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1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2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。有限元计算结果也是底部筒节应力最大，第一应力峰值出现在升温结束的一瞬间，第二应力峰值出现在降温开始的一瞬间。实际测试与有限元计算结果均表明焦炭塔底部筒节是应力集中部位，该筒节比较容易产生较大的膨胀变形。焦炭塔在频繁的加热和冷却时，由于支架、管线和焊缝加强高的约束作用，限制了塔的自由膨胀和收缩，这样在每个循环周期中，塔高和直径的伸缩将导致塔壁产生径向变形，国内炼油厂焦炭塔的运行情况表明，筒体均不同程度地产生径向膨胀，在焦炭塔的早期阶段，变形仅局限于底部发生，随着时间的推移，上部增长更加明显。由于环焊缝具有较高屈服强度，而它们又比母材稍厚些，因而显示出较小的增长，筒体就产生一个强制的气球状鼓凸，形成“糖糊芦”状。当鼓胀变形严重时，会使塔体稳定性下降，强度削弱，严重时塔体倾斜。（二）裂纹1、裙座与塔体连接焊缝开裂国内几十台在用焦炭塔的检验结果表明，裙座与塔体连接的角焊缝（简称裙座角焊缝）的开裂已成为普遍现象，这些裂纹是由于塔体与裙座的温差、相互的变形约束及交变热应力等原因产生的，裂纹的方向为沿焊缝的环向裂纹，但严重程度视焦炭塔本身情况不同而差别较大。相对来说，年代较久的或曾经在该部位产生过裂纹的焦炭塔，往往裂纹情况比较严重。如国内已有几个炼油厂的焦炭塔均发生裙座角焊缝裂纹向封头母材壁厚方向扩展而穿透的情况，其中某厂穿透裂纹长度达1.3m。裙座角焊缝裂纹一般整圈都存在，只是在不同的方向裂纹严重有差别而已。值得注意的是，这些裂纹虽每次检修都打磨消除或进行返修，但下次表面检测经常会再次出现。因此，每次停车的检测重点和裂纹处理重点也都应在该焊缝上。2、筒体对接焊缝裂纹3在焦炭塔筒体对接焊缝上常发现有不同程度的表面裂纹，这些表面裂纹大多出现在环焊缝上，纵缝上往往较少，且内壁裂纹较多，外壁较少，裂纹产生部位大多出现在焊缝的熔合线上，裂纹的方向基本为沿焊缝方向的环向裂纹，裂纹特征有以下几种：⑴沿焊缝熔合线延伸的单一线状裂纹，细而长，有的单条裂纹长度较长，断续延伸的长度也较长，甚至分布在整圈环焊缝上。⑵主要沿焊缝熔合线延伸分布，有些分布到了焊缝表面，单一线状或多条密集状裂纹共存，大多细而短，且有弯曲，裂纹往往绵绵不断或在一定焊缝长度范围内密集分布。3、堵焦阀接管角焊缝裂纹堵焦阀接管处的角焊缝裂纹也是在用焦炭塔的常见裂纹。对于塔的外部而言，主要表现为接管补强圈与筒体连接的角焊缝处环向裂纹、接管与补强圈连接焊缝处的环向裂纹。这两圈环向裂纹轻者断续存在，长度不长，裂纹不深；重者连续存在，裂纹较深。由于是接管环向角焊缝，故裂纹打磨消除有一定难度。对于塔的内部而言，主要表现为接管与筒体连接的角焊缝处径向裂纹，即角焊缝开裂并垂直于焊缝方向，有些裂纹已扩展到筒体母材，此处裂纹其突出特点在于它们总是起源于焊缝，而向筒体母材延伸。多数出现在接近水平方向，为对称二条或单侧一条。此处裂纹往往较深，曾打磨消除达10mm之深。该处的裂纹几乎年年检查都会出现。有些炼油厂采取了取消堵焦阀的生产工艺后，裂纹状况有所减轻或不再出现。4、塔顶接管及补强圈角焊缝裂纹一般焦炭塔顶部都有钻焦口、油气出口接管，这些接管的角焊缝处皆是易产生裂纹的部位。这些部位是塔内壁接管与封头连接的角焊缝、塔外壁补强板与接管连接的角焊缝、塔外壁补强板与封头连接的角焊缝，其中以油气出口接管角焊缝发现裂纹较多。裂纹一般都为沿焊缝方向的环向裂纹，轻者断续存在，长度不长，裂纹不深；重者连续存在，长度较长，裂纹较深，打磨消除和返修都有难度。45、支柱与球形封头连接的角焊缝、支柱上的弧板与球形封头连接的角焊缝开裂早期的焦炭塔有一种结构，即在球形封头上有支柱以支撑其他外部设施，如塔顶操作室及其他除焦设备。由于负载了外部设施及塔的疲劳震动等原因，在支柱与球形封头连接的角焊缝处、支柱上的弧板与球形封头连接的角焊缝处往往都易产生开裂现象，开裂部位大多沿焊缝熔合线方向。在检测和处理这些裂纹时应注意裂纹是否有扩展到封头母材上的现象。6、对接焊缝埋藏缺陷一些制造年代较早的焦炭塔对接焊缝内部存在尺寸较大的超标缺陷（如未熔合、未焊透、条状夹渣或块渣、密集气孔等），我们就曾经检测过焦炭塔焊缝中的未焊透连续长度达数百毫米或断续长度达数米。由于焦炭塔常年在持续冷热循环的疲劳状态下工作，塔体往往存在严重的鼓凸变形，而两个鼓凸段的交界处一般恰为环缝。因频繁的疲劳波动，会在塔体结构不连续部位（如焊接缺陷部位）等应力集中部位引起疲劳裂纹扩展。我们曾经检测出尺寸较大的未焊透在壁厚方向上产生裂纹扩展现象。7、筒体或封头板材上的裂纹在焦炭塔板材上的一些特殊部位，如严重鼓凸变形部位、裙座角焊缝对应的内壁板材等也易产生裂纹。通过对国内的一些焦炭塔检验，已经发现在鼓凸变形的板材上有裂纹出现，而在裙座角焊缝对应的内壁板材往往也有裂纹产生。如某厂焦炭塔裙座角焊缝外壁整圈都有断续环向裂纹，而在裂纹最严重的一段内壁对应板材上，则发现1处长1000mm、宽25mm范围内有密集环向裂纹。8、裙座柔性槽裂纹有些炼油厂在裙座上开了一些柔性槽，以缓解裙座角焊缝的受力状况，这些部位也往往容易产生裂纹，检测这些裂纹，应注意裂纹是否扩展至裙座角焊缝，从而向塔体母材扩展。9、内壁腐蚀裂纹焦炭塔在高温含硫渣油条件下工作，塔壁受到高温硫的腐蚀，在某些部位5如气液混相部位、介质波动和高压水冲刷等部位，会造成壁厚减薄或产生坑点腐蚀，由于长期的热疲劳工作状态及其他表面缺陷的诱发，也会产生一些表面裂纹。（三）材料性能变化长期在高温条件下运行的焦炭塔材质显微组织会发生球光体球化、硬度降低、产生热疲劳裂纹，发生低周热疲劳破坏与蠕变开裂。三、缺陷检验方法（一）内外部表面检查1、画出焦炭塔焊缝展开图，对被检各焊缝及接管进行编号；检查焦炭塔结构是否符合设计要求及有关标准、规范的规定；检查内外部有无表面裂纹、严重焊疤、机械损伤、工卡具残留物、腐蚀状况及介质入口处的冲刷情况等，并用图表记录缺陷位置和尺寸。2、用卡尺及样板等测量严重缺陷部位和丁字头部位焊缝错边量及棱角度，用直尺、吊锤、经纬仪等测量塔体的垂直度，用样板尺、钢板尺和卷尺等测量塔体内径、周长及局部鼓凸变形。3、国内部分焦炭塔鼓凸变形检测情况⑴某厂的焦炭塔（塔101）塔体局部鼓凸变形最大值为61mm（位于H14环缝下部正北偏西附近区域）。⑵某厂的焦炭塔（塔501／1和塔501／3）最大鼓凸变形分别为71mm和80mm。⑶某厂的焦炭塔（2#）最大鼓凸变形为84.5mm。⑷某公司焦炭塔（C－1／1）筒体下部最大鼓凸变形为36mm，焦炭塔（C－1／2）下部筒体最大鼓凸变形为33mm，焦炭塔（C－1／3）下部筒体最大鼓凸变形为33mm，焦炭塔（C－1／4）下部筒体最大鼓凸变形为47mm。⑸某炼油化工总厂焦炭塔（塔201）下部筒体最大鼓凸变形为42mm，焦炭塔（塔202）最大鼓凸变形为33mm。⑹某公司炼油厂焦炭塔（塔1／1）下部筒体最大鼓凸变形为15mm，焦炭塔（塔1／2）下部筒体最大鼓凸变形为35mm，焦炭塔（塔1／3）最大鼓凸6变形为12mm，焦炭塔（塔1／4）下部筒体最大鼓凸变形为10mm。（二）壁厚测定对封头、塔体、接管分别进行壁厚测定，测厚部位如有异常应辅以超声波探伤确认，用图表记录壁厚部位和测定结果。重点对筒体发生严重鼓凸变形的部位进行壁厚测定和对不带复合层衬里的焦炭塔上部球形封头、上部筒体进行壁厚测定。国内某炼油厂的4台焦炭塔检测结果表明，不带复合层衬里的焦炭塔上部球形封头和上部筒体腐蚀严重，实测最小壁厚已不能满足壁厚要求，已采取更换上部球形封头和上部筒体措施。另外塔体上部油气进口管线也应重点进行壁厚测定，有的炼油厂因壁厚减厚已多次更换该段管线。（三）磁粉检测1、检测部位内外壁对接焊缝和角焊缝应进行磁粉检测（检测比例根据焦炭塔的具体情况定），应重点检查下部塔体和锥段（若发现表面裂纹，应扩大检测范围），裙座角焊缝及其对应的内壁母材100mm宽环带、严重变形区域的内外表面、焊接返修部位、补强圈角焊缝、堵焦阀接管角焊缝以及油气进出口接管角焊缝均应进行100%磁粉检测。2、检测方法对铁磁性材料而言，检测表面裂纹的首选方法就是磁粉检测，其最大特点就是灵敏度高、检测速度快、缺陷显示直观，因此，在用焦炭塔的表面检测也是以磁粉检测为主要方法。从表面裂纹状态来看，有些裂纹可称之为裂缝，即使不通过磁粉检测，肉眼也可看到某处已经开裂；大部分裂纹需用磁粉检测方法才可检出；而有些裂纹称之为微裂纹才更贴切，需通过金相方法才可检出。从检测表面状况来看，由于焦炭塔的工作介质为黑色焦碳，加上塔壁上结焦坚硬和打磨工作的困难，致使表面状况往往很差，观察识别困难，即使按一般进行磁粉检测方法正常操作，却可能检不出或大量漏检，因此，提高磁粉检测灵敏度和缺陷识别率，从而提高裂纹检出率是很重要的。鉴于以上情况，根据我们的实践，将荧光磁粉检测方法、内壁使用红磁粉检测方法、使用高灵敏度磁粉、增加磁化时间、调整操作方式及利用反差增7强剂等方法进行综合运用，可有效地检出裂纹，提高裂纹的检出率。（四）渗透检测对于某些用磁粉检测不易操作的局部部位（如接管的内、外壁角焊缝），可采用渗透检测方法；对曾用不锈钢焊条补焊的部位、异种钢连接焊缝及内壁不锈钢衬里焊缝也只能用渗透检测方法。值得注意得是，焦炭塔内壁不易清理，表面状况较差，焦炭也会堵塞缺陷开口，有时检出缺陷困难，因此，渗透检测时的表面预清理应当做好。（五）超声检测对接焊缝超声检测（检测比例视焦炭塔的具体情况确定），并应准确记录缺陷位置、尺寸及估判的缺陷性质，严重缺陷必要时用射线检测加以验证和采用特殊方法测定缺陷自身高度。对返修部位和超声检测有疑问的部位均应进行射线检测。在用焦炭塔的超声检测主要有以下几方面的应用：首先，可以了解焊缝的制造状况，即埋藏缺陷的情况，包括埋藏缺陷的指示长度和自身高度、距表面的深度、估判的性质，检测到的缺陷数据可为评价焦炭塔的安全状况提供依据。第二，可发现射线照相所不易发现的面状缺陷，如未熔合、埋藏裂纹等。当与射线