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1、关于炼制高硫油焦炭塔材料选择和局部结构的改进 张国信 顾月章洛阳石化工程公司设备室摘 要 本文根据国内加工进口高硫原油对焦炭塔的腐蚀及以前设计中某些不合理结构，提出解决办法和改进措施。关键词 焦炭塔 腐蚀 结构 材料1：前言 延迟焦化装置是加工重质渣油的重要手段之一，到目前为止世界上仍然有上百套焦化装置在运行，国内也已建成二十多套。随着近年来国内加工进口中东高硫（S1%）原油数量逐年递增，焦炭塔设计材料选择也面临一个新的课题。从国外目前延迟焦化技术的发展和焦炭塔的最新设计情况，本文就加工高硫原油焦炭塔的腐蚀情况材料选择及局部结构的改进做一探讨，为此方面的设计人员提供一些参考。2：焦炭塔的设计条
2、件 延迟焦化装置中最关键的设备之一就是焦炭塔，它的操作条件十分苛刻，不仅要承受高温条件及压力载荷的作用（一般操作压力 0.13-0.23MPa 操作温度400-500）,还要承受冷热循环冲击载荷的作用，如果设计按20年设备寿命计算包括介质的切换，将有15000多次的压力、温度循环。特别是随着硫含量的增加，高温硫对设备的均匀腐蚀更加严重。因此，在焦炭塔设计中不仅要考虑设备承受疲劳载荷产生的破坏，对高温硫的腐蚀也必须重点关注。3：焦炭塔的腐蚀及破坏形式3.1 高温硫腐蚀 高温硫对设备的腐蚀从240开始，随着温度的升高而迅速加剧，到480左右达到最高，因此腐蚀发生的范围为240-500。高温硫的腐蚀
3、分为活性硫化物和非活性硫化物的腐蚀，影响高温硫腐蚀的因素一般认为主要有以下几个方面：温度、硫化氢浓度、流速和材质，另一方面，随着硫的的含量的增加和温度升高，腐蚀速度进一步加快。 表1为不同的硫含量在不同的温度下对碳钢和铬钼钢的腐蚀速率表1含硫量（%）温度腐蚀率（mm/y）碳钢Cr5Mo一般最大一般最大0.8372401851300.380.300.280.550.400.330.9693002952802500.450.400.370.30.730.700.480.440.250.361.253603203103001.801.201.001.003.202.201.601.300.530.3
4、80.350.330.820.900.530.501.473804003.203.606.006.200.780.863.2 焦炭塔的高温硫腐蚀 焦炭塔的塔壁通常都附着一层牢固而致密的由焦炭形成的保护层，隔开了腐蚀介质，因而一般不发生腐蚀或腐蚀不明显。但是中、上段塔壁、顶部封头开口接管、封头环向部位腐蚀较为严重；二是塔的泡沫段。第一种情况是由于该部位塔外焊有立柱加强板处，传热速度较快，塔内达不到结焦温度，致使塔壁裸露而腐蚀。第二种情况是由于介质波动造成对塔壁的冲刷，使塔壁上附着的焦层被冲刷掉而造成严重腐蚀。3.3 焦炭塔的低频疲劳破坏 焦炭塔由于周期性的冷热循环操作，导致塔壁的径向鼓凸和破裂。
5、早期阶段变形仅局限于底部，随着时间的推移，塔上部产生的鼓凸变得更明显，由于环焊缝具有较高的屈服强度s，而且又比母材厚些，因而环焊缝径向增长较小，塔体就产生强制性的气球状的鼓凸。碳钢制造的焦炭塔这种变形最为明显。这些塔上的某些鼓凸可以使塔径增大203-254mm。这种畸变是由于急冷和反复加热产生的局部循环热应力和变形不协调引起的，或者同时因急冷循环时形成的约束力引起的。伴随着塔的恶劣的工作条件产生的壳体破裂，主要发生在环向上，也发生在焊缝的热影响区或者鼓凸的波峰或波谷。4：焦炭塔的设计材料选择 国内设计的焦炭塔选材多碳钢为主，代表性材料为20g。国内设计的焦炭塔有用碳钢的、有用铬钼钢的、还有用复
6、合钢板的。下表2为目前国内外焦炭塔选材对比表2材料设备名称材料+腐蚀余量国内国外轻微腐蚀严重腐蚀轻微腐蚀严重腐蚀焦炭塔泡沫层200mm以上部位20g+6mm *20g+0Cr131Cr-0.5Mo+4mm1Cr-0.5Mo+0Cr13Al其余部位20g+4mm *20g+6mm1Cr-0.5Mo+3mm1Cr-0.5Mo+4mm * 目前，在国内设计中有采用16MnR钢的例子。 从表2可以看出：目前，国外的焦炭塔设计均选用铬钼钢或铬钼钢复合钢板。这主要由于铬钼钢在高温下其高温持久强度（抗疲劳性能）、抗高温氧化性能及抗鼓凸变形性能均比碳钢好得多。表3为20g和15CrMoR在不同温度下105小时
7、高温持久强度。二是铬钼钢在高温下其综合机械性能（强度、韧性、强度与韧性的配合等）要优于碳钢，三是使用铬钼钢制造的焦炭塔重量较轻且使用寿命要比碳钢制造的焦炭塔要长得多。虽然铬钼钢制造成本及制造要求较严且对裂纹敏感性较高，但通过对设备整体热处理可有效降低铬钼钢的裂纹敏感性。 因此，从经济型、合理性、长周期操作使用、维修及炼制高硫油腐蚀等方面综合考虑焦炭设计材料选择铬钼钢要优于碳钢。表320g温度 400450470500持久强度 MPa11962.755.934.315CrMoR温度 450530550600持久强度 MPa15510769.629.4 注：15CrMoR相当于1Cr-0.5Mo5
8、：焦炭塔的局部结构设计5.1 开口接管与筒体的连接形式及开口设计 一般焦炭塔的开口是采用补强圈补强结构，这是中低压容器常规设计的一般开口补强形式，而在疲劳设计中是不允许的。在补强圈补强结构中，接管与筒体、补强圈与接管及筒体之间为角接，为不连续结构，因而会产生较大的应力集中且温差应力大，在此区域的应力值将远远超过结构连续区域的应力值。通过应力分析可知，在接管根部一次加二次应力强度超过结构连续区域的应力值的二倍以上。因此疲劳破坏也往往发生于这些局部高应力区。采用整体锻件补强或厚壁管补强结构就可解决这一问题。 过去国内的一些焦炭塔设计中，常在它的下部设一堵焦口兼作蒸汽入口，此开口正位于塔的高应力区，
9、开口更增加了应力的不连续和应力集中，该处经常发生裂纹现象。焦炭塔的应力分布从上倒下逐渐增加，下部应力最高，所以应尽量避免在该部位开口，而将此开口移至塔的顶部。 焦炭塔的操作条件非常苛刻，钻焦孔和除焦孔需要经常开启和关闭，现在一般为手工操作，应采用自动开启装置，即可提高生产效率，又降低了劳动强度。5.2 焦炭塔的保温结构 焦炭塔保温结构设计过去在国内一直未引起足够的重视，基本上都是按照常规容器的保温结构设计的。这种保温支持圈结构，特别是连续型，会对焦炭塔外壁造成严重约束，导致塔壁应力场分布的不连续，在高温和交变载荷的作用下，很容易引起裂纹和鼓凸变形。因此，应避免采用此种保温结构形式而应采用披挂式
10、保温结构形式，这种保温结构形式无保温支持圈，与塔壁不焊接，保温层随塔壁自由伸缩。保温材料采用小块分割，双层交错搭接，同层接缝之间用粘合的方法连为一体。保温层用钢带捆扎固定。对焦炭塔保温保护层也可采用波形铁皮以适应冷热循环的胀缩。5.3 焦炭塔的裙座与塔体的连接结构 焦炭塔使用中裙座部位经常发生焊缝开裂，应力分析证明，这主要是裙座与塔体的连接产生的几何形状不连续和刚性约束及温差应力引起的，要降低应力集中唯一的方法就是改善几何形状的不连续和改变约束的条件，通过分析计算和现场实际应用可采用如下方法解决。 a：采用筒体与锥形封头等厚。 b：筒体与裙座连接处设置空气囊。空气囊是用一环形挡板与锥形底盖水平
11、焊接而成，环形挡板与裙座内壁应留有间隙，环形挡板离群座与塔体的连接焊缝的垂直距离约为500mm. c：塔体与裙座整体锻造。 d：筒体与裙座搭接连接，加大裙座与筒体的焊缝高度且焊缝打磨成圆滑过渡。 e：在裙座顶部开槽，槽沿圆周均布。5.4 焦炭塔的外部构件 由于焦炭塔的操作条件焦恶劣，在焦炭塔的设计中一般外部不应设置构件，特别不允许设置伸出保温之外的构件。如果构件伸出保温之外，则在构件连接处塔内壁会出现严重的高温硫腐蚀。因此，外部操作及支撑构架应独立设置。5.5 焦炭塔焊缝的结构 在常规设计中对接焊缝的加强高度一般为0-4mm,对承受疲劳载荷的设备这也是引起应力集中产生疲劳裂纹的根源。故应将所有对接焊缝的加强高度全部打磨光，成为平齐结构。 对于筒节之间的不同厚度的焊接连接，应将两者内壁对齐，厚者从外壁削边，削边坡度不得小于1：3。角焊缝应有圆滑过渡之母材的几何形状，以改善整个塔的几何形状的不连续性。6 结束语 根据国内几十套焦炭塔的运行情况，常有由于材料选择不当和结构设计不合理引起破坏的报道。特别目前国内各炼油厂加工高硫油的增加，对焦炭塔的设计必须按现在的原油性质合理选材，改进以前设计中不合理的结构，优化我们的设计，保证设备安全长周期平稳的操作。