi)218342156315469156221301410086107331706114643應力范圍(psi)762187836662152668347025155867592457647053213壽命周期5503506710092812670091450811880544917123 由此可見，同樣是

14、鍛件結構,不同的結構尺寸其壽命也大不相同，例如圖10h的疲勞壽命最高，達17123次，是堆焊結構（圖8）疲勞壽命的3倍多，而圖10g的疲勞壽命才5449次，比堆焊結構（圖8）的5503次還低。 這種整體鍛焊結構已在日本和西班牙的4臺焦炭塔和上海煉油廠8800焦炭塔上得到應用。 采用整體鍛焊結構，塔的成本將增加10%。 據api調查指出：87的裙座發(fā)生焊縫開裂而僅13的裙座有鼓包變形，直線型裙座占沒有發(fā)生裂縫裙座的83，沒有發(fā)生裂縫裙座的75焊縫是磨平的，兩者結合起來，沒有發(fā)生裂縫裙座的67是直線型設計并且焊縫是磨平的。 所以在決定裙座結構型式時，應該選擇直線型設計（即裙座外壁與殼體外壁成一直線

15、），焊縫應打磨圓滑或光滑。根據具體情況選擇堆焊結構或整體鍛焊結構，在有條件的情況下，為了盡量延長焦炭塔的疲勞壽命，應優(yōu)先選擇整體鍛焊結構。 6、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上，在塔體與裙座的連接處會產生因熱膨脹引起的周期變化的熱應力，此熱應力值很大，容易引起焊縫開裂。過去有人提出在裙座上開設膨脹縫（槽孔）,如下圖11所示，將有效減少膨脹差形起的熱應力，但開了膨脹縫后勢必在裙座的開孔處引起很大的局部應力，如開孔處離焊縫太近，將和焊縫處的局部應力疊加，產生很大的集中應力，引起開孔處上部靠近焊縫處開裂。某石化總廠去年發(fā)現4座焦炭塔的開孔處全部出現裂

16、紋就是一個例證。 1995年，asme的一份報告對此開孔進行了應力分析，表明槽孔頂部的集中應力最大，達2250068200psi，其應力分布見圖12、圖13。圖11 裙座開槽孔詳圖 根據國外資料介紹，為了減少孔槽處的集中應力，槽孔頂部離焊縫距離應大于3英寸，槽孔邊緣應打磨圓滑。 根據api調查，開槽的裙座的89發(fā)生開裂，而不開槽的裙座22開裂。根據我公司對8800焦炭塔的應力分析，不開槽的危險截面在錐體上部，其應力值為154.7mpa1.5s=183mpa，是很安全的；而開了槽后，槽孔上部的集中應力值較大，達178mpa。所以我們認為，裙座上不宜開設膨脹縫。 但有的煉廠認為，過去不開膨脹縫，焊

17、縫開裂了，現在開了膨脹縫不再出現裂縫了，這要進行具體分析，進行應力分析。 倒底開不開膨脹縫，我們建議進行詳細的應力分析后再確定為妥。 7、關于焦炭塔最大直徑 隨著延遲焦化裝置大型化，焦炭塔的直徑也相應增大。api調查報告中的最大直徑為28英尺，福斯特.維勒（foster. wheeher）公司1998年為印度設計的670萬噸年延遲焦化裝置有8個直徑為29英尺（8840mm）的焦炭塔，該公司今年將有18臺直徑為28英尺（8534mm）的焦炭塔投產。最近正在建造直徑為29英尺（8840mm）的焦炭塔，他們正計劃設計32英尺（9728mm）的焦炭塔。據資料介紹，魯姆斯(lummus)公司最大的焦炭塔

18、為30英尺（9120mm）。 我國焦炭塔直徑早期大多是5400mm，80年代后建的塔為6100mm。目前投產的焦炭塔直徑達8400mm和8800mm。 塔直徑的增大受切焦系統(tǒng)能力的限制，直徑越大，高壓水泵的壓力越大，見下表4。表4 焦炭塔直徑與高壓水泵壓力的關系塔直徑mm高壓水泵壓力 mpa540015.0610018.0640020.0840028.0880030.0900031.0 綜上所述，我們認為目前焦炭塔的直徑不宜超過9000mm。 8、關于保溫結構 焦炭塔保溫對完善渣油的裂化反應是至關重要的。如果保溫不好，熱量大量損失，將使反應溫度降低，裂化反應不能充分完成，甚至局部部位無法結焦。

19、據計算，焦炭塔內溫度每降低5.6，將使液體收率降低1。 焦炭塔塔體表面保溫的好壞，也對減少局部應力及塔壁腐蝕有著極其重要的作用，應當引起我們的高度重視。當塔體表面某些部位缺少保溫或保溫破損，長期裸露，特別在下雨、下雪時，會造成塔內外溫差陡增，熱應力增大，是塔體變形，焊縫開裂的潛在隱患。一些煉廠焦炭塔接管，支腿加強焊縫開裂就是與保溫不善，內應力過大有著很大關系。在塔頂部位，因保溫不善而引起塔內壁接管的加速腐蝕，直至局部滲透、泄漏。 勝利煉油廠曾對已換下來的舊塔塔體檢查后發(fā)現，凡塔體壁末結焦而腐蝕產生處，塔外壁均有焊接件，使得保溫不好。塔外壁保溫不好，使得塔內壁溫度降低，不易結焦，塔內壁就失去一層

20、保護屏障，腐蝕加劇。南京煉油廠也有同樣的問題，3、4塔封頭下部的一圈鋼板在四根平臺支腿的加強板處，塔壁從24毫米減至17毫米。由于外壁保溫不善，塔內油氣在露點溫度時變成冷凝液，旋流沖刷內壁，造成坑點腐蝕，并使接管下端腐蝕加劇，直至斷裂、泄漏。 所以從腐蝕的觀點出發(fā)，塔體上也不宜焊接支吊架、加強板、支腿等焊接件。 api調查詢問了保溫支持圈的焊縫問題，29的用戶說，在焊縫處有貫穿塔壁的裂紋，52的用戶說有裂紋但還沒有延伸成貫穿裂紋。api調查報告也指出，早期的設計將井架和除焦平臺的附件都焊在塔頂，在連接板和塔體上都發(fā)現有裂紋，焊到塔體上的管線支吊架也有相似的情況。 焦炭塔承受熱疲勞載荷，要求表面

21、形狀圓滑過渡，故不宜在其表面焊接保溫釘或保溫支持圈。對必要的焊接件也應使其焊縫圓滑過渡。若塔體采用cr-mo鋼，因cr-mo鋼對裂紋的敏感性更強，故更不能在塔體上焊保溫釘和保溫支持圈，所以焦炭塔應參考加氫反應器的保溫結構，采用“背帶”，在“背帶”上焊保溫釘并固定保溫支持圈，內部的保溫材料應能耐500，外表面應有保護層，例如鋁合金瓦楞板等。 api調查也指出，塔裙座處的保溫應是可拆式的，以便于該處的檢查。 據最近對我國部分煉廠焦炭塔工況的調查，保溫結構損壞情況比較嚴重，應該引起各廠的重視。 由于焦炭塔工況的特殊性，對保溫有特殊要求，保溫施工難度較大，施工要求也較高。完全不同于一般的塔器保溫。目前

22、我國已有焦炭塔保溫的專業(yè)施工隊伍，為確保焦炭塔施工質量提供了有利條件。 9、關于減緩對焦炭塔熱沖擊的措施 api調查發(fā)現塔開裂與生焦周期時間的長短沒有關系。而塔的操作參數，比如初始急冷速率和防護冷卻措施對塔開裂的影響比冶金組織的影響更大。 從水蒸汽汽提到水急冷的轉換，國外一些用戶使用防護冷卻程序，即急冷水的高速噴射在塔中心保持了一個暢通的流道，然后以低的流率進入最初急冷水，隨后流率逐漸升高，減少瞬時溫降造成大的溫差應力，這樣能有效避免焊縫開裂，見圖14。防護流的持續(xù)時間比較短，大約從少于1分鐘到10分鐘。緊接著是初始急冷水流入，防護流從300加侖分至1100加侖分。 在熱油進入空塔之前先用水蒸

23、汽來作初始預熱塔體，水蒸汽從塔底流向塔頂。還利用鄰近正在生焦的塔的頂部油氣轉過來預熱本塔。烴蒸汽從空塔頂部向下流動， 從塔底流向分餾塔，油氣預熱塔體。減輕了熱油流入時塔體所遭受的熱沖擊，這樣能有效減少熱裂紋的產生。 國內焦炭塔冷焦通常的做法是先將少量蒸汽吹入塔內，汽提焦炭中的油氣并進入分餾塔，再大量蒸汽通過焦炭塔吹出焦炭中未縮合成焦炭的重污油，并進入放空塔中，同時對焦炭冷卻，然后通入少量的冷焦水，冷焦水汽化，蒸汽進入放空塔，焦炭被進一步冷卻。最后大給水冷焦，冷焦水溢流至冷焦水處理系統(tǒng)，待焦炭被冷卻到合適溫度后，從底部排水至冷焦水罐或冷焦水池。有的焦化裝置操作未經過小給水而直接大給水，這樣焦炭冷卻速度太快，對焦炭塔熱沖擊太大