延遲焦化工藝與工程

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)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)7.1.2焦炭塔操作及對壽命的影響7.1.3焦炭塔材質(zhì)選擇7.1.4焦炭塔裙座結(jié)構(gòu)7.1.5焦炭塔保溫7.1.6焦炭塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)7.1.7焦炭塔大型化7.1.8焦炭塔儀表、自動化7.1.9焦炭塔的檢測和壽命評估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焦化分餾塔的塔板結(jié)構(gòu)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各種重質(zhì)油、污油及原油為原料，通過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、縮合反應(yīng)，生成氣體、汽油、柴油、蠟油、循環(huán)油組分和焦炭的工藝過程，見圖7—1。延遲焦化裝置的主要設(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)為是焦化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，而焦炭塔則是焦化裝置的核心設(shè)備。因?yàn)榻固克墙够b置的反應(yīng)器，加熱爐、分餾塔、放空系統(tǒng)、冷切焦水處理系統(tǒng)、水力除焦系統(tǒng)等均與之有關(guān)。雖然焦炭塔是一個空筒設(shè)備，但它的設(shè)計(jì)涉及到幾乎全裝置的工藝過程。焦炭塔的工藝特點(diǎn)是操作溫度高，最高可達(dá)到495℃,操作溫度變化頻繁，每一個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；它不但是一個反應(yīng)器而且還是一個裝焦炭的容器，操作不當(dāng)會使生焦的泡沫溢出，造成后部系統(tǒng)結(jié)焦。焦炭塔在生焦過程中基本處于恒溫操作。在除焦過程中要經(jīng)過先降溫再升溫的變化過程，往往由這一個變溫操作過程使焦炭塔及其相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有些復(fù)雜。焦炭塔一般是兩臺一組，每套延遲焦化裝置中有的是一組（兩臺），有的是兩組（四臺）焦炭塔。在每組塔中，一臺塔在反應(yīng)生焦時，另一臺塔則處于除焦階段。即當(dāng)一臺塔內(nèi)焦炭積聚到一定高度時進(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。

待含在焦炭內(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。除焦完成后再用另一個塔的油氣預(yù)熱到400℃左右，然后切換進(jìn)料。每臺塔

的切換使用周期一般為48小時，其中生焦24小時，除焦及其它輔助操作24小

時（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，目前每臺塔的切換周期已縮短，一般30?36小時。除

下的焦炭落入焦池，同時用橋式起重抓斗經(jīng)皮帶輸送到別處存放或裝車外運(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)定吸收系統(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操作時間（小時）24 18操作條件介質(zhì)來源及去向操作主要目的1掃換四通閥0.5現(xiàn)場切換，電動或氣動操作渣油由A塔改去B塔2少量吹蒸汽1.00.5蒸汽：2?5t/h蒸汽來自管網(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蒸汽來自管網(wǎng)油汽去放空塔汽提焦炭內(nèi)的大量重油，冷卻焦炭。4少量給水1.55.5冷焦水:10?20t/h水來自冷焦水處理系統(tǒng)，蒸汽去放空塔快速冷卻焦炭，進(jìn)一步汽提焦炭內(nèi)重油5大量給水3.5冷焦水:?350t/h水來自冷焦水處理系冷卻焦炭及焦炭塔，達(dá)到

統(tǒng)，蒸汽去放空塔，溢流水去水處理系統(tǒng)80?以下6排放冷焦水4.01.5排水：400t/h排水至冷焦水處理系統(tǒng)放凈塔內(nèi)水，便于卸頂?shù)咨w7卸塔蓋0.51.25風(fēng)動扳手或液壓自動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水來自高壓水泵，焦炭去焦池清除塔內(nèi)的焦炭為換塔作準(zhǔn)備9裝塔蓋0.50.75風(fēng)動扳手或液壓自動卸蓋先裝底蓋后裝頂蓋10試壓1.0蒸汽沖壓到0.3MPa蒸汽來自管網(wǎng)密封試驗(yàn)，趕空氣11油氣預(yù)熱4.53.5油氣：?420℃?0.2MPa油氣來自B塔，不凝氣去分餾塔使焦炭塔塔體升溫到400℃左右，防止換塔時溫度變化太快。圖7—1延遲焦化流程焦炭塔的工藝設(shè)計(jì)主要包括焦炭塔直徑的確定、塔高的確定、和相關(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主要取決于裝置的處理量、原料性質(zhì)、操作溫度、操作壓力

和循環(huán)比。裝置的處理量是決定焦炭塔大小的主要參數(shù)，目前國內(nèi)單塔處理量和

焦炭塔規(guī)格的對應(yīng)關(guān)系如下：表7—2序號單塔處理量（萬噸/年）焦炭塔規(guī)格（mm）建設(shè)時間操作循環(huán)比120?30“5400X18000（切）50年代至70年代1.3?1.4240?50“6100X21000（切）80年代至90年代1.3?1.43100?120“8400?“8600X24000（切）90年代以來1.15?1.354140?160“8800?“9400X2700（切）21世紀(jì)初1.15?1.25焦炭塔的單塔處理量越大，要求的焦炭塔直徑越大，這主要是由焦炭塔塔內(nèi)的允

許氣速決定的。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，

為防止加熱爐管結(jié)焦，爐出口的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率一般不大于8%（氣體和汽油的轉(zhuǎn)化

率），大部分的反應(yīng)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、

溫度和停留時間的條件下發(fā)生裂解和縮合反應(yīng)，裂解為吸熱反應(yīng)，縮合為放熱反

應(yīng)，裂解的熱量除了來自原料渣油本身外還有一部分由縮合反應(yīng)提供，縮合反應(yīng)

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

上為主要反應(yīng)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,

焦化反應(yīng)溫度即為泡沫層溫度，一般為460?480℃,并且生焦率越高，該反應(yīng)

溫度越高。隨著原料的不斷進(jìn)入，產(chǎn)生的焦炭量不斷增加，焦炭層高度增加，泡沫層也隨之

連續(xù)升高。塔內(nèi)反應(yīng)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應(yīng)區(qū)，一般不希望正在反應(yīng)的泡沫被油氣夾帶到焦炭塔頂口的大油氣管線和分餾塔，導(dǎo)致管線結(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)資料報導(dǎo)，國外在焦炭塔內(nèi)不注入消泡劑時，允許氣速一般為0.11?0.17m/s。在使用消泡劑時，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確定焦炭塔的直徑。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)、操作條件也有密切的關(guān)系。在確定焦炭塔的直徑以前應(yīng)首先確定焦炭塔的操作條件和產(chǎn)品分布。渣油是以碳、氫為主要元素的大分子烴類，通常分為飽和烴、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。一般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)品分布一般最終由試驗(yàn)確定。當(dāng)原料性質(zhì)確定后，對生焦率和產(chǎn)品分布影響較大的主要是循環(huán)比、反應(yīng)溫度和壓力。循環(huán)比減少10%,生焦率一般減少1%,同時焦化蠟油收率增加，氣體、汽油、柴油收率下降。當(dāng)需要提高裝置的液體收率時一般采用降低循環(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一般采用較大循環(huán)比(0.25?0.45)操作；當(dāng)焦化蠟油無出路或需要最大可能地生產(chǎn)柴油和乙烯原料時一般采用大循環(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，但基于焦化反應(yīng)的特點(diǎn)，反應(yīng)溫度(爐出口溫度控制)調(diào)整的幅度是很窄的，溫度過高會導(dǎo)致提前結(jié)焦，堵塞爐管、轉(zhuǎn)油線，影響開工周期，同時易生成硬質(zhì)石油焦，使除焦困難；溫度過低導(dǎo)致熱量不足反應(yīng)深度不夠，輕油收率降低，焦炭揮發(fā)分增大或產(chǎn)生焦油。一般情況下是根據(jù)原料性質(zhì)確定最佳的操作溫度，通常焦化爐出口溫度為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，在國內(nèi)外已普遍認(rèn)可，國內(nèi)焦炭塔塔頂操作壓力一般為0.15?0.20Mpa,國外最低的達(dá)到0.1?0.15Mpa。壓力降低一般能提高蠟油的收率，但是增大了焦炭塔的氣體體積流量，勢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，所以裝置的投資增加，因此應(yīng)綜合設(shè)備投資、操作費(fèi)用和產(chǎn)品分布等因素確定適宜的操作壓力。在基本確定焦炭塔的直徑后，根據(jù)焦炭產(chǎn)率、生焦時間、泡沫層高度來確定焦炭塔的高度。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)、反應(yīng)溫度及壓力有關(guān)，一般情況下生焦率高的渣油反應(yīng)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，泡沫層的高度一般減少40?65%。當(dāng)單塔處理能力、原料性質(zhì)和操作條件確定后，塔內(nèi)的焦層高度主要決定于生焦時間。目前國內(nèi)焦化裝置設(shè)計(jì)的生焦時間均為24小時，國外焦化生焦時間為12?24小時，采用16?18小時的占大多數(shù)，采用短的生焦時間，可以提高焦炭塔的利用率，或者同等規(guī)模的焦炭塔的高度減少。在確定焦炭塔高度時應(yīng)留有一定的安全空高，安全空高一般為塔頂切線離泡沫層頂部的距離。國內(nèi)設(shè)計(jì)的焦炭塔一般安全空高大于等于5米，國外焦炭塔的安全空高一般為2?3米?？崭咴酱?，焦炭塔的利用率越低，但油氣在塔內(nèi)的停留時間延長，對減少油氣線和分餾塔內(nèi)結(jié)焦有利?？崭叩挠?jì)算公式如下：其中：H切一焦炭塔切線高度，m；G焦一焦炭生焦率，kg/h；

焦一生焦時間，hr；

焦一塔內(nèi)焦炭堆密度，kg/m3(800?900kg/m3)；V錐一焦炭塔錐體體積：m3；D塔一焦炭塔直徑，m；H泡沫一泡沫層高度，m。通常所說的縮短生焦時間可以提高處理量，只是焦炭塔的安全空高增大，相應(yīng)的油氣線速可以在較高的范圍內(nèi)操作。另外采用在生焦初期加大焦炭塔的進(jìn)料，生焦末期減少焦炭塔的進(jìn)料的措施，也可以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相互補(bǔ)充，當(dāng)裝置處理量、操作條件確定后，直徑增大可以降低高度，高度增加也可以適當(dāng)減少塔徑。國內(nèi)在過去建設(shè)的焦炭塔的直徑一般為5.4?6.4米，其高徑比一般為3?4。最近建設(shè)的大直徑焦炭塔的高徑比一般為2?3。美國焦炭塔的高徑比一般為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，不宜太大

和太高，美國目前運(yùn)行的最大焦炭塔的直徑為9.114米。建議在裝置處理量較大，

采用一爐二塔使焦炭塔的直徑和高度特別龐大時，采用二爐四塔或三爐六塔更為

適宜。焦炭塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)焦炭塔是一個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。直徑范圍通常為4.6?9.4米，高約25?35米。在頂部有直徑為“600?“1500的盲板法蘭（即鉆焦口），底部有“1600?@2000的盲板法蘭（即卸焦口），該盲板法蘭上有“150?“300的渣油入口接管。裙座位于連接殼體與錐體焊縫的區(qū)域，用來支撐塔體。通常焦炭塔是用碳鋼、C-1/2Mo、1Cr-1/2Mo、11/4Cr-1/2Mo和21/4Cr-1.0Mo鋼制造，其壁厚通常在14?42毫米之間。通常，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)壓力范圍為0.2?0.8MPa,一般為0.25?0.35MPa。操作溫度為427?

495℃。焦炭塔外保溫通常采用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，料位測量通

常采用三個中子料位計(jì)，安裝于塔體外表面。焦炭塔上封頭過去大多采用球形封頭，其優(yōu)點(diǎn)是受力條件好，耗材少；但近來大都采用橢圓封頭（2：1）,其優(yōu)點(diǎn)在于在保證塔頂標(biāo)高不變的情況下（即鉆桿長度不變）的情況下，能增加焦炭塔筒體段的有效體積。以“8800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)料口的接管的結(jié)構(gòu)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)入焦炭塔會造成塔底加熱不均勻，所引起的變形會促使塔體傾斜并產(chǎn)生裂紋、鼓脹和其它缺陷，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置時，對面的器壁受較強(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，則可以保證設(shè)備均勻加熱，焦炭塔操作的可靠性增大，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使變形減少。目前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)，單系列的延遲焦化裝置使用二臺并聯(lián)的焦炭

塔，進(jìn)行連續(xù)操作，見圖7-4。該操作過程是周期性的，當(dāng)焦炭在一臺塔內(nèi)積聚，

而另一臺塔進(jìn)行清焦。焦炭在塔壁上積聚并在塔內(nèi)累積增長，最后用高壓水噴頭

切除。通常每隔48小時或36小時為一周期。焦炭塔冷卻到環(huán)境溫度又重新被加

熱到454?495℃,見圖7-5。伴隨著長期反復(fù)冷卻和反復(fù)加熱可導(dǎo)致塔體變形，

鼓脹和開裂。焦炭塔操作時，塔壁溫度變化復(fù)雜，引起的應(yīng)力也非常復(fù)雜。如果單向?yàn)楸诤穹?/p>

向引起的熱應(yīng)力，當(dāng)升溫時塔外壁為拉應(yīng)力而當(dāng)單向由縱向溫差引起的熱應(yīng)力，

則塔外壁為壓應(yīng)力。實(shí)測的焦炭塔縱向溫差為175℃（間距2米）而壁厚溫差為

85℃[16],顯然縱向引起的熱應(yīng)力絕對值大于壁厚引起熱應(yīng)力的絕對值。如果這

時的綜合應(yīng)力超過了材料在該溫度下的屈服強(qiáng)度時，會引起塔壁的局部塑性變

形，反復(fù)循環(huán)，將出現(xiàn)“熱應(yīng)力棘輪現(xiàn)象”，它比相同的定常應(yīng)力的靜態(tài)蠕變要

大得多，這就是焦炭塔鼓脹變形的主要原因。圖6-1焦炭塔簡圖圖7—3

焦炭塔簡圖日本學(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

反復(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，而且逐漸增長，這種永久變形的增長狀態(tài)恰恰和齒輪在解脫制動器后開始

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，隨著時間的推移，上部產(chǎn)生的鼓脹更加明顯。由于環(huán)縫具有較高的屈服強(qiáng)度，又該焊縫厚度又比母材稍厚一些，因而顯示出較少的鼓脹，焦炭塔就產(chǎn)生一個糖葫蘆狀的鼓凸，見圖7-6。圖7-4單系列延遲焦化裝置簡圖圖7-5焦炭塔溫度曲線ABCD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，操作壓力可更高一些達(dá)0.7?0.8Mpa,操作溫度達(dá)510?520℃。周期性操作使焦炭塔反復(fù)處于驟冷驟熱、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、塔體傾斜等情況。塔體變形情況與焦炭塔的材質(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。使用碳一鉬或鉻一鉬鋼制造的焦炭塔，產(chǎn)生鼓包、徑向增大量就比較小。通常銘鉬鋼焦炭塔最早產(chǎn)生穿透裂紋的時間為12年；碳鉬鋼焦炭塔為8年；碳鋼焦炭塔只有7年［8］。過去國內(nèi)焦炭塔材質(zhì)多采用20號鋼，壁厚24?32mm,使用一定時期后均出現(xiàn)上述塔體鼓包、變形情況。國外從70年代起就已使用銘鉬鋼（1Cr-1/2Mo或^/4Cr-1/2Mo）制造塔體，內(nèi)襯410S型不銹鋼。美國石油學(xué)會于1968年、1980年和1996年對美國國內(nèi)外焦炭塔的使用狀況進(jìn)

行了三次調(diào)查研究，并提出了報告。報告表明，美國用于制造焦炭塔的材質(zhì)主要

有三種：（1）碳鋼（例如A285C級）。（2）碳鉬鋼（例如A204C級）。（3）銘鉬鋼（例如A387Gr.11）。用碳鋼制造的焦炭塔已使用多年，其優(yōu)點(diǎn)是制造容易，對于小直徑的塔，價格便

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，需要整體熱處理。用銘鉬鋼，耐熱強(qiáng)度更高，抗腐蝕性好，盡管制造也有一定難度，需要熱處理等，

但性能好、整體價格便宜。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)常用的是1Cr-1/2Mo、1

1/4Cr-1/2Mo和21/4Cr-1.0Mo鋼，見圖7—8,從1970年以后，Cr-Mo鋼塔的

數(shù)量不斷增加，尤其是11/4Cr-1/2Mo鋼塔增加很快。因?yàn)?1/4Cr-1/2Mo鋼和

1Cr-1/2Mo鋼相比，許用應(yīng)力高，對缺口敏感性小，耐熱性更好。見表7—3：表7—3焦碳塔所用不同鋼材的性能比較1 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(殼體和錐體)1Cr-1/2Mo鋼主要是珠光體組織而11/4Cr-1/2Mo-Si鋼主要是貝氏體組織，鋼

板二分之一厚度處的沖擊值更高且穩(wěn)定。11/4Cr-1/2Mo鋼，我國的鋼號為14Cr1MoR，據(jù)調(diào)查，舞陽鋼廠能批量生產(chǎn)，性

能符合設(shè)計(jì)要求。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-1.0M。鋼，因?yàn)樗哂懈叩那?qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和抗蠕變疲勞能力，因

而能更好的抵抗熱循環(huán)。為了進(jìn)一步提高焦炭塔壽命，美國已開始采用2

1/4Cr-1.0Mo鋼，例如福斯特?惠勒(Foster-Wheeler)公司為印度信誠石油公

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，美國目前正在

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（殼體和錐體材料）過去國內(nèi)使用的焦炭塔材質(zhì)大都選用20g,使用一定時期后均出現(xiàn)上述塔體鼓

包、變形情況，最長壽命也有達(dá)20多年。碳鋼焦炭塔出現(xiàn)過這種鼓包變形（俗

稱“糖葫蘆變形”）和焊縫開裂現(xiàn)象，經(jīng)修補(bǔ)后經(jīng)專家評定有的塔仍能使用，積

累了很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，價格

低，焊接方便且不需熱處理，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)其要求。因?yàn)樘间撲摪搴穸纫殉鲈试S不熱處理的范圍，與其使用碳鋼

進(jìn)行熱處理，還不如用Cr-Mo鋼更為經(jīng)濟(jì)，更為合理。對鋼材性能分析表明：20g的最高使用溫度為450℃,在焦炭塔的操作工況條件下，長期使用還是有可能產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象的。產(chǎn)生石墨化的時間約幾萬小時。石墨化的結(jié)果將會導(dǎo)致鋼材韌性、強(qiáng)度和塑性降低。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℃10萬小時持久強(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（此時相應(yīng)的蠕變速率為1X10-5）。根據(jù)南京煉油廠對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起的環(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)力疊加已超過56MPa,且在420℃以上持續(xù)20多小時，足以使材料發(fā)生蠕變。所以使用20g鋼板易產(chǎn)生“糖葫蘆”現(xiàn)象。而15CrMo鋼的475℃蠕變極限為100MPa（相應(yīng)的蠕變率也為1X10-5）,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)力疊加亦小于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。焦炭塔選用國產(chǎn)15CrMoR及其復(fù)合板是可以實(shí)現(xiàn)的。1、該鋼種在1996年4月5日發(fā)布的GB6654-1996"壓力容器用鋼板”中已正式列入標(biāo)準(zhǔn)。加氫設(shè)備中已應(yīng)用多臺。使用證明，我國的15CrMoR鋼板水平及實(shí)物水平已達(dá)到了ASME“鍋爐和壓力容器規(guī)范”第二篇中SA387Gr12規(guī)定的要求，并已取得一定的制造經(jīng)驗(yàn)，是目前制造焦炭塔較理想的材料。目前國內(nèi)15CrMoR鋼板生產(chǎn)已成熟，性能基本穩(wěn)定。舞陽鋼廠、武漢鋼廠、重慶鋼廠等都能批量生產(chǎn)，為了更安全可靠，對鋼板提出了一些特殊要求。①P含量要求W0.012%,S含量要求W0.010%,而GB6654規(guī)定SW0.030%,

PW0.030%。②提高了常溫沖擊值的要求，+10℃夏比（V型缺口）沖擊功三80）（三個試樣

平均值）允許其中一個試樣三60J。而GB6654規(guī)定：沖擊功三31）（三個試樣平

均值）允許其中一個試樣三22J。上述要求國內(nèi)鋼廠現(xiàn)都能滿足。2、復(fù)合鋼板國內(nèi)也能提供，據(jù)對宜賓復(fù)合板廠調(diào)查，該廠可以提供爆炸復(fù)合鋼

板，并提供相應(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)加氫反應(yīng)器，其焊接工藝成熟的。針對焦炭塔的操作特點(diǎn)，人們擔(dān)心使用復(fù)合板是否會產(chǎn)生復(fù)層和基層的剝離問題

呢？經(jīng)分析是不會產(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)a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)合的過程是一個焊

接過程，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)國標(biāo)GB8165-87,軋制復(fù)合板的剪切強(qiáng)度T^147MPa；而根據(jù)JB4733-1996”壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板”標(biāo)準(zhǔn)，其爆炸復(fù)合鋼板的剪切

強(qiáng)度T^210MPa。根據(jù)使用條件，應(yīng)選擇B1級，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)行焊后整體熱處理，據(jù)調(diào)查，國內(nèi)

對于大型設(shè)備現(xiàn)場熱處理已有了成熟的經(jīng)驗(yàn)。綜上所述，對于大型焦炭塔，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鋼塔即上海石化公司2臺“8400焦炭塔問世以來，Cr-Mo

鋼塔不斷出現(xiàn)，到目前為止已有50多臺Cr-Mo鋼焦炭塔投入使用。7.1.3.2

關(guān)于復(fù)層材料的選擇據(jù)資料調(diào)查，國外的焦炭塔幾乎全部采用不銹鋼復(fù)合板制造。根據(jù)我國的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)榻固克菽瓕右韵虏糠钟幸粚咏固勘Ｗo(hù)，腐蝕很輕，可以不用復(fù)合板。根據(jù)SH/T3096—2001”加工高硫原油重點(diǎn)裝置主要設(shè)備設(shè)計(jì)選材導(dǎo)則”規(guī)定，從頂部至泡沫層以下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）,哪種更好呢？據(jù)API調(diào)查[2],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7—9。據(jù)資料介紹[1],采用405型不銹鋼應(yīng)限制在343℃以下，長期處于371?538℃405型材料會變脆。超過343℃（650°F）時只可使用410S不銹鋼作內(nèi)部構(gòu)件。目前我國使用405型（即0Cr13A1）作復(fù)層的不銹鋼復(fù)合板很多，還未見有0Cr13A1

脆化的報導(dǎo)，但由于焦炭塔殼體復(fù)層長期處于427?495℃之間，為了穩(wěn)妥可靠起見，還是選用0Cr13（即410S）為好，兩者價格亦相差不多。圖7—9材料選擇的趨勢（殼/錐復(fù)層）實(shí)踐表明[4],焦炭塔復(fù)層的焊縫也會發(fā)生裂紋，為了減少裂紋產(chǎn)生，有的專家建議，采用INCONEL625代替常用的405或410S作為復(fù)層。其優(yōu)點(diǎn)不但抗腐蝕性能更好，更為重要的是復(fù)層與基層之間因熱膨脹差異產(chǎn)生的熱應(yīng)力少，不易產(chǎn)生裂紋。根據(jù)對內(nèi)徑為“6840mm,C-1/2M。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)合板處于482℃的工況下進(jìn)行的。分析的結(jié)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，成本增加40?50%。當(dāng)部分采用INCONEL625,例如塔體下

段垂直焊縫和其他容易產(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，成本增加不會超過15?20%。7.1.3.3關(guān)于復(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7—10。對309型不銹

鋼的評價是從好到壞都有，有一份調(diào)查介紹，在第一次操作期間就產(chǎn)生大范圍的

龜裂而全部被清除。如果抗硫腐蝕是首先要考慮的因素，則309型不銹鋼性能比

銀基材料較好些，但如果相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)是關(guān)鍵，那么采用銀基材料比采用奧

氏體不銹鋼更好。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)該首先考

慮的重要因素，雖然銀基材料貴一些，但仍應(yīng)選用它。安裝年份圖7—10

材料選擇的趨勢（復(fù)層接頭的焊接材料）7.1.4關(guān)于裙座結(jié)構(gòu)型式焦炭塔是一個承受熱和機(jī)械循環(huán)的壓力容器，在可預(yù)見的將來，由于經(jīng)濟(jì)上的原

因，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)散是由焦化過程熱循環(huán)操作特性導(dǎo)致的。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—10年都可能

發(fā)生開裂。在API調(diào)查的焦炭塔中，有約1/2的塔在靠近塔裙一殼體連接處的

塔裙發(fā)生開裂，開裂常常發(fā)生在塔裙一殼體連接結(jié)構(gòu)附近，由于其對流和輻射傳

熱面積較大，通常要經(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)度才能支撐設(shè)計(jì)負(fù)荷條件下的殼體，同時還要求其徑向有較好的柔韌性，以便避免熱應(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都有裂紋的占報告的56%,最嚴(yán)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(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如下四種：第一種一般對接型式，見圖7—12。其結(jié)構(gòu)簡單，但易產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋。第二種搭接型式，見圖7—13。其結(jié)構(gòu)簡單，但易產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋，裂紋擴(kuò)展后將

會造成塔體下沉的嚴(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），有利于應(yīng)力釋放，防止焊縫開裂。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)部的一份報告[3],介紹了對這四種結(jié)構(gòu)的應(yīng)

力分析，并進(jìn)行了比較。分析結(jié)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7—5。圖7—12焦炭塔裙座連接一一般的對接型式圖7—13焦炭塔裙座連接一一搭接型式圖7—14裙座與殼體的堆焊連接結(jié)構(gòu)圖7—15整體鍛焊結(jié)構(gòu)表7—5裙座連接處的應(yīng)力值，應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞壽命型式一般對接型搭接型堆焊型整體型

圖12圖13圖14圖15裙座連接處加熱時的應(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）（psi）68200（槽孔頂部）槽孔應(yīng)力值（冷卻時）（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）33021999年ASME的一份報告［4］，推薦裙座與殼體錐體連接部位采用整體鍛焊結(jié)構(gòu)（圖7—15）代替堆焊結(jié)構(gòu)（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，焊縫同基材相比對裂紋更敏感，整體鍛焊結(jié)構(gòu)比焊接結(jié)構(gòu)更能抵抗裂紋。選擇合理的結(jié)構(gòu)尺寸可大大提高焦炭塔的疲勞壽命。報告中介紹了八種不同結(jié)構(gòu)尺寸的整體鍛件結(jié)構(gòu)，簡圖如圖7—16所示，整

體鍛件結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況及壽命分析如表7—6。圖7—16裙座整體鍛焊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化表7—6整體鍛焊結(jié)構(gòu)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)力范圍（psi）762187836662152668347025155867592457647053213壽命周期5503506710092812670091450811880544917123由此可見，同樣是鍛焊結(jié)構(gòu),不同的結(jié)構(gòu)尺寸其壽命也大不相同，例如圖7—16H的疲勞壽命最高，達(dá)17123次，是堆焊結(jié)構(gòu)（圖7—14）疲勞壽命的3倍多，而圖7—16G的疲勞壽命才5449次，比堆焊結(jié)構(gòu)（圖7—14）的5503次還低。必須指出［3］,熱應(yīng)力水平的確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，對最高應(yīng)力點(diǎn)的強(qiáng)度水平計(jì)算出來的，實(shí)際操作時實(shí)測的加熱速度約為14°F/分，冷卻速度為6°F/分，這還是相當(dāng)?shù)偷?。有的延遲焦化裝置加熱和冷卻速度往往分別達(dá)到20°F/分和

30°F/分。這樣將產(chǎn)生更高的熱應(yīng)力，隨之相應(yīng)的疲勞壽命將大大減少。這點(diǎn)由

一般的焦炭塔裙座在投產(chǎn)五年內(nèi)開裂而得到證明。但整體鍛焊結(jié)構(gòu)（圖7—15）

能提供最好的計(jì)算壽命，甚至在操作條件達(dá)到了最高的加熱速度和最高的冷卻速

度時，也能提供無裂紋的壽命。這種整體鍛焊結(jié)構(gòu)已在日本和西班牙的4臺焦炭塔和我國上海煉油廠的“8800

焦炭塔等10多臺焦炭塔上得到應(yīng)用。采用整體鍛焊結(jié)構(gòu)，塔的成本將增加大約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(jié)合起來，沒有發(fā)生裂縫裙座的67%是直線型設(shè)計(jì)并且焊縫是磨平的。所以在決定裙座結(jié)構(gòu)型式時，應(yīng)該選擇直線型設(shè)計(jì)（即裙座外壁與殼體外壁成一直線），焊縫應(yīng)打磨平滑。根據(jù)具體情況選擇堆焊結(jié)構(gòu)或整體鍛焊結(jié)構(gòu)，在有條件的情況下，為了盡量延長焦炭塔的疲勞壽命，應(yīng)優(yōu)先選擇整體鍛焊結(jié)構(gòu)。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

連接處會產(chǎn)生因熱膨脹引起的周期變化的熱應(yīng)力，此熱應(yīng)力值很大，容易引起焊

縫開裂。過去有人提出在裙座上開設(shè)膨脹縫（槽孔），如下圖7—17所示，將有

效減少因膨脹差引起的熱應(yīng)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(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，引起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)裂紋就是一個例證。1995年，ASME的一份報告［3］稱對此開孔進(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)大

于3英寸，槽孔邊緣應(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)對某“8600焦炭塔的裙座的應(yīng)力分析，不開槽的危險截面在裙座上部，其最大應(yīng)力值為161.2MPa；而開了槽后，危險截面在槽孔上，其最大應(yīng)力值達(dá)361MPa。由ANSIS應(yīng)力分析得知，開設(shè)槽孔后危險截面的應(yīng)力值反而增加，槽孔處的集中應(yīng)力更大，所以一般情況下裙座上不宜開設(shè)膨脹縫。7.1.5

焦炭塔保溫焦炭塔保溫對完善渣油的裂化反應(yīng)是至關(guān)重要的。如果保溫不好，熱量大量損失，將使反應(yīng)溫度降低，裂化反應(yīng)不能充分完成，甚至局部部位無法結(jié)焦。據(jù)估算，焦炭塔內(nèi)溫度每降低5.6℃,將使液體收率降低1.1%［6］。焦炭塔塔體表面保溫的好壞，也對減少局部應(yīng)力及塔壁腐蝕有著極其重要的作

用，應(yīng)當(dāng)引起我們的高度重視。當(dāng)塔體表面某些部位缺少保溫或保溫破損，長期

裸露，特別在下雨、下雪時，會造成塔內(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。一些煉廠焦炭塔接管，支腿加強(qiáng)焊縫開裂就是與保溫不善，

內(nèi)應(yīng)力過大有著很大關(guān)系。在塔頂部位，因保溫不善而引起塔內(nèi)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(xiàn)，凡塔體壁未結(jié)焦而腐蝕產(chǎn)生處，塔外壁均有焊接件，導(dǎo)致保溫不好。塔外壁保溫不好，使得塔內(nèi)壁溫度小于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，內(nèi)壁結(jié)一層致密的焦層，溫度小于410℃時內(nèi)壁結(jié)焦輕微，溫度為380?390℃時就不易結(jié)焦。南京煉油廠也有同樣的問題，3#、4#焦碳塔封頭下部的一圈鋼板在四根平臺支腿的加強(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)，塔體上也不宜焊接支吊架、加強(qiáng)板、支腿等焊接件。1996年API調(diào)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(diào)查報告也

指出，早期的設(shè)計(jì)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(xiàn)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(yīng)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(qiáng)，故更不能在塔體上焊保溫釘和保溫支持圈，所以焦炭塔應(yīng)參考加氫反應(yīng)器的保溫結(jié)構(gòu)，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。這種結(jié)構(gòu)，國內(nèi)已有相應(yīng)的專利［18］。鑒于焦炭塔的操作特點(diǎn)，有關(guān)保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)其周期性的膨脹收縮。為此要求：1、保溫材料應(yīng)是軟質(zhì)的，本身能吸收膨脹，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，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，防止該處焊縫產(chǎn)生裂紋。圖7—20焦炭塔裙座熱盒和保溫簡圖7.1.6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)針對過去焦炭塔出現(xiàn)過的問題，應(yīng)在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，采取一些相應(yīng)的改進(jìn)措

施。實(shí)踐證明，焦炭塔操作時低循環(huán)疲勞引起筒體部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍ｋS著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形的積累會形成筒體的“糖葫蘆狀”變形。這是“低周疲勞+金屬蠕變”引起的。由于反復(fù)循環(huán)受力，環(huán)焊縫幾何形狀(軸向)不連續(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。改進(jìn)辦法：①按疲勞容器的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)采用無堵焦閥設(shè)計(jì)，在筒體上不開孔。盡量減少與筒體相焊的連接件。所有與殼

體相焊的連接焊縫處打磨圓滑。因?yàn)樗w焊縫加強(qiáng)高度在焦炭塔操作條件下是引起應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋的根

源，同時也是筒體段鼓凸變形的一個因素，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，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。對接焊縫采用X型坡口以減少變形和應(yīng)力。上封頭上的開孔連接處取消補(bǔ)強(qiáng)圈，采取整體補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。連接處圓弧過渡特別是

底蓋進(jìn)料口處設(shè)計(jì)成翻邊結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中。②針對裙座與筒體焊縫處出現(xiàn)裂紋的狀況，采取以下措施當(dāng)采用堆焊型結(jié)構(gòu)時裙座焊縫應(yīng)圓滑過渡，并增加焊縫高度，(控制焊縫外表面

與垂線成15°角)。尤其是焊縫下部應(yīng)打磨成圓弧狀。焊縫應(yīng)全焊透。有條件

時應(yīng)采用整體鍛焊結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用堆焊結(jié)構(gòu)時裙座與筒體焊縫處加設(shè)加熱盤管，以減少操作時的溫差，即可

減少溫差應(yīng)力。c）加強(qiáng)保溫效果，設(shè)計(jì)熱箱結(jié)構(gòu)（見圖7—20）。③

因?yàn)樗Τ箷r，高壓水對筒壁沖擊造成塔體振動，引起底座墊鐵外逸，螺栓松

動。采取措施: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。由于焦炭塔的鼓凸變形和焊縫開裂經(jīng)常發(fā)生在環(huán)焊縫及其周圍，所以制造時盡量

減少環(huán)縫。為此芝加哥鋼橋公司（CB&I）的工程師們，采用新的方法制造焦炭塔

[4],即采用大型板材縱向排板，以減少環(huán)焊縫，增加縱焊縫。例如對于直徑

“8208（27英尺）的焦炭塔，筒體切線長為24米（80英尺），采用3米寬12

米長的鋼板，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論是碳鋼還是C—1/2M。鋼塔，隨著時間的日益增長會變脆，C—1/2M。鋼制

造的塔對于脆化和破裂更為敏感。當(dāng)殼體發(fā)生穿透破裂時，碳鋼塔顯示比C—1

/2M。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、吹蒸汽冷卻時或剛開始升溫時。伴隨著塔的惡劣工作條件發(fā)生的殼

體裂紋主要發(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)查結(jié)果[8],碳鋼塔和C—1/2M。鋼塔塔體明顯脆化了，有一些塔測量其破裂

時的沖擊韌性在21℃時降到了2—3英尺一磅。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如下幾種成分：不同成分的材料對缺口敏感性尤其是0℃沖擊韌性的影響是不同的。在各

種元素中，P的影響最大，其次是Si、Sb、As、Sn等。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，材料吸收沖擊能的能力較強(qiáng)。這里特別要防止大型鍛件里常見的混晶，它會使材料整體抗沖擊的能力大大降低。組織：不同熱處理狀態(tài)下的析出組織（如不同百分比組合的奧氏體、珠光體、馬氏體包括位錯、層錯，孿晶等亞組織）及不同純凈度且雜質(zhì)不同分布的材料對沖擊的影響有著截然不同的結(jié)果。熱處理現(xiàn)狀態(tài)：15CrM。是常用鋼，熱處理工藝已十分成熟。但應(yīng)注意，由于時

間一冷速一溫度比較而言，溫度起的作用最大。所以應(yīng)主要考慮溫度因素。焊后熱處理溫度對沖擊值的影響是很顯致的。例如對從厚160mm的15CrM。鍛件

焊接件上鋸下的試片進(jìn)行了675℃、690℃和705℃的焊后熱處理，得到如下不同

的沖擊值，見表7—6：表7—6不同焊后熱處理溫度下沖擊值比較現(xiàn)場焊后回火675℃X5h,試片又經(jīng)PWHT（如下）X2h接頭ob(10℃)Akv(0℃)Akv(0℃)母材焊縫HAZ母材焊縫HAZ91?38?105?80?98?675℃534?60626520?48102242198210110?52?80?105?160?113?690℃509?608280102112281203200140?62?76?152?115?117?705℃503?588289113225268211190由此可見，選擇合理的熱處理溫度，控制熱處理溫度偏差，對提高沖擊韌性來說

是至關(guān)重要的。提高材料沖擊韌性的措施一般為：

1采用細(xì)晶粒鋼加正火處理，其沖擊韌性將大大提高.目前一般都采用Cr-Mo鋼。尤其是采用11/4Cr-1/2MoSi鋼。因?yàn)樗秦愂象w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好。2Cr-Mo鋼應(yīng)經(jīng)精煉，嚴(yán)格控制S.P含量。有資料介紹，國外某公司控制PW0.008%

5^0.005%。目前國內(nèi)一般能控制PW0.012%SW0.010%。3適當(dāng)降低焊接材料的屈服強(qiáng)度，規(guī)定一個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)度一般不應(yīng)超過母材的10%[12]。4提高Cr-Mo焊接的予熱溫度,一般應(yīng)為160?250℃。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)晶粒的長大。6提高焊后熱處理溫度此超?。?，一般為690℃±14℃采取以上一系列措施后，鋼材的沖擊值將大大提高。例如焦炭塔采用舞陽鋼廠的15CrMoR鋼板。某煉廠“8800焦炭塔的工程試塊的沖擊值如下：手工焊（鋼板528）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528）常溫AKV-J0℃AKV?J焊縫166.3147.3熱影響區(qū)175.3171母材223.32217.為了減少鋼材對高溫蠕變脆化的敏感性，延長高溫操作壽命，根據(jù)API938[10]的要求，國外有的公司規(guī)定：操作溫度超過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，也就是說要降低強(qiáng)度，增加沖擊韌性。在美國，有的公司明確規(guī)定焦炭塔選用SA-387Gr.11class1或SA-

387Gr.22class1,并要求一29℃的A求＞54J（焦耳）。7.1.7焦炭塔大型化要實(shí)現(xiàn)延遲焦化裝置的大型化，首先要實(shí)現(xiàn)其核心設(shè)備焦炭塔的大型化。在100

萬噸/年延遲焦化裝置中焦炭塔直徑一般都在8米以上，要實(shí)現(xiàn)大型化，必須考

慮如下幾種因素。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“8400焦炭塔，若采用20R鋼板，則壁厚達(dá)40?70mm[17],已經(jīng)超過不熱處理的允許范圍。由于壁厚太厚，在操作過程中因徑向溫差引起的熱應(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，1998年的概算投資為760萬元/臺而選用15CrMoR則設(shè)備重僅200噸/臺，概算投資

為680萬元/臺。這樣選用Cr-Mo鋼后，設(shè)備自重減少180噸/臺，投資節(jié)約80萬元/臺。b)大型焦炭塔的制造首先要解決的是焊后熱處理問題。Cr-Mo鋼設(shè)備按規(guī)范應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，但因直徑大，整體熱處理很困難。故一般進(jìn)行分段爐內(nèi)熱處理，現(xiàn)場拼接后，對環(huán)縫再進(jìn)行局部熱處理。目前國內(nèi)有多家熱處理公司專門從事大型設(shè)備的熱處理。大型焦炭塔的現(xiàn)場熱處理是一項(xiàng)比較復(fù)雜的施工工藝，熱工計(jì)算要求正確合理，工藝設(shè)計(jì)要求經(jīng)濟(jì)適用并滿足工程實(shí)際需要?，F(xiàn)場熱處理的工藝設(shè)計(jì)主要包括加熱設(shè)施的設(shè)計(jì)與布置；測溫與溫控系統(tǒng)的設(shè)置以及采取必要的防變形措施?，F(xiàn)場簡易加熱爐的結(jié)構(gòu)見圖7—22。有的單位采用塔體整體熱處理的方法，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處理方法。但一定要控制工件表面溫度偏差在±14℃之內(nèi)。這兩種熱處理方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、熱處理質(zhì)量好、更受用戶的歡迎。國內(nèi)目前大多采用立置燃油法整體熱處理[14]。圖7—22現(xiàn)場簡易加熱爐示意圖c)運(yùn)輸。大型焦炭塔一般在車間制成筒節(jié)，在工地拼裝并熱處理。所以必須首先考

慮從車間到工地的運(yùn)輸問題。d）吊裝。一般焦炭塔直徑”6000?@9400,重量為100?350噸/臺。其吊裝方案

視安裝公司的吊裝能力和現(xiàn)場條件而定，有整體吊裝和分段吊裝兩種。整體吊裝

時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，要求所有臨時固定在殼體上的吊耳等臨時固定件在吊裝完畢后都必須清除干

凈并磨平磨光。為了減少打磨工作量，有條件的話可以采用內(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)置背杠目前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。關(guān)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(yīng)增大。1996年API調(diào)查報告中的最大直徑為28英尺，福斯特?惠勒（FOSTER.WheeLer）公司1998年為印度信誠石油公司設(shè)計(jì)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2003年有18臺直徑為28英尺（”8534mm）的焦炭塔投產(chǎn)。最近正在建造直徑為29英尺和30英尺的焦炭塔，他們將計(jì)劃設(shè)計(jì)32英尺（”9753mm）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（@9144mm）。我國焦炭塔直徑早期大多是@5400mm,80年代后期建的塔為“6100mm。目前投產(chǎn)的焦炭塔直徑達(dá)”8400mm、@8600mm、@8800、@9400mm。

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MPa?540015.0?610018.0?640020.0?680021.0?840028.5?880029.5?900031.0?940035.07.1.8焦炭塔儀表、自動化焦炭塔的料位計(jì)和塔壁測溫點(diǎn)的設(shè)置也是焦炭塔設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素。設(shè)置料位計(jì)的主要目的是觀察焦炭塔內(nèi)泡沫層和焦層的所處位置，有助于及時注入消泡劑和停止工藝進(jìn)料，對提高焦炭塔的利用率，指導(dǎo)焦化工藝操作、節(jié)約能耗和消泡劑耗量非常有利。目前國內(nèi)采用的大部分是國產(chǎn)的中子料位計(jì)，其使用的中子源活度為50毫居，相應(yīng)輻射劑量為距源點(diǎn)l米處，中子及射線總輻射劑量小于1.6X10-6希沃特/時。其工作原理是中子源發(fā)出快中子，穿過塔壁和塔內(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?，對中子的吸收慢化不同，塔外壁接收到的中了通量也不同。測量在此中子通量及其隨時間的變化，則可以確定塔內(nèi)物料的相對密度的大小及其變化，由此判定物料狀態(tài)是油氣、泡沫還是焦炭。通常每個焦炭塔設(shè)置料位計(jì)1?4點(diǎn)不等，設(shè)3點(diǎn)的較多。三個點(diǎn)的設(shè)置位置應(yīng)根據(jù)生焦率、進(jìn)料量、生焦時間、泡沫層高度確定。每檢測點(diǎn)由中子源、檢測器、電子線路、主控室接口及二控PC數(shù)據(jù)處理、顯示系統(tǒng)等構(gòu)成。塔上部件均有效地密封在防火、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)時應(yīng)考慮料位計(jì)的安裝位置及結(jié)構(gòu)形式。中子料位計(jì)每一檢測點(diǎn)只能檢測塔內(nèi)某一點(diǎn)的料位，另外一種料位計(jì)點(diǎn)發(fā)射源和接收器在焦炭塔相對的兩側(cè)，發(fā)射源發(fā)射的射線是水平向下約30°的扇面，其對面的是長約2?3米的棒

形接收器，該料位計(jì)可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)檢測塔內(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可以判斷焦層、泡沫層的位置，該措施在國內(nèi)外也得到普遍應(yīng)用。根據(jù)焦炭塔內(nèi)的反應(yīng)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，導(dǎo)致塔壁溫度比反應(yīng)區(qū)溫度也低。根據(jù)不同點(diǎn)塔壁溫度的變化，由低到高再到低來確定泡沫層是否已經(jīng)過此點(diǎn)。另外塔壁溫度的設(shè)置對焦炭塔的吹汽、給水、油氣預(yù)熱過程也有一定的指導(dǎo)作用。測溫點(diǎn)的熱電偶和塔壁應(yīng)有效接觸，采用埋置式較合理，在焦炭塔的制造過程中就要預(yù)放焊接板。用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)冷焦過程自動化，控制進(jìn)料流率，控制焦炭塔的空高，焦炭塔自動

切換；按照焦炭塔壓力控制冷卻水流率，用Y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。焦炭塔自動聯(lián)鎖焦炭塔為間歇操作，需要提高儀表自動化水平以保證操作安全。新建裝置的儀表和自動聯(lián)鎖裝置已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)焦炭塔操作自動化。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：當(dāng)四通切換閥SV切換加熱爐出料至焦炭塔A時，四通切換閥不會向隔斷閥關(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薨壓。當(dāng)進(jìn)口隔離閥SP6A開啟時，聯(lián)鎖的公用工程總管隔斷閥SP7A就不能打開。這可防止加熱爐轉(zhuǎn)油線的熱油進(jìn)入排水系統(tǒng)；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；當(dāng)四通切換閥向某一側(cè)進(jìn)料時，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)一只電動切換閥。其作用是：當(dāng)設(shè)有多組焦炭塔時，可防止放空油汽倒流至已經(jīng)打開頭蓋的焦炭塔內(nèi)。當(dāng)某臺焦炭塔的放空閥或頭蓋已經(jīng)打開時，此切換閥不會因?yàn)檎`操作而被打開。7.1.9焦炭塔的檢測和壽命評估：焦炭塔的損壞包括：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)厲的熱循環(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)焊縫附近就會鼓脹，鼓脹可能引起不可接受的應(yīng)力直至開裂。焦炭塔為什么會開裂，一般來說有以下原因：?設(shè)計(jì)時未考慮低周疲勞，沒有采用實(shí)測的瞬時熱應(yīng)力或應(yīng)力范圍?操作切換和冷卻程序更加苛刻?制造過程有缺點(diǎn)?焦化的操作周期越來越短(10-16小時)?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。通常發(fā)生穿透性裂紋所需要的典型時間間隔是3000-5000周期(24-36小時/每一個循環(huán)），但是有的煉廠報告在使用時間在不長的情況下也發(fā)生開裂。正常情況下，如果焦炭塔是首次使用，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，通常會測量到超常大的應(yīng)力值。焦炭塔的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力峰值分別超過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。有資料介紹國外某公司建于90年代的大多數(shù)焦炭塔（至少8臺）4?5年內(nèi)殼體

和裙座就出現(xiàn)穿透性裂紋。一般的檢修周期是每4?7年一次。檢測方法：確定焊縫開裂的最直接方法是從焦炭塔內(nèi)部進(jìn)行肉眼檢查和著色滲透檢查，或者

從外部進(jìn)行超聲波檢查。由于一座焦炭塔有500-1000英尺長的焊道，100%地

檢查出初期焊道開裂是不切實(shí)際的。常用的檢測方法有：1、用斷面激光遙控系統(tǒng)監(jiān)測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

方法目前已經(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)部測量，見

圖7-25。檢查所得的常規(guī)激光剖面圖能幫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)此確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）比較超時焦炭塔的變形程度，預(yù)測焦炭塔鼓脹何時才能達(dá)到臨界水平。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)能夠詳細(xì)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，就能連續(xù)記錄和同時能夠自動打上定

位信息。3、應(yīng)用應(yīng)變測量儀，定量測出焦炭塔某處的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變測量儀是一個能夠確定焦炭塔壁板和塔裙在操作過程中承受實(shí)際負(fù)荷應(yīng)力

范圍的重要工具。高溫應(yīng)變測量儀是附著在焦炭塔外側(cè)的單軸向電阻傳感器，高

溫應(yīng)變測量儀以周向/軸向的形式安裝在焦炭塔上。4、聲發(fā)射試驗(yàn)自1985年以來，聲發(fā)射試驗(yàn)被用來執(zhí)行焦炭塔的在線檢查，找出裂紋的活動。借助于表面熱電偶和高溫應(yīng)變測量儀能夠監(jiān)測幾個循環(huán)。對于低循環(huán)疲勞來說，應(yīng)當(dāng)檢查相關(guān)的內(nèi)外徑尺寸并繪圖。利用已有的常規(guī)的聲發(fā)射檢查知識，就能制定停工計(jì)劃。利用以上檢測技術(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)約經(jīng)費(fèi)，而且能夠明顯降低相關(guān)人員的危險性，對焦炭塔的在線檢測應(yīng)當(dāng)是經(jīng)常性的，以便確定它們何時何處在變化和變形速率是多少。根據(jù)這些信息，能夠確定修補(bǔ)對策，隨著焦炭塔達(dá)到它壽命的終點(diǎn)，這些檢測能夠幫助操作者確定焦炭塔更換之前還能使用多久。這類超前信息和可予測性對制定壁板更換計(jì)劃是必不可少的。焦炭塔的壽命評估：焦炭塔所承受的是煉油廠最苛刻的熱循環(huán)，它是一個低周疲勞容器，其壽命的計(jì)算通常采用靜態(tài)應(yīng)力分析法，即采用有限元應(yīng)力分析方法，計(jì)算出最危險點(diǎn)的應(yīng)力范圍，根據(jù)JB4732-95“鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”中圖C—1,查得允許的循環(huán)次數(shù)，即預(yù)測焦炭塔的疲勞壽命。但此分析法，沒有考慮到最大應(yīng)力點(diǎn)的位置實(shí)際上是在變化的，最高應(yīng)力值也是在變化的，是隨著操作過程中升溫和降溫的速率在變化的，所以出現(xiàn)了另一種方法，稱為動態(tài)應(yīng)力分析法。即用有限元應(yīng)力分析法建立一個數(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)測的操作中的實(shí)際瞬時應(yīng)力范圍來修正的。用此數(shù)學(xué)模型來評估焦炭塔的壽命。焦炭塔的壽命評估，一般由專業(yè)公司來實(shí)施，例如：美國的SES公司，該公司在現(xiàn)場安裝應(yīng)變儀和熱電偶測量操作中的實(shí)際瞬時應(yīng)力。采用“壽命控制系統(tǒng)”來監(jiān)測操作中的焦炭塔。通過“壽命控制”系統(tǒng)，改變影響焦炭塔損傷的過程和操作方法。1）通過50-70周期的瞬時數(shù)據(jù)確定實(shí)際的應(yīng)力范圍。2）計(jì)算出每個周期直到失效時累積的疲勞損傷。3）給出與DCS操作對應(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同，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)熱并將來自焦炭塔

的油氣中的焦粉洗滌出去，塔底通常作為焦化裝置新鮮原料的緩沖罐，對于防止

塔底結(jié)焦和焦粉攜帶有較高的要求。典型的焦化主分餾塔結(jié)構(gòu)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)考慮以

下問題：1充分回收熱量:塔的精餾段一般設(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)低壓操作而降低塔內(nèi)壓力降；3洗滌段設(shè)計(jì)必須注意改進(jìn)重瓦斯油側(cè)線以下塔內(nèi)件設(shè)計(jì)，尤其是在低循環(huán)比操作情況下更為重要。蠟油回流焦化柴油焦化蠟油圖7—26焦化主分餾塔結(jié)構(gòu)示意圖。焦化主分餾塔設(shè)計(jì)內(nèi)容包括塔徑及塔內(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一般采用高通量塔盤和規(guī)整填料，格柵填料也可以

考慮在HGO回流段使用。當(dāng)塔內(nèi)負(fù)荷以氣相為主時，采用規(guī)整填料比塔盤的優(yōu)

勢大，而高通量塔盤適合于液相負(fù)荷大的場合。同時高通量塔盤和規(guī)整填料比較，

具有投資?。ㄒ话阋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)件的選擇標(biāo)準(zhǔn)。表7—8焦化主分餾塔分餾段內(nèi)部構(gòu)件的選擇標(biāo)準(zhǔn)（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)荷為主時處理能力234液相負(fù)荷為主時處理能力3241 抗腐蝕性413注：1—最差4一最好2洗滌段焦化主分餾塔洗滌段起到以下三種作用：—控制焦化重蠟油餾分的重質(zhì)“尾餾分”。—盡可能減輕主分餾塔產(chǎn)品（主要是CGO）中焦粉的攜帶?！ㄟ^循環(huán)油切割點(diǎn)的調(diào)整，優(yōu)化焦化產(chǎn)品分布。為了降低塔壓降，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)量和對焦化重瓦斯油質(zhì)量的要求。用于特低循環(huán)比的操作時，可采用噴淋式洗滌段，但瓦斯油質(zhì)量稍差。要求產(chǎn)低瀝青質(zhì)含量的焦化重蠟油時，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℃,由于經(jīng)過了裂化，性質(zhì)不穩(wěn)定，停留時間長就會生焦。焦化裝置按高液收率(降石油焦收率)改造會導(dǎo)致空塔流速提高和循環(huán)比降低。其效果是使洗滌段效果變壞。這就需要在洗滌段中設(shè)有氣體分配器，氣體分配器是專門設(shè)計(jì)的集液塔盤，壓降較大(150mmH2O)。專門設(shè)計(jì)的降液管，對于來自焦炭塔夾帶雜質(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)別為在洗滌段中是否裝設(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，必須考慮其結(jié)焦趨向。一般而言，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，也就要求更多的洗滌油量來進(jìn)行沖洗以防止結(jié)焦。表7—9是洗滌段內(nèi)構(gòu)件的選擇標(biāo)準(zhǔn)。通?？构感阅芎吞幚砟芰κ亲钪匾倪x擇標(biāo)準(zhǔn)，對一個具體裝置二言，也可能存在其他要求。

表7—9焦化主分餾塔洗滌段內(nèi)構(gòu)件的選擇標(biāo)準(zhǔn)（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潤濕速率要求12244效率43221檢查的方便性41443成本31334能力14233注：1—最差

4一最好主分餾塔洗滌段用的填料效率可參考表7—10的數(shù)據(jù)估計(jì)，洗滌段構(gòu)造對焦化重瓦斯油質(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)造對焦化重瓦斯油質(zhì)量的影響洗滌段結(jié)構(gòu)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對洗滌段而言，高洗滌油流率可以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，也降低了洗滌段內(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，這將導(dǎo)致焦化加熱爐進(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，能耗增加口。

因此，要綜合各種因素后，確定一個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)的主分餾塔下段結(jié)構(gòu)如圖7—29。由于洗

滌段的液體流率太低無法防止塔盤或填料結(jié)焦，所以洗滌段采用噴淋式空塔。在

噴淋室下面安裝了幾層擋板。從焦炭塔來的油氣進(jìn)入塔內(nèi)?？繐醢宸殖鲇蜌庵械?/p>

重質(zhì)焦油和焦粉。由于時常發(fā)生擋板上結(jié)焦，所以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)和免除停工時清掃塔內(nèi)擋板的麻煩。福斯特-

惠勒公司曾將一臺