導(dǎo)航：安全管理網(wǎng)>> 安全論文>> 化工安全論文>>正文

焦炭塔膨脹變形與焊縫開裂的原因分析及修復(fù)

文檔作者：田曉冬文檔來源：中國石化北京燕山分公司		更新日期： 2026年05月18日	點擊數(shù)：
下載地址：點擊這里	文件大小： 1.74 MB 共3頁	文檔格式： PDF	下載點數(shù)： 1 點（VIP免費）

全屏查看

內(nèi)容預(yù)覽 [文件共3頁]

本文件共3頁，如需編輯使用，請下載。

注：預(yù)覽效果可能會出現(xiàn)部分文字亂碼（如口口口）、內(nèi)容顯示不全等問題，下載是正常的。

	文件大小：1.74 MB 共3頁文件格式：PDF 下載點數(shù)：1 點（VIP會員免費）

上一篇：煉油廠干氣回收裝置的腐蝕與防護

文本預(yù)覽

僅提取頁面文字內(nèi)容，供快速閱讀使用。

16
石油化工
一、引言
焦炭塔又稱焦化塔或熱裂化反應(yīng)器，為板焊結(jié)構(gòu)的
壁塔式容器，是煉油工業(yè)中延遲焦化的核心設(shè)備。焦炭
塔作為延遲焦化的反應(yīng)裝置，與加熱爐、分餾塔、放空
系統(tǒng)、冷切焦水處理系統(tǒng)、水力除焦系統(tǒng)等組成一套完
整的延遲焦化反應(yīng)系統(tǒng)。焦炭塔在生產(chǎn)中通常為兩塔一
組，周期性循環(huán)生產(chǎn)，一般切換周期為18~36小時。在
延遲焦化實際操作中，焦炭塔的生產(chǎn)溫度最高可達到
500℃的操作壓力，切換周期內(nèi)的操作溫度通常在常溫
~490℃內(nèi)循環(huán)升降。由于生產(chǎn)工藝的特殊要求，焦炭
塔內(nèi)介質(zhì)在高溫差變化作用下其形態(tài)在固液氣三種形態(tài)
內(nèi)循環(huán)變化。由于種種特殊工藝要求，使得焦炭塔一直
處于溫度與載荷循環(huán)性波動的環(huán)境，再加上焦炭塔內(nèi)的
反應(yīng)介質(zhì)具有高腐蝕性，使得焦炭塔容易受到腐蝕，
導(dǎo)致膨脹變形加劇，更甚者發(fā)生表面開裂，材質(zhì)劣化，
最終失效。某煉油廠延遲焦化置于2007年投入使用，
采用“一爐兩塔”工藝，焦炭塔直徑8.8米，高度為38.7
米；主體材質(zhì)采用14Cr1MoR/14Cr1MoR+410S;設(shè)計壓力
0.35MPa；頂、中，底的設(shè)計溫度分別為450℃、475℃、
495℃；循環(huán)周期20小時。通過對焦炭塔整體進行三維激
光掃描和受力分析，總結(jié)焦炭塔變形與焊縫開裂的原因
及修復(fù)方法。
二、焦炭塔膨脹變形與焊縫開裂情況
通過對某煉油廠塔焦炭塔進行檢測，宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)
筒體第H4、H5、H6、H7環(huán)焊縫都有開裂，第H4環(huán)開
裂長度約15 m（斷續(xù)），深約9 mm；第H5環(huán)幾乎整圈
開裂，開裂長度約23m（斷續(xù)），最深處約20 mm；其
中H6和H7開裂深度約2 mm（少部分開裂）。PT檢測第
H7道環(huán)焊縫（過渡層）有多處線性缺陷，最長約3600
mm。開裂部位焊縫硬度值在228-245 HB之間，未開裂焊
縫部位硬度值在190 HB左右。焦炭塔宏觀檢驗結(jié)構(gòu)如圖
1所示。焦炭塔分段示意圖如圖2所示。
焦炭塔內(nèi)壁直徑變量M采用三維激光掃描數(shù)據(jù)結(jié)合
塔內(nèi)測距儀檢測分析。測距儀檢測H7開裂焊縫部位距離
對面約8854mm，距離開裂部位下約1500mm的距離，激
光測距檢測距離對面最小約7984mm。
三維激光掃描建模橘色及黃色為往外鼓部位，綠色
為無變形部位，藍色內(nèi)凹部位。橘色部位外鼓大于250mm
以上，黃色部位外鼓在15～25mm，外鼓區(qū)域表現(xiàn)在焦層
段；內(nèi)凹區(qū)域表現(xiàn)在泡沫層及泡沫層以上。結(jié)合以上兩
組檢測的數(shù)據(jù)可以斷定焦炭塔內(nèi)壁直徑外鼓偏差主要集
中在M3、M4段，偏差值約500 mm以上；焦炭塔內(nèi)壁直
徑內(nèi)凹偏差主要集中在M6以上，偏差值約150 mm。三維
激光掃描建模結(jié)果如圖3所示。
圖1　焦炭塔宏觀檢驗結(jié)果：（a）整體宏觀檢驗；
（b）H4環(huán)焊縫裂紋；（c）H5環(huán)焊縫裂紋 ；（d）
焦炭塔膨脹變形與焊縫開裂的原因分析及修復(fù)
田曉冬　　中國石化北京燕山分公司
【摘　要】焦炭塔是煉油工業(yè)延遲焦化裝置的核心設(shè)備，焦化裝置的長周期生產(chǎn)需要焦炭塔平穩(wěn)的運行。通過對焦
炭塔內(nèi)壁直徑變量進行三維激光掃描分析，得出了某廠焦炭塔的變形情況。經(jīng)分析，焦炭塔長期處于周
期性的冷熱變化中，不同溫度產(chǎn)生的熱變形不一致，導(dǎo)致焦炭塔母材相互的約束和牽制，從而在塔壁上
產(chǎn)生了熱應(yīng)力，多次循環(huán)后產(chǎn)生了塑性變形的累積導(dǎo)致焦炭塔膨脹變形，并且延遲焦化反應(yīng)常常伴隨著
高溫酸與高溫氫的腐蝕，導(dǎo)致焊縫開裂并加劇膨脹變形。結(jié)合焦炭塔的開裂情況，提出了焊縫開裂修復(fù)
方法，同時還提出了焦炭塔日常操作運行中的注意事項。
【關(guān)鍵詞】焦炭塔；膨脹變形；焊縫開裂；熱應(yīng)力；腐蝕
【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2022.18.006
17
石油化工
H7環(huán)焊縫裂紋；
圖2　焦炭塔分段示意圖
圖3　三維激光掃描建模
三、焦炭塔膨脹變形與焊縫開裂的分析
1.膨脹變形的原因分析
焦炭塔是一種周期溫度跨度大的反應(yīng)器，進料時塔
體從常溫升到450℃，熱膨脹引起軸向伸長，整個塔體可
伸長260 mm，直徑鼓脹60 mm。軸向膨脹從下往上，而
塔體自重以及物料、保溫和管線平臺等又產(chǎn)生一個從上
拄下的軸向壓縮力，使向上的膨脹受到約束，且20 h一
循環(huán)。焦炭塔在整個生產(chǎn)周期中，塔壁各處在整個周期
的每一瞬間溫度都是不同的，其縱向、環(huán)向及在厚度方
向都存在著溫差，故在塔壁內(nèi)存在著一個十分復(fù)雜的三
維溫度場。
特別是在升溫和降溫的過程中，由各部不同溫度產(chǎn)
生的熱變形不一致，產(chǎn)生了相互的約束和牽制，從而在
塔壁上也產(chǎn)生了熱應(yīng)力。在升溫和降溫階段，焦炭塔筒
體在溫度和內(nèi)壓共同作用下局部達到塑性，頻繁的升溫
和降溫，使塔體部分由彈性變形變?yōu)樗苄宰冃危译S循
環(huán)次數(shù)的增加及塑性變形的累積，使筒體發(fā)生了糖葫蘆
狀的變形。
根據(jù)美國石油學(xué)會九十年期間對近140多套焦炭塔監(jiān)
測的相關(guān)資料顯示，焦炭塔的鼓脹變形是一個普遍的現(xiàn)
象，約占57%，鼓脹變形的焦炭塔有87%出現(xiàn)了焊縫裂
紋，環(huán)焊縫裂紋約有97%，而且集中在H3、H4、H5環(huán)焊
縫。由于環(huán)焊縫具有較高的屈服強度，其略高于母材，另
一般焊縫的焊縫高度又比母材稍厚些，因而在環(huán)焊縫區(qū)間
顯示出較少的鼓脹，而塔壁鋼板則徑向鼓凸，整體呈現(xiàn)糖
葫蘆狀，在焦炭塔壽命的早期，變形部位僅局限于塔體下
部，隨著時間的推移，上部產(chǎn)生的鼓脹更加明顯。
2.焊縫開裂的原因分析
某煉油廠塔焦炭塔塔體母材的焊接采用T Union GT Cr1Mo
【ER55-G】焊條焊接，焊條抗拉強度≥540MPa，屈服強度
≥440MPa；而塔體母材14Cr1MoR的抗拉強度520～680 MPa。
用該焊條所焊焊縫的強度比母材高20MPa，加之焊縫有4 mm之增強高度，使其強度和剛度都比母材高得多，因此
環(huán)焊縫限制塔體鼓脹變形而使其在焊縫出現(xiàn)“腰帶”。
塔體環(huán)縫因溫度交替作用產(chǎn)生的變形，使焊縫熔合
線產(chǎn)生嚴重應(yīng)力集中，再經(jīng)反復(fù)多次冷熱循環(huán)作用，裂
紋便產(chǎn)生了。
焦炭塔內(nèi)的高溫硫和氫腐蝕對焊縫的脆化產(chǎn)生推動
作用，使焊縫更易產(chǎn)生開裂。延遲焦化反應(yīng)中生成的硫
化物在240℃時開始對設(shè)備造成腐蝕，并隨著溫度升高，
腐蝕速度也迅速加快，480℃時達到最高。高溫下H2S分
解產(chǎn)生H2，而交變熱應(yīng)力的反應(yīng)加速了高溫氫的腐蝕。
3.蠕變分析
焦炭塔的鼓脹變形和環(huán)焊縫開裂是一個蠕變的過
程，某煉油廠塔焦炭塔主體材質(zhì)采用14Cr1MoR。根據(jù)
18
石油化工
浙江省特種設(shè)備檢驗研究院對相近焦炭塔塔體的受力分
析，環(huán)向應(yīng)力為21.8MPa軸向應(yīng)力為10.9MPa；而熱應(yīng)力
較大，進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80.5和24.15MPa(平均值)。由此可見，熱應(yīng)力和內(nèi)壓
產(chǎn)生的應(yīng)力疊加已接近107MPa，而14Cr1MoR鋼的475℃
蠕變極限為107MPa (相應(yīng)的蠕變率也為1×10-5%/h)，最
終導(dǎo)致焦炭塔的鼓脹變形和環(huán)焊縫開裂。
四、焊縫修復(fù)
此次所有焊縫修復(fù)先對返修部位進行除氫處理，溫
度加熱至300~350℃，保溫4h；根據(jù)裂紋位置、深度和
尺寸，選用碳弧氣刨+砂輪打磨清除裂紋，修磨坡口成
緩坡狀，與兩側(cè)母材圓滑過渡之后，不得存在深溝、尖
角等不利于焊接的形狀，坡口盡量沿焊縫長度方向制
作，經(jīng)滲透檢測，I級合格，準(zhǔn)備補焊；補焊焊縫及周
邊100 mm范圍內(nèi)預(yù)熱160~250℃，采用T Union GT Cr1Mo
【ER55-G】進行補焊，焊縫逐層焊起，對每層焊縫進
行表面100%滲透檢測，檢測合格后方可進行下一層焊
接；焊接完成后立即對補焊處及周邊100 mm范圍內(nèi)后熱
350~400℃，后熱時間≥0.5h；完成后對焊縫進行滲透檢
測，達到I級焊接焊縫標(biāo)準(zhǔn)。
五、結(jié)論
焦炭塔在生產(chǎn)過程中承受周期性的熱脹冷縮，導(dǎo)致
材料的彈性模量與屈服強度相對于原始材料大大減小，
使得塔體在較大熱應(yīng)力作用下更容易發(fā)生朔性變形。由
于環(huán)焊縫具有較高的屈服強度和彈性模量，同時厚度高
于塔體，在周期性熱脹冷縮過程收到更大的熱應(yīng)力，導(dǎo)
致焊縫附近的朔性形變，隨著使用年限增加，朔性形變
不斷積累，最終在焊縫附件形成嚴重的凸型形變，最終
經(jīng)過多次周期性熱脹冷縮，焊縫開裂出現(xiàn)裂紋。焦炭塔
內(nèi)的高溫酸與高溫氫環(huán)境推動焊縫脆化的發(fā)生，使焊縫
開裂更易發(fā)生，同時高溫酸與高溫氫在每次延遲焦化生
產(chǎn)過程中不停腐蝕焊縫，加速了焊縫的開裂。
因此，在焦炭塔生產(chǎn)操作過程中一定要遵守操作規(guī)
范，嚴格控制預(yù)熱和給水的操作進度，在切換焦炭塔時
也要預(yù)熱到位，要避免焦炭塔忽暖忽熱的情況發(fā)生；降
溫冷焦操作過程中應(yīng)避免導(dǎo)致溫降曾大的操作，冷焦過
程中要保證足夠的小吹汽與大吹汽時間；在生產(chǎn)中應(yīng)避
免盲目追求裝置效益而導(dǎo)致裝置超負荷運行，在日常維
護方面，應(yīng)對焦炭塔及時進行檢測與保養(yǎng)，確保缺陷及
時發(fā)現(xiàn)和處理。
參考文獻：
[1]程茂，葉宇峰，鐘豐平.大型焦炭塔鼓脹變形的分析
和測量[J].壓力容器，2008
[2]鐘文鎮(zhèn).焦炭塔筒體的熱變形分析[D].暨南大學(xué)，2006
[3]蔡勤，丁磊.焦炭塔塔體物性研究與塔體變形機理分
析[J]. 中國特種設(shè)備安全，2009
[4]劉志民.焦炭塔錐段焊縫裂紋原因分析和修復(fù)[J].煉油
技術(shù)與工程， 2021
[5]顧月章.焦炭塔的材料與結(jié)構(gòu)[J].煉油技術(shù)與工程， 2011
[6]中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院．煉
油裝置防腐蝕策略[M].北京:中國石化出版社，2008
作者簡介：田曉冬（1985－），男，漢族，遼寧撫順
人，本科，工程師，研究方向：過程裝備與控制工程。

網(wǎng)友評論 more

化工安全論文最新內(nèi)容

05-18