据API调查，1960年以前，使用三种材料即ENiCrFe-3，ENiCrFe-2和308／309型不锈钢焊条。从此以后，仅使用镍基材料。ENiCrFe-2使用率是100％，ENiCrFe-3（INCO.182型）使用率是92％，见图5。对309型不锈钢的评价是从好到坏都有，有一份调查介绍，在第一次操作期间就产生大范围的龟裂而全部被消除。如果抗硫腐蚀是首先要考虑的因素，则309型不锈钢性能比镍基材料较好些，但如果相应的热膨胀系数是关键，那么采用镍基材料比采用奥氏体不锈钢更好。
所以在决定裙座结构型式时，应该选择直线型设计（即裙座外壁与壳体外壁成一直线），焊缝应打磨圆滑或光滑。根据具体情况选择堆焊结构或整体锻焊结构，在有条件的情况下，为了尽量延长焦炭塔的疲劳寿命，应优先选择整体锻焊结构。
6、焦炭塔裙座上要不要开膨胀缝
由于焦炭塔操作温度高且周期变化，而裙座下部固定在基础上，在塔体与裙座的连接处会产生因热膨胀引起的周期变化的热应力，此热应力值很大，容易引起焊缝开裂。过去有人提出在裙座上开设膨胀缝（槽孔）,如下图11所示，将有效减少膨胀差形起的热应力，但开了膨胀缝后势必在裙座的开孔处引起很大的局部应力，如开孔处离焊缝太近，将和焊缝处的局部应力叠加，产生很大的集中应力，引起开孔处上部靠近焊缝处开裂。某石化总厂去年发现4座焦炭塔的开孔处全部出现裂纹就是一个例证。
API调查指出：新塔的材料选择趋向于提高Cr-Mo合金元素的含量。为了进一步提高焦炭塔寿命，美国已开始采用2 1/4Cr-1.0Mo钢，例如福斯特.维勒（Foster-Wheeler）公司为印度设计的直径29英尺的焦炭塔下部锥体采用
2 1／4Cr-1.0Mo钢，上部采用1 1/4Cr-1/2Mo钢。据资料介绍，美国目前正在研究采用3Cr-1.0Mo钢制造焦炭塔。
裙座连接处冷却时的应力值（psi）
41440
在裙座内表面的焊肉上，在裙座与锥体连接处
44117
在裙座内表面焊肉上，在与裙座相连接的锥体上
21834
在裙座内外表面在与裙座相接的锥体上
13824
在裙座内外表面和在与裙座相接的锥体上
应力集中系数（用于疲劳计算）
1.5
1.5
1.0
1.0
计算疲劳寿命
(周期)
598
但有的炼厂认为，过去不开膨胀缝，焊缝开裂了，现在开了膨胀缝不再出现裂缝了，这要进行具体分析，进行应力分析。
倒底开不开膨胀缝，我们建议进行详细的应力分析后再确定为妥。
7、关于焦炭塔最大直径
随着延迟焦化装置大型化，焦炭塔的直径也相应增大。API调查报告中的最大直径为28英尺，福斯特.维勒（FOSTER. Wheeher）公司1998年为印度设计的670万吨／年延迟焦化装置有8个直径为29英尺（φ8840mm）的焦炭塔，该公司今年将有18台直径为28英尺（φ8534mm）的焦炭塔投产。最近正在建造直径为29英尺（φ8840mm）的焦炭塔，他们正计划设计32英尺（φ9728mm）的焦炭塔。据资料介绍，鲁姆斯(Lummus)公司最大的焦炭塔为30英尺（φ9120mm）。
另外，随着装置大型化，焦炭塔的直径需要增大，但因为受除焦机械能力所限，塔直径不能无限增大，目前美国在役焦炭塔最大直径为28～29英尺。提高单塔处理能力，通常采用缩短循环周期的办法来实现。
据资料介绍，鲁姆斯(Lummus)规定的切换周期时间为36小时，时间分配如下：
生焦18.0小时
切换塔0.5小时
小吹气0.5小时
表1
材料
1Cr-0.5Mo
1.25Cr-0.5Mo-Si
注
许用应力475℃(Mpa)
107
116
按ASME VIII篇第一分篇
高温屈服强度475℃(Mpa)
176.5
185.5
按ASME II篇D分篇
1 1/4Cr-1/2Mo钢，我国的钢号为14Cr1MoR，据调查，舞阳钢厂能生产，性能符合设计要求，我们准备设计1 1/4Cr-1/2Mo钢的大型焦炭塔。
目前我国使用405型（即0Cr13A1）作复层的不锈钢复合板很多，还未见有0Cr13A1脆化的报导，但为了稳定可靠起见，焦炭塔壳体复层长期处于430～495℃之间，还是选用0Cr13（即410S）为好。
图4材料选择的趋势
（壳／锥复层）
份
数
安装时期
材料选择的趋势
（壳／锥复层）
材
料
安装年份
4、关于复层焊接材料的选择
表2裙座连接处的应力值，应力集中系数和疲劳寿命
一般对接型
图2
搭接型
图3
改进型
图4
整体型
图6
裙座连接处加热时的应力值
（psi）
66627
在裙座内表面焊肉上和在与裙座相连的锥体上
72963
在裙座内表面焊裙座相接的锥体上
47262
在裙座内表面和在与裙座相接的锥体上
我们认为，焦炭塔工作温度高达440～495℃，并周期变化，膨胀是应该首先考虑的重要因素，虽然镍基材料贵一些，但仍应选用它。
图5材料选择的趋势
（复层接头的焊接材料）
材
料
安装年份
5、关于裙座结构型式
焦炭塔裙座受力最复杂，是最容易出现裂纹的部位。API调查给出了裂纹的位置，见下图。A、B、C都有裂纹的占报告的56％，最严重的裂纹即延伸到筒体的裂纹（A）占报告的43％，从外表面开裂的裂纹（B）占63％，从内表面开裂的裂纹占26％，从膨胀缝槽孔开裂（D）占76％，有A、B、C、D四种裂纹的塔占
目前生焦周期时间
（小时）
图1生焦周期时间
目前的焦炭塔设计，提高了材质等级，改进了设计结构，采取了一系列抗疲劳措施，疲劳寿命大大提高了，完全有能力适应缩短生焦周期的工况。例如，裙座与塔体是最容易出现失效的部位。据计算，早期设计的焦炭塔的搭接结构疲劳寿命为478次，对接结构为598次，而改进的堆焊结构可达5503次，锻焊结构疲劳寿命更长，达到14508次。
关于塔体材料的选择
大型焦炭塔几个设计问题的探讨
延迟焦化工艺是加工渣油的重要手段，目前越来越受到人们的关注。采用先进技术改进焦炭塔设计，提高焦炭塔操作的稳定性，延长焦炭塔的寿命是当务之急。美国石油学会1996年至1998年对焦炭塔作了第三次调查（以下简称API调查），收到了54份报告，调查了17家公司的145台焦炭塔。我国1995年曾对国内十家炼油厂的延迟焦化装置作了调查。最近我公司也对国内部分炼厂的焦炭塔作了调查。本文就其中的一些共性问题再结合美国焦炭塔网站的有关资料进行讨论。
这种整体锻焊结构已在日本和西班牙的4台焦炭塔和上海炼油厂φ8800焦炭塔上得到应用。
采用整体锻焊结构，塔的成本将增加10%。
据API调查指出：87％的裙座发生焊缝开裂而仅13％的裙座有鼓包变形，直线型裙座占没有发生裂缝裙座的83％，没有发生裂缝裙座的75％焊缝是磨平的，两者结合起来，没有发生裂缝裙座的67％是直线型设计并且焊缝是磨平的。
第四种整体型，见图9，即采用整体锻件，应力集中系数最小，但制造难度大。
1995年ASME石油化工设备与服务部的一份报告，介绍了对这四种结构的应力分析，并进行了比较。分析结果表明第四种型式的疲劳寿命最长，第三种型式次之，见下表2。
图6焦炭塔裙座连接－一般的对接型式
图7焦炭塔裙座连接－一搭接型式
图8改进型裙座结构图9整体型裙座结构
1995年，ASME的一份报告对此开孔进行了应力分析，表明槽孔顶部的集中应力最大，达22500～68200psi，其应力分布见图12、图13。
图11裙座开槽孔详图
根据国外资料介绍，为了减少孔槽处的集中应力，槽孔顶部离焊缝距离应大于3英寸，槽孔边缘应打磨圆滑。
根据API调查，开槽的裙座的89％发生开裂，而不开槽的裙座22％开裂。根据我公司对φ8800焦炭塔的应力分析，不开槽的危险截面在锥体上部，其应力值为154.7Mpa≤1.5S=183MPa，是很安全的；而开了槽后，槽孔上部的集中应力值较大，达178MPa。所以我们认为，裙座上不宜开设膨胀缝。
78％。
筒体与裙座的连接方式有如下四种：
第一种一般对接型式，见图6。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7。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。
第三种堆焊型，见图8，应力集中系数较小，产生裂纹的可能性小，但制造较复杂，焊接工作量较大。裙座开槽孔（即膨胀缝），有利于应力释放，防止焊缝开裂。
1、关于操作循环周期
2、关于塔体材料的选择
3、关于复层材料的选择
4、关于复层焊接材料的选择
5、关于裙座的结构型式
6、焦炭塔要不要膨胀缝
7、关于焦炭塔最大直径
8、关于焦炭塔的保温
9、关于减缓对焦炭塔热冲击的措施
1、关于操作循环周期
目前国内设计的焦炭塔操作循环周期大都是48小时，生焦时间为24小时。为了提高处理能力和节省投资，国外缩短了生焦时间，通常为10～24小时，平均生焦时间为15～16小时。根据API调查的54份报告，其中有15份生焦周期为16小时，有11份报告生焦时间为18小时（见图1）。
复层采用0Cr13A1(即405钢)和0Cr13（即410S），哪种更好呢？据API调查，美国1969以前基本都采用405钢，1970年以后基本都采用410S钢，见图4。据资料介绍，采用405型不锈钢应限制在343℃以下，长期处于371～538℃会使405型材料变脆。超过343℃（650°F）时只可使用410S不锈钢作内部构件。
图2材料选择的趋势
（壳体和锥体）
材料选择的趋势
（壳锥材料）
材
料
安装年份
图3材料选择的趋势
（壳体和锥体）
安装时期
材料选择的趋势
（壳锥材料）
材
料
安装年份
3、关于复层材料的选择
据资料调查，国外的焦炭塔几乎全部采用不锈钢复合板制造。根据我国的经验，因为焦炭塔中下部有一层焦炭保护，腐蚀很轻，可以不用复合板。根据SH／T3096－2001“加工高硫原油重点装置主要设备设计选材导则”规定，从顶部至泡沫层200mm处应采用不锈钢复合板，复层为0Cr13A1或0Cr13。