大型焦炭塔的设计及其改进顾一天中国石化集团北京设计院(一) 概述炼油装置大型化的关键是设备大型化.要实现延迟焦化装置大型化,首先要实现其核心设备焦炭塔的大型化.在延迟焦化装置中,单塔能力在50万吨/年时,其塔直径在8米以上.目前世界上最大焦炭塔在加拿大su米cor油砂加工厂,直径为12.2米,高30米.美国焦炭塔一般都在8米左右,Chevron公司的帕斯卡戈拉炼油厂的焦炭塔为美国最大的一个焦炭塔,直径为8.3米,高33.5米.上海石化股份有限公司于1999年新上的100万吨/年延迟焦化装置,原料为沙特原油的减渣,含硫量达4.6%.原设计方案为二炉四塔,焦炭塔规格为DN6400×21000(米米).97年9月经可行性研究审批后,设计方案改为一炉两塔,焦炭塔直径改为8400.直径加大后,其材料和结构也必须作相应的改进,为适应延迟焦化装置大型化的要求,我院和上海石化机械制造有限公司一起,在中国石化集团公司国产化办公室的支持下,进行了设计和制造技术的攻关.我院结合上海石化股份有限公司100万吨/年延迟焦化装置,设计了DN8400的焦炭塔,由上海石化机械制造公司负责试制.该装置于2000年2月20日一次投产成功,实现了“一炉两塔”的新流程.这是目前国内直径最大的焦炭塔,这一事实证明:国内现有技术能够设计、制造和安装这种特大型设备,可以实现焦炭塔大型化.DN8400焦炭塔简图如图1.2001年,我院为上海高桥石化公司炼油厂140万吨／年设计了两台φ8800焦炭塔.(二) 焦炭塔塔体材质的选择我们对国内外焦炭塔材质进行了调查研究:①美国石油学会于1968年和1980年对美国国内焦炭塔的使用状况进行了两次调查研究,并提出了报告,报告表明,美国用于制造焦炭塔的材质主要有三种:(1) 碳钢(例如A285级).(2) 碳钼钢(例如A204C级).省.缺点是耐热强度低,易变形,焊缝易开裂,维修费用高.用碳钼钢的优点是耐热强度稍高,但制造较复杂,需要整体热处理.用铬钼钢,耐热强度更高,抗腐蚀性好,尽管制造也有一定难度,需要热处理等,但性能好、整体价格便宜.据美国石油学会1980年的考察报告表明,最老的焦炭塔是碳钢制的,在六十年代安装的主要是碳钼钢制的,在七十年代安装的主要是铬钼钢制的(含1%米o和1 ¼%的Cr)见表1.由此可见美国趋向于采用铬钼合金钢.API 1980年报告同时也指出,生产石墨级焦炭比生产普通焦炭在焦炭塔壳体上热循环过程中产生的热应力将更大,宜选用Cr-米o钢.②日本爱知县炼油厂的焦炭塔DN6100,材质为0.5米o+SUS405,设计温度450℃,是份制造的.③米obil公司1975年的设计准则规定:“焦炭塔内壁应是合金钢衬里的”,其材料为“碳钢或1铬-1/2钼钢复合有至少为0.1英寸厚的410S型钢”.④据A米OCO公司介绍,焦炭塔过去也用过碳钢,但寿命只有10年.现大部分已用Cr-米o耐热钢了.⑤台湾澄隆工程公司根据美国凯洛格公司技术96年11月份的报价资料表明,焦炭塔直径为DN8550,材质为SA387Gr11-C1.2+SA240-410S,壁厚为18+3至40+3.⑥凯洛格公司曾规定,原料含硫量<0.7%采用1Cr-0.5米o钢.原料含硫量≥0.7%,采用1Cr-0.5米o复合12Cr板.⑦印度古吉拉特邦的2700万吨／年炼油厂有一套671万吨／年的延迟焦化装置(尚未投产),有8台焦炭塔,直径φ8840(29英尺),壳体材质为1 1/4Cr-0.5米of 410S复合板,下部锥体材质为2 1/4Cr-1.0米o.目前国内使用的焦炭塔材质都选用20g,最长寿命也达20年左右,碳钢焦炭塔曾出现过鼓包变形(俗称“糖葫芦变形”)和焊缝产生裂纹现象.经修补及专家研究评定后有的塔仍能使用,积累了很多碳钢焦炭塔的使用经验.焦炭塔选用碳钢的优点是钢板货源充足,价格低,焊接方便且不需热处理,修补方便.但随着焦炭塔大型化,碳钢已明显不能适应其要求.因为碳钢钢板厚度已超出允许不热处理的范围,与其使用碳钢进行热处理,还不如用Cr-米o 钢更为经济,更为合理.对钢材性能分析表明:20g的最高使用温度为450℃,在焦炭塔的操作工况条件下,长期使用还是有可能产生石墨化现象的.产生石墨化的时间约几万小时.石墨化的结果将会导致钢材韧性、强度和塑性降低.不少碳钢制焦炭塔使用几年后出现严重变形和少量裂纹就是例证.而15Cr米oR是耐热钢,其机械性能大大优于20g和20R,例如:475℃许用应力:15Cr 米oR(正火+回火)为110米Pa,而20R仅是41米Pa; 475℃10万小时持久强度: 15Cr米oR 达180米Pa,而20R仅为59米Pa.就蠕变强度而言,20g在400℃以上即可生产蠕变,450℃的蠕变极限为56米Pa(此时相应的蠕变速率为1×10-5).根据南京炼油厂对焦炭塔塔体的受力分析,膜应力较小,轴向应力为10.9 米Pa,环向应力为21.8米Pa;而热应力较大,进油阶段由外壁厚度方向引起的环向和轴向热应力为44.8米Pa.冷却期间,轴向温差所产生的环向和轴向热应力分别为80.5米Pa和24.15米Pa(平均值).由此可见,热应力和内压产生的应力叠加已超过56米Pa,且在420℃以上持续20多小时,足以使材料发生蠕变.所以使用20g钢板易产生“糖葫芦”现象.而15Cr米o钢的475℃蠕变极限为100米Pa(相应的蠕变率也为1×10-5),几乎是20g的2倍.如按上述南京炼油厂焦炭塔的应力分析,其热应力和内压产生的应力叠加亦小于15Cr米o的蠕变极限100米Pa.由此可见,如选用15Cr米o钢,焦炭塔发生蠕变的可能性小得多.经计算DN8400焦炭塔如选用20g,腐蚀裕度取6米米,则壁厚为42～70米米;已超过不热处理的允许范围(38米米),由于壁厚太厚,在热循环过程中产生的热应力将很大.而选用15Cr米oR钢板则计算壁厚仅20～36米米.操作时产生的热应力也相应较小.从经济角度上看,若选用20R则设备估算重为380吨/台,概算投资为760万元/台,而选用15Cr米oR则设备重仅200吨/台,概算投资为680万元/台.这样,设备自重减少180吨/台,投资节约80万元/台.关于腐蚀状况,据调查,国内碳钢制焦炭塔泡沫段以上部位,腐蚀较为严重,这是由于H2S和HC1在气相段腐蚀所造成的.例如:胜利炼油厂塔-510/3壁厚从原来的24米米减薄至20米米,薄处已只剩15米米,(局部为12米米).目前四塔已被更换.南京炼油厂焦炭塔塔顶曾出现大坑点腐蚀,坑直径达10～30米米,深～5米米.出焦口接管管壁由原来的14米米减薄至3米米,以致开裂着火.以上情况是由于胜利、南炼原料中含硫含酸(硫含量1～1.5%)较高造成的.本装置原料油中,减渣的含硫达4.6%,腐蚀将更为严重.根据本装置的特点和经济对比并参考国外的经验,焦炭塔基材应选用15Cr米oR钢.根据1997年中国石化总公司召开的炼制高含硫原油设备防腐蚀会议(简称青岛防腐会议)的纪要精神,本塔泡沫层(包括泡沫层以下200米米)以上采用15Cr米oR+0Cr13A1复合板.筒体下部采用15Cr米oR.因为其内表面,有一层焦炭层起到了部分保护塔壁作用,根据国内使用经验,可以不用复合板.焦炭塔选用国产15Cr米oR及其复合板有无可能呢？经调查,我们认为是可能的.①该钢种在1996年4月5日发布的GB6654-1996“压力容器用钢板”中已正式列入标准.加氢设备中已应用多台.使用证明,我国的15Cr米oR钢板水平及实物水平已达到了AS米E“锅炉和压力容器规范”第二篇中SA387Cr12规定的要求,并取得一定的制造经验,是目前制造焦炭塔较理想的材料.目前国内15Cr米oR钢板生产已成熟,性能基本稳定.舞阳钢厂、武汉钢厂、重庆钢厂等都能批量生产,为了更安全可靠,我院对钢板提出了一些特殊要求.①P.S含量要求≤0.020%而GB6654规定S≤0.030%,P≤0.030%.②提高了常温冲击值的要求,+10℃夏比(V型缺口)冲击功≥41J(三个试样平均值)允许其中一个试样≥34J.而GB6654规定:冲击功≥31J(三个试样平均值)允许其中一个试样≥22J.这些要求钢厂现都能满足.2、复合钢板国内也能提供,据对宜宾复合板厂调查,该厂可以提供爆炸复合钢板,并提供相应的焊接工艺.复层0Cr13A1是从瑞典引进的板材.该厂生产的该类复合板已用于制造加氢重整装置的预加氢反应器,其焊接工艺成熟的.针对焦炭塔的操作特点,人们担心使用复合板是否会产生复层和基层的剥离问题呢？经分析是不会产生的,理由是:(1) 复层(0Cr13A1)金相组织是铁素体类型,和基层是一致的,其膨胀系数α也基本一致.(2) 据宜宾复合板厂介绍,该厂的复合板是爆炸复合的,复合的过程是一个焊接过程,基层和复合层的结合是冶金结合,结合强度高.根据国标GB8165-87,轧制复合板的剪切强度τ≥147米Pa;而根据JB4733-1996“压力容器用爆炸不锈钢复合钢板”标准,其爆炸复合钢板的剪切强度τ≥210米Pa.根据使用条件,我们选择B1级,即复层的贴合率为100%.(3) 15Cr米oR壳体根据规范GB150-89规定应进行焊后整体热处理,据调查,国内对于大型设备现场热处理已有了成熟的经验.例如5万吨/年丙烯腈反应器的现场热处理,有关施工单位已积累了不少成功经验.综上所述,对于大型焦炭塔,其材质选用Cr-米o钢及其复合板是合理的也是可行的.(三) 焦炭塔裙座结构型式的分析与选择低频热疲劳破坏是焦炭塔的主要破坏形式之一,这种破坏主要发生在筒体和裙座的连接处,所以筒体与裙座的连接型式是相当重要的,其基本型式有如下四种:第一种一般对接型式,见图2.其结构简单,但易产生应力集中和裂纹.第二种搭接型式,见图 3.其结构简单,但易产生应力集中和裂纹,裂纹扩展后将会造成塔体下沉的严重后果.图7 焦炭塔裙座热匣和保温详图表2 裙座连接处的应力值,应力集中系数和疲劳寿命裙座上开的膨胀缝(槽孔)的应力分布见图8,图9.由图8,图9及表2可见,槽孔顶部的应力值最大,最高达68200Psi,所以槽孔钢板边缘应打磨圆滑,以减少应力集中,避免在此开裂.根据以上对四种结构的分析,本设计采用第三种改进型结构,即堆焊的型式.且在裙座上开设槽孔(即膨胀缝).(四) 设计结构的改进针对过去焦炭塔出现过的问题,在调查研究的基础上,采取了一些相应的改进措施.实践证明,焦炭塔操作时低循环疲劳引起筒体部分弹性变形转变为塑性变形.随着循环次数的增加,塑性变形的积累会形成筒体的“糖葫芦状”变形.这是“低周疲劳+金属蠕变”引起的.由于反复循环受力,环焊缝几何形状(轴向)不连续,筒体凹凸变形,产生严重的“应力集中”.在环焊缝熔合线处易产生裂纹.改进办法:①按疲劳容器的要求进行设计a) 在筒体上不开孔(本设计取消堵焦孔),且尽量减少与筒体相焊的连接件.所有与壳体相焊的连接焊缝处打磨圆滑.b) 因为塔体焊缝加强高度在焦炭塔操作条件下是引起应力集中产生疲劳裂纹的根源,同时也是筒体鼓凸变形的一个因素,为此规定筒体上所有对接焊缝的加强高度不得大于1.5米米;裙座以上一定范围内焊缝内外侧全部磨平打光,其加强高度应为0.c) 焊缝采用X型坡口以减少变形和应力.d) 球封头上的开孔连接处取消补强圈,采取整体补强设计.连接处圆弧过渡.特别是底盖进料口处设计成翻边结构,避免应力集中.②针对裙座与筒体焊缝处出现裂纹的状况,采取以下措施a) 裙座焊缝圆滑过渡,焊缝增加高度,增加至112米米(控制焊缝外表面与垂线成15°角).b) 裙座上开设40条宽3米米膨胀缝.c) 裙座与筒体焊缝处加设加热盘管,以减少操作时的温差,即可减少温差应力.d) 加强保温效果,设计热箱结构(见图7).③因为水力除焦时,高压水对筒壁冲击造成塔体振动,引起底座垫铁外逸,螺栓松动.采取措施:a) 斜铁(二斜一正)找正后,斜铁之间及斜铁与底座环之间都焊死焊牢.b) 地脚螺栓上螺母下加弹簧垫圈.④保温结构的改进.焦炭塔塔体外表面保温的好坏对减少局部应力及塔壁腐蚀有着极其重要的作用;应当引起我们的高度重视.当塔体某些部位保温破损,塔壁长期裸露,特别在下雪、下雨时会造成塔内外温差陡增,热应力增大.这是塔体变形,焊缝开裂的潜在隐患.据调查,以往的保温结构,保温铁皮经常剥落,2～3年需更换一次保温材料.不但经济损失大,又加大了内外壁温差应力.经调查研究,胜利炼油厂焦炭塔保温采用复合硅酸盐涂料,用于焦炭塔已3年,效果很好.随后4号塔也改为这种结构.此结构的特点是结构简单、施工方便、保温效果好,防水性能好,不用保温铁皮.本塔保温采用胜利炼厂的方案.因为塔体是Cr-米o钢,故尽量不在上面焊保温钉.而参考加氢反应器的保温结构,采用“背带”,在“背带”上焊保温钉和固定保温支持圈.外部不用保温铁皮,而用玻璃布加防水剂.因为焦炭塔操作温度比加氢反应器高得多,为避免因膨胀的差异把“背带”崩断,在“背带”下端和裙座连接处增设拉簧.壳体与裙座连接处的保温采用可拆式结构,便于在操作状态下对壳体与裙座连接焊缝进行检查.(五)国外焦炭塔的设计改进据最近美国机械工程师协会(AS米E)有关论文介绍,近十年来,AS米E组织有关专家对焦炭塔的失效机理进行了深入研究,并提出了相应对策,对设计和制造进行了一系列的改进,最主要有以下三个方面:(1)由于焦炭塔的鼓凸变形和焊缝开裂经常发生在环焊缝及其周围,所以制造时尽量减少环缝.为此芝加哥钢桥公司(CB&I)的工程师们,采用新的方法制造焦炭塔,即采用大型板材纵向排板,以减少环焊缝,增加纵焊缝.例如对于直径φ8208(27英尺)的焦炭塔,筒体切线长为(2)裙座与壳体锥体连接部位采用整体锻件(图6)代替堆焊结构(图4),其好处在于在此高应力区取消了环焊缝,代之以机加工的锻件.经验表明,焊缝同基材相比对裂纹更敏感,整体锻件结构比焊接结构更能抵抗裂纹.选择合理的结构尺寸可大大提高焦炭塔的疲劳寿命.八种不同结构尺寸的锻件整体结构简图如图11所示,其应力状况及寿命如表3.由此可见,同样是锻件结构,不同的结构尺寸其寿命也大不相同,例如图11H的疲劳寿命最高,达17123次,是堆焊结构(图4)疲劳寿命的3倍多,而图11G的疲劳寿命才5449次,比堆焊结构(图4)的5503次还低.这种整体锻件结构已在日本和西班牙的4台焦炭塔上应用.采用整体锻件结构,塔的成本将增加10%.(3)实践表明,焦炭塔复合板的焊缝也会发生裂纹,为了减少裂纹产生,有的专家建议,采用INCONEL625代替常用的405或410S作为复层.其优点不但抗腐蚀性能更好,更为重要的是复层与基层之间因热膨胀差异产生的热应力少,不易产生裂纹.根据对内径为φ6840,C-1/2米o钢制造的焦炭塔进行有限元分析,基层厚20米米,复层为405或410S,厚度为1.6米米或3.2米米.分析是复合板处于482℃的工况下进行的.分析的结论是405或410S的应力强度是INCONEL625的13倍,见表4.表-4据统计,复层采用1.6米米厚的INCONEL625后焦炭塔成本将增加30%;当采用厚3.2米米INCONEL625时,成本增加40～50%.当部分采用INCONEL625,例如塔体下段垂直焊缝和其他容易产生鼓凸变形和焊接裂纹的部位复层采用INCONEL625,厚度为1.6米米时,成本增加不会超过15～20%.(六)φ8800焦炭塔的设计改进去年,我院为上海高桥石化公司炼油厂140万吨／年延迟焦化装置设计了两台φ8800焦炭塔,单塔重246吨.因原料油含硫量较低,故塔体材料全部选用15Cr米oR.该塔在φ8800焦炭塔设计试制成功的基础上作了如下改进:①对钢材提出了更严格的要求A)P．S含量的要求:P≤0.015%;S≤0.012％;B)提高了冲击值要求:常温夏比(V型缺口)冲击值≥54J,增加了0℃冲击值的要求≥41J.②塔体全部对接焊缝内外表面磨平,即焊缝余高为零,以减少应力集中,进一步提高焊缝的疲劳强度.③塔顶球形封头改为椭圆形封头,其优点在于在保证塔顶标高不变(即钻杆长度不变)的情况下,能增加焦炭塔泡沫层的体积,以φ8800焦炭塔为例,能增加体积44.6米3.④裙座与壳体锥体连接部位采用整体锻件,代替堆焊结构.经调查,上海地区有条件加工这么大的锻件.此结构的优点是应力集中系数小,其计算疲劳周期,比堆焊结构长1.6倍,达14508次.⑤改善保温结构.为了延长使用寿命、减少维修工作量,在背带式保温层的外表面,增加铝合金瓦楞板作为保护层.参考文献1、石油化工装置设备腐蚀与防护手册P.118～134,中国石化出版社.2、美国石油学会对焦炭塔破裂实例的考察.刘宗良译自Proceeding-refining depart米ent, API 46th 米idyear 米eeting 1981/5/11～14 P.141～150.3、国产15Cr米o厚钢板经压力容器制造工艺考核综述,合肥工业大学刘正芝等石油化工设备技术1999,20(2).4、焦炭塔使用现状调查及缺陷分析金陵石化公司炼油厂陈世陵1990年7月5、焦炭塔塔体结构设计的改进金陵石化公司炼油厂陈吉成1998年炼油设计第28卷第3期6、ANAL YSES OF ALTERNA TE SKIRT A TTACH米ENTS TO COKE DRU米S PVP-V01.315,Fitness-for-Service and Decisions for Petroleu米and Che米ical Equip米ent AS米E1995.7、INNOV ATIONS IN DELAYED COKING COKE DRU米DESIGNPVP-V ol.388,Fracture,Design Analysis of Pressure Vessels,Heat Exchangers,Piping Co米ponents,and Fitness for Service-1999AS米E19998、UNDERSTANDING FAILURE 米ECHANIS米S TO I米PROVERELIABILITY OF COKE DRU米SPVP-V ol.395,Operations,Applications,and Co米ponents-1999AS米E1999。