（机械工程专业论文）延迟焦化装置—焦炭塔的安全分析与寿命评估.pdf

中文擒要 摘要 焦炭塔是延避感忧装爱瀚重要设蚕之。鑫2 0 超纪年代， ：戆健髑延迟焦化装置 以米，已有半个擞鳃的历史。由予焦炭垮是延迟焦化装鼍的震要设冬，一壁发生失效将 簿致严熏的露果，逢戏入昃携亡秘曩丈魏经济损失。嚣麸毽兹豹使爝装援柬羲，多数焦 炭磷邑处于越期g 鲢绶状态，因此为提赢缀浇效蓝，防止事敞发生，对焦巍蜷进行安全分 毒嚣鄹澎命谱热是卡分重要爨。本文熬镐嚣磊耽分公司延遮爨纯车闼靛焦炭璐为磺究对 簸，霪点拜陵了以下王佟： ( 1 ) 对焦炭臻静老偬程度霸褫械性黥进行了梭验，对检验得裁静塔侮和霹缝静余襁 缀织及葵辍藏往蕊逶行了努橱。 ( 2 ) 在线测羹了焦炭塔的实酥濑度分猫和应力分布，弥补了麟内外黄避采用有羧元 分糖计冀、忽路了瓣鹱老纯鞫壁搏变位以及壤蚀情獭影嫡鹩不足，使结聚曼德合实瓣情 况，同时剿雕无镄捡骏技术对充熊段的爆缝遴行了焊缝裂纹鲍i i ! ! | 爨，从而得瓤了避行焦 炭塔强度校援、安全分手厅秘寿会弹鲢的必要数据。 ( 3 ) 秘鼷实隧溅藿数疆分褥了焦炭塔继续襞攥懿安全憋与可靠瞧。 ( 4 ) 裰据实瓣数据，辩焦炭塔的热机械疲劳寿命述行7 评佶。 本文缀然以中国石瓣夭然气集圈股份有限公司锦两稻化分公司炼油_ 兰厂焦化率闯 采麓酌两缱4 台熊淡塔 筝为典型赞究对蒙，毽磺炎遵程中掰采霜鹣实际在线测量熊嶷塔 溢度与应力分布等一系列方法、鞋及所获得的实际襄实数据对国内福荚企她歪在运行酶 黼癸设备基蠢重癸的参考徐镶。 本瑗疆疆进行势宠成的王终、戳及爨获键豹菇顼缝谂，不仅为镳蘸蠢纯分公落逛迟 焦纯车翔焦炭塔戆接臻鄹缝拶提供了重要菝撰，璐越对鼹寒翅关念数熬雯产餐毽承平， 僚涯众韭的安全礤纛生产，蠛其蠢十分薰簧的爨嚣意义秘瑷实摆搏爨义。 荚毽词：延迟爨纯，焦炭塔，热缀援侮，安全浮建 蒸文籁蘩 a b s t r a c t c o k et o w e ri so a eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n tf o rt h ed e l a y e dc o k i n gd e v i c e ，i th a sa l o n gh i s t o r yo f h a l fac e n t u r ys i n c eb e g i n n i n gt ou s et h ed e l a y e dc o k i n gd e v i c ei nt h e19 6 0 s b e c a u s ec o k et o w e ri sa ni m p o r t a n te q f i p m e n to f t h e d e l a y e dc o k i n gd e v i c e ，o r l c eo c c u r r i n g f a i l u r ew i l lr e s u l ti nt h es e r i o u sc o n s e q u e n c es u c ha sp e r s o n a l c a s u a l t ya n dt r e m e n d o u s e c o n o m i cl o s s e s 。a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tu s i n gc o n d i t i o n , m a n yo ft h ec o k eq f b w e r sa r , ei n t h es t a t eo fo v e r s e r v i c e 。蛔i no r d e rt oi m p r o v ee c o n o m i cb e n e f i t sa n d p r e v e n ta c c i d e n t o c c u r r i n g ，i ti so fv e r yv i t a ! f o rc o k et o w e rt o 赫c a r r i e dt h r o u g hs a f e t ye s t i m a t i o na n d l i f e s p a na n a l y s i s t h i sp a p e rr e g a r d se o k e 嚣榭髓d e l a y e de o k i n gw o r k s h o p o fj i n x ip e t r o a n dc h e m i c a lc o m p a n ya st h er e s e a r c h o b j e c ta n da c c o m p l i s h e dt h ef o l l o w i n g c o n t e n t ： ( 1 ) c h e c k e d t h ea g ed e g r e ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o k et o w e ra n d a n a l y z e d t h em e t a l l o g r a p h i eo r g a n i z a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o k i n gd r u ma n d w e l dl i n eo b t a i n e d b yc h e c k i n g 。 ( 2 ) a c c o m p l i s h e dal o to f f i e l dd a t a - m e a s t m n go f t h ec o k et o w e r st e m p e r a t u r ea n d s t r e s s ，c a r r i e dt h r o u g hw e l dl i n ec r a c k l em e 纛s u r i n gb ym e a n so f t h en o n d e s t r u c t i v e t e n t i n g ( n d t ) t e c h n o l o g y a n do b t a i n e d i n d i s p e n s a b l e d a mu s e d i nt h e s h e n g t h - e h e c k i n g , s a f e t y - e s t i m a t i o na n dl i f e 黼l y s 遥。 o ) c o m p l e t e ds a f e t y e s t i m a t i o n o f c o k e t o w e r u t i l i z i n g t h e a c t u a l m e a s u r i n g d a t a ( 4 ) a n a l y z e dt h er e s i d u a ll i f eo f t h e r e t o - m e c h a n i c a lf a t i g u eo f c o k et o w e r a l lt h e j o bh a v i n gb e e nd o n ep r o v i d e dr e f e r e n c ed a t a 勤t h e 毪g ea n dm a i n t e n a n c eo ft h e c o k et o w e r o f d e l a y e dc o k i n gw o r k s h o p o f j n x i np e t r oa n dc h e m i c a lc o m p a n $ ： k e yw o r d s ：d e l a y e de o l d n g ,c o k et o w e r , m e c h a r d s mo ft h e r m a l - d a m a g e ，s a f e t y - e s t i n l a t i o n l 第攀绪论 1 1 课题的提出和意义 1 1 1 焦炭塔概述 第一耄绪论 焦炭塔是炼油工业中延迟焦化装置的藿要设锝之一，其主要用途是在石化炼油企业 生产静最籍一个强节，霞潼油在缀过一系确兹谣分反应避程之螽袋惹在焦炭塔中避行焦 化反应丽生产焦炭。 焦炭塔一般怒两台一组，采膈2 0 9 钢焊接制造，外加微孔硅酸钙保温层保温，塔内 正常工 乍压力为0 2 8 m p a 。该延迟焦化装嚣含有礴组4 台焦炭塔。嚣组焦炭塔即w 单独 操作，又可并联搡作。在簿组塔中，当一台塔在接近2 0 9 钢的正常工作温度上限即将近 5 0 0 匏条件下殿应生焦财，另一台则处予降温冷却、常温除焦哙段。即警一台塔内焦 碳聚集到定高腋时进行切换，切换后通入蒸汽除去轻质烃类并注水冷却，然威采用 1 1 8 m p a 离压水进行水力除焦。每台塔均处于周期性的冷热切换的工作过程中，切换周 期一般为4 8 小时。其中络焦2 4 小时，除焦及其他辅助操作2 4 小时。由此可见焦炭塔 的工作条传是十分恶劣的。 1 1 2谍题的掇出 在延迟焦化装置的作业过程中，由于焦炭塔的作业工况苛刻，受力状况十分复杂， 缀受着离溢、常漱的热循环过程，焦炭塔程两赣蠲产生钓诸知塔体变形、篱体环泽缝及 堵焦阀接管部位出现裂纹等问题引起了人们的广泛关注。为了保证焦炭塔在服役期内能 够正常运行，提高经济效靛，防庶事故的发生，对焦炭塔定麓逶章予失效形式和安全可靠 性的分析以及剩余寿命的评估就艟得十分燕要。 中国石淮天然气集霞箴份有限公司锦疆石德分公司炼漓三厂焦纯车阀采用的两维4 臼焦炭塔c 一1 1 、c - 1 2 、c 一1 3 、c 一1 4 ，系锦硒化工设备制造厂于1 9 9 0 年制造，1 9 9 4 年安装完华并投产使甭静。至今穗经连续迳行了八年。在运彳亍过稳中，鼠来对四台焦炭 塔进行过全面的分析检测。 为了了解这蜡台焦炭塔在高溢、压力和古硫介质的卡售潮下经过连续多年的运行后， 塔体材质老化和机械性能的变化情况，确保这四台焦炭塔继续使用的安全性和可靠性， 锦西石纯分公司予2 0 0 2 年立项，决定对这四台焦炭塔酶材质、。睫能和简体变形情况迸 兰二垦堑笙 行全面地榆查和测试，并评估这四台焦炭塔的剩余使用寿命。本文就是作者直接参与此 课题的全过程并在实际工作基础上总结完成的。 1 1 3 课题的意义 锦西石化分公司是我国重要的石化企业之一，其所属炼油三厂焦化车间的四台焦炭 塔业经多年连续使用，生产安全存在一定的隐患，一旦发生事故，将导致严重后果，造 成巨大的经济损失。因此，对其进行安全可靠性分析与寿命评估，并据此进行适当地维 修与维护，确保生产的安全可靠进行十分必要? 也非常迫切。 以往国内外对焦炭塔进行安全可靠性分析时，其塔壁的温度梯度和应力分布大都是 通过计算得到的，材质老化、腐蚀和塔体厚度的变化通常没有纳入考虑范围，而焦炭塔 的工况非常复杂，这样得到的分析结果具有某种程度的近似，存在定的风险性。本文 通过大量的现场实际测量得到的数据，据此对焦炭塔进行安全可靠性分析和剩余寿命评 估，所获结果对于焦炭塔的使用和维护具有更大的实用价值。 此外，延迟焦化装置中的焦炭塔在我国各个炼油企业中广泛使用，且大多运行时间 较长，更有一些是处于超期服役状态，其工作条件十分恶劣苛刻，因此，通过对典型设 备进行安全可靠性分析和剩余寿命评估，获取可贵的实际测量分析数据，对提高相关企 业的生产管理水平，保证企业的安全可靠生产，具有十分重要的借鉴意义和现实指导意 义。 ， 1 2 国内外研究现状及其发展趋势 1 2 1焦炭塔的国内应用现状 延迟焦化装置中的焦炭塔是炼油厂中的重要设备之一，在国外已有半个世纪的发展 历史。我国从6 0 年代开始投产使用延迟焦化装置。目前，中国石化总公司所属的炼油 厂共拥有1 2 套延迟焦化装置“3 。在这些设备中，如抚j 颁石油二厂南焦化车间的焦炭塔已 经使用2 4 年，其使用寿命已超过了原设计使用期限，为了使焦炭塔能够安全运行，提 高经济效益，防止事故发生，开展对焦炭塔失效形式的研究，分析其继续运行的安全性 与可靠性，对每台焦炭塔来说都十分重要。中国石油化工总公司对焦炭塔运行的安全可 靠性十分重视，经常举办关于焦炭塔安全可靠运行方面的学术交流会议。本课题就是中 国石油天然气集团股份有限公司锦西石化分公司为了对已经连续使用多年的延迟焦化 装置焦炭塔继续使用的安全可靠性进行系统全面分析研究而提出的。 第一章绪论 1 2 2焦炭塔的研究现状概述 鉴于焦炭塔在石油化工行业中的重要作用。国内外对焦炭塔的研究都十分重视。纵 观国内外对焦炭塔的研究，其内容主要集中在焦炭塔失效形式及故障机理、焦炭塔变化 温度场及其应力分布的计算方法、延迟焦化装置焦炭塔的热损伤机理、运行过程中的安 全可靠性分析、以及剩余寿命评估等一些方面。下面简略加以介绍。 国内外对焦炭塔失效形式、缺陷机理等方面的研究已经开展了多年，积累了大量的 经验。人们根据焦炭塔的使用经验，焦炭塔在使用过程中，普遍存在着塔体鼓凸变形、 裙厘焊缝开裂、塔体环焊缝和堵焦阀接管部位出现裂纹等常见故障。8 0 年代中期，国内 有关使用单位和科研单位合作，就焦炭塔的变形、开裂机理进行了初步分析，取得了一 定的理论研究成果。如北京航空部6 2 1 所和南京炼油厂合作，使用高温强度理论来研究 焦炭塔的塔体变形及焊缝开裂问题，得出塔体变形失效原因有蠕变、低周疲劳及热应力 而导致最终断裂等造成。 研究人员根据焦炭塔实际操作条件，通过使用动态坐标系建立塔壁二维温度模型方 法，计算了焦炭塔塔壁的径向温差和轴向温度梯度，进而计算出其产生的应力“1 。根据 焦炭塔的进料口结构和流体力学理论分析了介质进塔过程的流态，建立了焦炭塔周向温 度场模型及其理论，研究了焦炭塔在外载荷与温度耦合作用下的应力及其寿命分析方法 “3 。这些理论和方法对于分析焦炭塔的失效，缺陷、结构设计，寿命评估都有重要作用 对于焦炭塔缺陷的分析和寿命预测，国内外都开展了以无损探伤和断裂力学为基础 的缺陷分析和寿命预测的研究和工程实践工作。例如：美国早在1 9 7 4 年的a s m e 法规中 就制订了缺陷的评定标准和方法，英国和日本也建立了允许有缺陷的设计标准，我国则 建立了c v d a 一8 4 标准。但这些安全评估的依据都是以材质在正常状态下的断裂韧性为依 据的，而对特定条件下出现材质退化的性能( 包括断裂韧性) ；则很少涉及。 目前国内对于焦炭塔进行安全可靠性评定的主要依据是下列标准：1 ) 压力容器安 全技术监察规程：2 ) 在用压力容器检验规程：3 ) jb4 7 3 0 9 4 压力容器无损检测； 4 ) gb 1 5 0 一1 9 9 8 钢制压力容器；5 ) cv d a 一1 9 8 4 压力容器缺陷评定规范等。 高温低周疲劳条件下的寿命估算，则大多数是在常温低周疲劳寿命的估算上发展起来 的。常温低周疲劳寿命的估算方法很多，例如m a n s o n - c o f f i n 公式、l a n s e r 方程、通用 斜率法等。目前常用的方法仍为m a n s o n c o f f i n 方法。 延寿技术的研究在国外主要集中在一些关键的压力容器设备方面，如对大量的即将 到期和目前少量已到服役期的核压力容器的延寿技术研究。我国由于投入有限，在这些 方面的工作相应较少。当前除应在重大装备的压力容器方面开展延寿技术研究外，当务 第一章绪论 之急是应研究大量已到服役期的压力容器的延寿技术，达到节省资金、提高现有设备使 用寿命的目的。 1 3 本课题主要研究内容及论文总体结构 按照锦西石化分公司对现用四台焦炭塔的材质、性能和筒体变形情况进行全面地检 查和测试，并分析其继续运行的安全可靠性和评估其剩余使用寿命的科技立项要求，本 文作者参加了整个过程的研究分析工作。本文就是在这一工作基础之上完成的。 课题采用了如下的技术路线：通过现场采样测量分析和在线检测获得焦炭塔金相 图、应力场、温度场、壁厚、变形等工作数据，对数据进行统计分析处理，确定当前状 态下各焦炭塔的危险点，并获得各危险点的特征参数和数据，结合疲劳分析和寿命预测 理论，对焦炭塔继续运行的安全可靠性和剩余寿命做出分析与评估。 本文分五章说明了以下方面的研究工作： ( 1 ) 对焦炭塔的老化程度和机械性能进行检验的方法与结果，对检验得到的塔体和 焊缝的金相组织及其机械性能所进行的分析，以及利用无损检验技术进行的焊缝裂纹的 测量结果( 第二章) ： ( 2 ) 通过现场实际测量焦炭塔塔壁温度梯度和应力分布，获得的进行焦炭塔强度校 核、安全分析和寿命评估的必要数据( 第三章) ； ( 3 ) 利用实际测量数据所进行的焦炭塔的安全可靠性分析( 第四章) ： ( 4 ) 利用实测数据对焦炭塔的高温低周疲劳寿命进行的评估( 第五章) ： ( 5 ) 对论文结论进行的说明以及所提出的下一步工作的设想( 第六章) 。 第二章焦鼗塔垮铬弱控蠹及结暴分辑 第二章焦炭塔塔体的检查及结果分析 2 1焦炭塔塔体材质、制造工艺及其工况条件 锦两石油分公司使用的四台焦炭塔的简体、封头、下锥体均采用国产的2 0 9 钢板， 窖鑫热乾嚣程歪太、拔态下袋嫠靛，然螽再经遵冷卷、成型、弹接、裁成篱节、封头、下锥 体，再在现场对接、组装成尺寸为m 6 1 0 0 3 1 5 0 l 3 4 n u n ( 封头和泡沫段的筒体黪厚为 2 8 r r a n ) 懿c 一1 1 、c 1 2 、c l 露、c 。l 越焦炭塔。 四台焦炭塔材质的化学成分、机械性熊符合g b 7 1 3 8 6 标准，详见表2 1 、2 2 。 表2 12 0 9 钢板的标准化学成分 纯学或分( 篱) 数据泉源 cs im ns p g b 7 1 3 8 6 标准 0 2 40 1 5 o 3 00 3 5 0 6 50 0 3 50 0 3 5 2 0 9 表2 22 0 9 钢板标准机械，挫能 机械幢筢 试验供 镪扳 货温度 数据来源厚度 o b 盯t氓 、i ， 嘶 状( h b ( r a m ) n r a m 2n g m m ej c m 态 g b 7 l3 8 6正 2 6 3 62 04 0 0 4 5 02 2 52 4s 05 91 5 6 标准2 0 9 火 石油机械 周钢手册 4 7 52 l e1 0 52 9 97 67 0 ( 2 0 9 ) ( 计 雾佳) 靼台焦炭塔约漩诗工嚣照力为0 3 m p a ，设计工 莹滠爱免4 7 5 。c ，设计戆工终介矮为 淹油、石油焦、油气、水蒸汽，殴计寿命为2 0 年，焊缝系数为不小于o 8 5 。而实际的 塑三主堡鲞堂堂堡塑丝变墨竺墨坌塑 操作压力为o 1 5 0 1 8 m p a ，实际的操作温度为4 6 0 。c ，实际的工作介质为渣油、石油焦、 油气和水蒸汽。 2 2 焦炭塔塔体裂纹及无损检测方法 焦炭塔是炼油厂延迟焦化装置的重要设备，由于生产工艺的要求，其操作条件特别 苛刻。周期性热胀冷缩的疲劳过程，使许多焦炭塔都出现了不同程度的裂纹缺陷。由于 焦炭塔的裂纹经常处于产生和扩展的状态，为了保证在用焦炭塔的安全运行，及时处理 危害性缺陷，一般在定期检验中需对焦炭塔作较全面的检验，其中以针对裂纹的无损检 测甚为重要。在用焦炭塔的裂纹及其无损检测应注重两方面：一是如何有针对性地检测 易产生裂纹的部位；二是如何能对产生的裂纹进行有效地检测。 2 2 1 常见裂纹部位和典型裂纹形态 在用焦炭塔的裂纹，其产生部位、典型形态、数量和大小，常见以下情况。 ( 1 )裙座与塔体连接焊缝开裂 裙座与塔体连接的角焊缝( 简称裙座角焊缝) 的开裂是普遍现象，这些裂纹是由于在 频繁而严重的加热和冷却循环下，焦炭塔裙座焊缝及其附近部位受到较大的轴向交变热 应力作用，引起拉伸塑性应变和压缩塑性应变在该处不断累积并导致材料开裂，从而在 焊缝表面及焊缝根部附近产生大量环向热疲劳裂纹。裂纹的方向为沿焊缝的环向裂纹， 但严重程度视焦炭塔本身情况不同而差别较大。相对来说，年代较久的或曾经在该部位 产生过裂纹的焦炭塔，往往裂纹情况比较严重。 ( 2 ) 简体对接焊缝裂纹 在焦炭塔简体对接焊缝上常有不同程度的表面裂纹，这些表面裂纹大多出现在环焊 缝上，纵缝上往往较少，且内壁裂纹较多，外壁较少，裂纹产生部位大多出现在焊缝的熔 合线上，裂纹的方向基本为沿焊缝方向的环向裂纹。 ( 3 ) 顶接管及补强圈角焊缝裂纹 一般焦炭塔顶部都有钻焦口、油气出口接管，这些接管的角焊缝处皆是易产生裂纹 的部位。这些部位是塔内壁接管与封头角焊缝、塔外壁补强板与接管角焊缝、塔外壁补 强板与封头角焊缝，其中以油气出口接管角焊缝发现裂纹较多。裂纹一般都为沿焊缝方 向的环向裂纹，轻者断续存在，长度不长，裂纹不深：重者连续存在，长度较长，裂纹较深， 打磨消除和返修都有难度。 ( 4 ) 球形封头角焊缝、弧板与球形封头角焊缝开裂 ( 5 ) 对接焊缝埋藏缺陷的开裂 第二罩焦炭塔塔体的检查及结果分析 一些制造年代较早的焦炭塔的对接焊缝内部存在尺寸较大的超标缺陷，如未熔合、 未焊透、条状夹渣或块渣、密集气孔等。由于焦炭塔常年在持续冷热循环的疲劳状态f _ 【作，塔体存在严重的鼓凸变形，而两个鼓i 凸段的交界处一般恰为环缝。因频繁的疲劳波 动，会在容器整体结构不连续部位，如焊接缺陷部位等应力集中处引起疲劳裂纹，引起对 接焊缝埋藏缺陷的扩展。 ( 6 ) 简体或封头板材上的裂纹 在焦炭塔板材上的一些特殊部位，如鼓凸变形部位、裙座角焊缝对应的板材内壁等 也是易产生裂纹的部位。通过对一些焦炭塔的检验，已经发现在鼓凸变形的板材上有微 裂纹出现，而在裙座角焊缝对应的板材内壁，其裂纹是否产生以及裂纹的大小也与裙座 角焊缝裂纹产生的状况有关。 ( 7 ) 裙座柔性槽裂纹 在裙座上开了一些柔性槽，以缓解裙座角焊缝的受力状况，这些部位也容易产生裂 纹。检测这些裂纹，应注意裂纹的扩展方向是否危及裙座角焊缝，从而危及塔体。 ( 8 ) 内壁腐蚀产生的裂纹 焦炭塔在高温含硫渣油条件下工作，塔壁受到高温硫的腐蚀，在某些部位如气液混 相部位、保温不善部位、介质波动和高压水冲刷的部位，会造成壁厚减薄或产生坑点腐 蚀，由于长期处于热疲劳工作状态及其他表面缺陷的诱发，也会产生一些表面裂纹。 2 2 2 裂纹的无损检测方法 ( 1 ) 磁粉检测方法的应用 对铁磁性材料而言，检测表面裂纹的首选方法就是磁粉检测，其最大特点就是灵敏 度高、检测速度快、缺陷显示直观，因此，在用焦炭塔的表面检测以磁粉检测为主。从表 面裂纹状态来看，有些裂纹可称之为裂缝，即使不通过磁粉检测，肉眼也可看到某处已经 开裂：大部分裂纹需用磁粉检测方法才可检出：而有些裂纹称之为微裂纹才更贴切，需通 过金相方法才可检出。从检测表面状况来看，由于焦炭塔的工作介质为黑色焦碳，加上塔 壁上结焦坚硬和打磨工作的困难，致使表面状况难以观察，进行磁粉检测也可能检不出 或大量漏检，因此，提高磁粉检测灵敏度和缺陷识别率，从而提高裂纹检出率是很重要 的。鉴于以上情况，采用将荧光磁粉检测方法、内壁使用红磁粉检测方法、使用高灵敏 度磁粉、增加磁化时间、调整操作方式及利用反差增强剂等方法进行综合运用，可有效 地检出裂纹，提高裂纹的检出率。 ( 2 ) 渗透检测方法的应用 对于某些用磁粉检测不易操作的局部部位，如接管的内、外壁角焊缝，可采用渗透检 第二章焦炭塔塔体的检查及结果分析 测方法：对曾用不锈钢焊条补焊的部位，也只能用渗透检测方法。值得注意得是，焦炭塔 内壁不易清理，表面状况较差，焦碳也会堵塞缺陷开口，有时检出缺陷困难，因此，应当做 好渗透检测时的表面预清理。 ( 3 ) 超声检测方法的应用 在用焦炭塔的超声检测主要有以下的应用：1 ) 可以了解焊缝的制造状况，即埋藏缺 陷的情况，包括埋藏缺陷的指示长度和自身高度、距表面的深度、估判的性质，检测到的 缺陷数据可为评价容器的安全状况或进行缺陷评估提供依据。2 ) 可发现射线照相所不易 发现的面状缺陷，如未熔合、埋藏裂纹等。当与射线检测结合，对于射线片子怀疑有危害 性缺陷的部位，采用超声检测进行确认，可较准确地判断缺陷状况。3 ) 可从外壁检测内壁 表面裂纹或对己发现的内壁裂纹进行裂纹深度的测定。 ( 4 ) 射线检测方法的应用 在焦炭塔的检验中，适当进行射线拍片，可以了解焊缝埋藏缺陷的情况，包括埋藏缺 陷的大小、性质，甚至可通过片子观察到是否有缺陷扩展迹象。也可针对裂纹易产生的 部位进行拍片，拍出一些表面裂纹或发现表面裂纹迹象。射线检测的部位应选在超声检 测难以进行的部位、鼓凸变形较大的部位，这对检测埋藏缺陷的确切状态和变化状态有 利。与超声检测工作结合，可对缺陷进行准确地定性、定量和定位。 2 2 3 裂纹检测的相关事宜 ( 1 ) 关于打磨角焊缝和对接焊缝表面探伤前的打磨，应注重打磨易产生裂纹的熔合 线处，而这些部位在内壁往往又是结焦更紧密处，打磨既不容易，也常会被忽视。 ( 2 ) 对焊接结构的了解由于年代已久的焦炭塔和近年设计制造的焦炭塔在结构上 有一些不同，因而裂纹产生的状况也会不同，检测人员应认真研究容器的结构特点，有助 于无损检测工作的针对性。 ( 3 ) 其他重点部位对曾经产生过裂纹的部位、返修补焊过的部位及认为以前检测时 忽视了的部位，都应予以重视。 2 3 焦炭塔塔体主要检查内容 焦炭塔在制造时，对所有简体母材进行了1 0 0 超声波探伤，对接焊缝1 0 0 射线探伤 所有接管角焊缝、拱形盖角焊缝1 0 0 磁粉探伤。出厂安全等级为l 级。焦炭塔在频繁的 加热和冷却时，由于支架、管线和焊缝加强高的约束作用，限制了塔的自由膨胀和收缩。 在这样的每个循环周期中，塔高和直径的膨胀和收缩将导致塔壁产生径向变形。据国内 赛：章焦炭塔塔体豹捡舞及臻暴分援 外焦炭塔的使用经验及研究结果，国内外的焦炭塔均不同程度的产生径向膨胀。在焦炭 塔的使嗣之初，塔俸的鼓凸变形多发生在瘸部，随着霹闯鹩捶移，上部产生瓣变形逐渐明 鼢。由于焊缝具有较高的屈服强腹，又比母材稍厚，因而驻示出较小的增长，筒体就产生 一个强制的气球状鼓凸，形成“糖葫芦”状，当鼓l 璺变形严蓬时，会使塔的稳定性下降，强 度削弱，这几乎是秘普遮现象。 在本次检验中重点稔查有无表面缺陷，特别怒表面裂纹。对接管角焊缝、拱形盖外 楚辫缝、键痉与懿锩连接戆爨滓缝进嚣le8 篱磁耪探锈，黠蠹壁x 幸攘磐缝爨遂行不夫予 20 的磁粉探伤检查。另外考虑到焦炭塔长期处于高温下工作，飘介质复杂，对上、中、 下部吝避行3 点众福及硬度淄定分弱在弹缝、每麓及热影响区) ，以裣套有无西滚度、 介质、应力引起的材料性能及组织变化。 2 3 1 焦炭塔塔体的外观及几何尺寸的检查 l 焦炭塔塔体的外观检查 对四台焦炭塔塔体外观检查的结果表明： ( ) 疆台焦旋塔静缭秘形式合理，臻体毒表纛，豫e 1 ，l 焦炭塔酶下锥体北蕊一块 板有较明照的蚀坑外，其他均无明显的腐蚀现象发生。 ( 2 ) 滔台焦获塔豹篱俸筠发生了藤鼓糯象( 翻蚕2 - 1 ) ，两虽骚鼓筠笈在篱体下部懿 第二筒节处。但农c 1 4 焦炭塔筒体的第四简节处也有腰鼓产生。其体检测结果贝附表 l 。检铡缩栗发现：c 1 1 焦炭塔筒体下部的第二筒节西北两块板鼓胀较为严重( 觅附表 1 - 1 ) ，最大鼓胀离度为3 6 m m ，最大鼓胀宽度为1 2 2 0 r a m ；c 1 2 焦炭攀褥体下部的第二 筒节西北两块板鼓胀较为严重( 见附表1 - 2 ) ，最大鼓胀离度为3 3 m m ，最大鼓胀跷度为 1 2 0 0 r a m ；c - 1 3 焦炭塔煎体下部秘第二瓮节疆l e 掰块扳鼓涨较为严重( 霓瓣表1 3 ，最 大鼓胀高度为3 3 t u r n ，最大鼓胀宽度为l1 5 0 m m ；c 1 4 焦炭塔简体下部的第二筒节西北 两头叛鼗歉较鸯严藿( 霓瓣表l - 4 ) ，最大效蔽塞痍为4 7 r a m ，最大皴酝宽菠秀1 2 5 0 n m a 。 由此可见，在四台焦炭塔筒体的第二简节上均发生了较严骥的腰数变形，而且这种腰鼓 交形潘着篱节的环海方向形成了个个较长的疆鼗带。 9 第二章焦炭塔塔体的检查及结果分析 图2 - 1焦炭塔腰鼓示意图 2 焦炭塔壁厚的检测 在四台焦炭塔上，每塔测厚布点7 2 个( 如图2 ，2 ) ，这些测厚点分别分布在温度较 高的筒节下部极易发生腰鼓变形的第一、二、三筒节上，每个筒节2 4 点，并沿筒节内 表面的环向方向均匀分布。在下锥体内表面的环向方向也分布了6 个点。对四台焦炭塔 简体及下锥体壁厚检测的结果见附表2 。从检测结果可见：c 一1 1 焦炭塔简体第一筒节的 最大壁厚为3 4 8 m m ，最小壁厚为3 4 2 m m ；第二筒节的最大壁厚为3 4 6 m m ，最小壁厚 为3 4 2 m m ；第三筒节的最大壁厚为3 4 6 m m ，最小壁厚为3 4 2 m m ；下锥体的最大壁厚 为3 4 6 m m ，最小壁厚为3 4 2 m m 。c - 1 2 焦炭塔筒体第一筒节的最大壁厚为3 5 4 m m ，最 小壁厚为3 4 4 t u r n ；第二筒节的最大壁厚为3 4 7 m m ，最小壁厚为3 4 0 m m ：第三筒节的 最大壁厚为3 4 8 r a m ，最小壁厚为3 4 5 m m ：下锥体的最大壁厚为3 4 8 m m ，最小壁厚为 3 4 5 i t i i l l ；c 一1 3 焦炭塔筒体第一筒节的最大壁厚为3 4 8 m m ，最小壁厚为3 4 0 m m ：第二 筒节的最大壁厚为3 4 9 m m ，最小壁厚为3 4 2 m m ；第三筒节的最大壁厚3 4 6 m m ，最小 1 0 第二章焦炭塔塔体的检查及结果分析 壁厚为3 4 1 m m ：下锥体的最大壁厚为3 4 8 m m ，最小壁厚为3 4 5 m m 。c 一1 4 焦炭塔简体 第一筒节的最大壁厚为3 5 4 m m ，最小壁厚为3 4 6 m m ；第二二筒节的最大壁厚为3 5 3 m m ， 最小壁厚为3 4 2 m ；第三筒节的最大壁厚为3 5 3 m m ，最小壁厚为3 4 6 m m ；下锥体的最 大壁厚为3 4 8 m m ，最小壁厚为3 4 6 m m 。c 一1 1 、c 一1 2 、c 一1 3 、c 一1 4 四台焦炭塔筒体 的充焦段和下锥体的设计壁厚为3 4 m m 。 实际检测结果表明，这四台焦炭塔虽然经过连续多年的运行后，其充焦段和下锥体 的壁厚并未减薄。 2 3 2 焦炭塔简体和下锥体机械性能的检查 ( 1 ) 焦炭塔简体和下锥体机械性能的测定 在c - 1 1 、c 一1 2 、c 一1 3 、c l 4 焦炭塔上，每塔硬度测量布点5 7 个( 如图2 - 2 ) ， 这些硬度测量布点也分别分布在温度较高的简体下部极易先发生腰鼓变形的第一、二、 三筒节上，每个筒节1 8 点，并沿筒节内表面的环向方向均匀分布。在下锥体内表面的 环向方向也分布了3 点。对四台焦炭塔筒体、母材、焊缝及下锥体材质硬度检测的结果 见附表4 。从测定结果可见：c 1 l 焦炭塔第一简节母材的最大硬度值为h b = 1 3 9 ，最小 硬度值为h b = 1 3 0 ：焊缝的最大硬度值为h b ；1 4 2 ，最小硬度值为h b = 1 3 1 ；第二筒节母 材的最大硬度值为h b = 1 3 0 ，最小硬度值为皿= 1 1 2 ；焊缝的最大硬度值为h b = 1 5 7 ，最 小硬度值为h b = 1 4 l ：第三筒节母材的最大硬度值为h b = 1 3 1 ，最小硬度值为h b = 1 1 8 ， 焊缝的最大硬度值为h b = 1 4 0 ，最小硬度值h b = 1 3 4 ：下锥体的最大硬度值为h b = 1 4 7 ， 最小硬度值则为h b = 1 3 5 。c 1 2 焦炭塔第一筒节母材的最大硬度值为h b = 1 3 6 ，最小硬 度值为h b = 1 1 7 ；焊缝的最大硬度值为h b = 1 4 3 ，最小硬度值为h b = 1 3 6 ：第二筒节母材 的最大硬度值为h b = 1 2 0 ，最小硬度值为h b = 1 1 2 ；焊缝的最大硬度值为 h 卦孤 潞擗辩辩士苔辩窨墨藩斟江皇占池串茸 骂耐 器o 己 呼、j 盒 晶 宁酬若 o ) u 盆翻。o 吉? c 。 黑0 二。 o韵 二酬 ：o 蛊 。 一 1 o m 鲁。() 可 品0 譬苎 阜0 。 南q 蓦 忠 譬 o 兰固 竺 垲 c ! 了一 二 三 南 。 ( ) 占浒 n t m m on m m o 蹲台焦炭塔麓 体母髓畿蜜测 正 2 03 7 21 8 l2 8 ，垂 1 1 0 静换算毯( 2 0 9 ) 3 4 石油飘械臻镪 ， 手册诗嚣煎 必4 7 52 1 0l o s2 9 。9 。 t ( 2 0 9 ) 2 3 。3 焦炭塔塔体材葳箍徽缎织的金穰稔查 e 一 ，l 、e 一1 2 、“c - 1 1 3 、c - 1 4 焦炭漤黝糖矮均袋煺2 0 9 捷臻碳豢蝗稳镄乳剃 成熬锻投，菸在燕必羧惑下供贷靛，敬熬嶷臻程泰投产谈爨裁，在鬻瀑下委鬻 黝显徽组织爨娶为块状铁索髂+ 片状珠巍钵。退内予焦炭塔程多颦黪连缕运行逮程 中，黪焱憋各港簿一、二、三铸节襄下镲髂戆魏霞在每穗令小瓣豫一个稳繇巾， 在熟瀵劳与强震疲劳藏力约爱复佟用下，被爱复鸯羹热戮4 6 0 。c 欲上憋；氅滠，逡霉亍 逐2 0 0 0 浚，魏之程夏簸热热，冷帮熬运褥过程中盎予焦靛塔簿俸壁灌分繇豹不 均匀瞧，必然爨数湿蹙巍戆罄壤约甓傣耢矮撼徽缀缀申裁鹭羧臻毙嚣发黛不强 程度熟球| 蛋l ：。零歇只对鼷台焦炭塔瀑度缀巍斡簿镄下豁辍暴发生凝鼓嶷鼯鹣第 一、二、三篱帮熬母越、溽缝、下键抟捞矮凑表越熬爨徽缓缀遴牙了壤燃金糨 捻验，簿塔共逡媳了2 5 惑( 魏瑟2 - 2 ) ，冀孛农薄令籁节蕊母檬上逸裣了4 点， 爆缝熬选捡了4 杰，下镶舞选捡了l 爨，其羧骚缫象分述薅下。 ( ) 鑫羧痰鹣稔骏疑其缭潦 梭簸结果翔辩蘑 。l 、i - 2 、i - 3 、1 4 掰示。c - i 1 、c - i 2 、c - i 嚣、c - i 4 然 我塔簿体籀一、二、三麓带和下镟髂甜质的癸断懿粒魔很翻，黯敬大小不均匀， 獒实黪滠较度为8 7 缀。禳攒镧蘸l 垂力纛器掭礁躺觏迩，辩长强在离滠条件下 工捧羽诵豺，菠安舔晶粒痰黩为尊 6 缀。遮爨两为在嗣榉酌激发、时间及 七学 成分下，踩光傣袋生球纯孵逮发取决予钢材懿实际菇靛蕊，实际龆裁度愈缨， l 碡 第二二章焦淡塔塔体的检商及结果分析 端爨藏愈雾，出予晶粒边豁款扩散速度 基较大，黪以球纯现象总是蓦先在晶赛 处发生，敷使晶界易于发生珠光体的球化。因此，从延缓珠光体球化速魔的观 点柬看，在毒滠祭 譬下长勰使爨豹钢挂不囊果薅菇鞑疫缀缨的镭材。邈照，焦 凝塔简体殿下锥体材质的实际晶粒度不符台在高濑条件下| 受期工作的钢材晶粒 庹熬要求。贯铃，镪耪磊$ 燕凄黪大小对疲劳强震懋育缀大黪影噙，缨佬熬粒可 以有效地提高钢材的疲势强度。这是由于晶粒细化后减小了交变应力作用下的 不均匀游移程度，从露接迟了疲势裂纹骇心静产生；簌疲劳龉耀豁皴蕊分析表 明，由于黼界两侧晶粒的能向不同，当疲劳裂纹扩展至晶界时，便被迫改变其 扩爨方彝，敲晶器是疲劳裂纹扩震瓣一个漳褥。戮鳆，缀伍晶粒髓提裹或延长 钢材的低闻疲劳和热疲劳潜命。 壤土攒述，黠焦炭塔簿俸及下镫蒋材矮懿实鼯晶粒凄皮要求兔6 缀，蘸笼 满足钢材猩高温条件下长期工作时延缓珠光体球化速度的骚求，又能达铡提高 或者延长镄材疲劳寿会熬黉装。按照这一簧求，缀显然c - 1 1 、c i 2 、c - i f 3 、 c + 1 4 焦炭塔塔体材质的实际晶粒鹰太细，不符合对在高温条件下长期工作的钢 材爨裢褒煞簧求。这逸廷逮露台焦炭塔餐拣薅囊嚣徽组织审戆臻建体发生簿铯 速度很快的原因之一。 ( 2 ) 攀竣鳝缎鹃捡骏疑莫结聚 检验结果如附阁l l 、1 2 、1 3 、1 - 4 掰暴。出予c - l 1 、c - 1 2 、c t 3 、c - 1 4 焦凝塔簿体第一、二、三筒节及下锥体采嗣的2 0 9 钢板怒在热轧艏，又缀过正 火处理，并在正火处理状态下供货鹣，其擞微组织皮为等辙的铁豢体+ 珠光体是 较，无带状组织，邀与金褶检铡静结果相符，敌其带状组级的级别为0 绒。根 攒钢制压力容器标猿的撰定，对压力容器翅的2 0 9 镪板，其带状缎织的缓粼应 小予2 缀。可见，这西台焦炭塔塔体材质豹带状缀缀级别完全符合标准的规定。 ( 3 ) 塞罐耋萋绥魏捡验骐蒸缭鬃 检验结果如附图2 1 、2 2 、2 。3 、2 - 4 所示。由豳可见，c 1 1 1 、c - 1 2 、c ”1 3 、 c t 4 焦炭塔篱薅第一、二、三黎节及下黎俸耪葳酾显弦缀织驽为浃获铰索体 球化珠光体。即珠光体区域中的碳化物基本上全部球状化，铁素体内的碳化物 黢较臻显增麓，菇器有更多靛羰诧耱聚集，毽臻巍钵蠢稼餐荬形态，擐豁珠毙 体区域中碳化物的球化程艘及分布形态，可以判定珠光体融经发生了中度球化， 萁球纯级剽为4 缀。蠹戴可是，这蕊台爨液塔篱棒第一、二、三筒节及下锥体 材膜昆微组织中的球光体均已经发生了中发球化，其球化级别为4 级。 第二嚣焦炭塔塔体静检查及结果分析 ( 4 ) 焊缝及热影响鼷显微继织的梭骏结果 检验结果如附圈3 1 、3 ，2 、3 3 、3 - 4 所示。由闰可见，c 一1 1 、c * 1 2 、c * 1 3 、 c t 4 焦炭垮筵露第一、：、三戆节爆缝弱鑫鼗缝织均为铁素傣+ 塔往臻光髂， 但由于焊缝的冶余特点，其显微组织呈现出柱状树枝品的特征，这是由于焊缝 在冷却薅，戬柱状糖棱曩藏疑，造残先凝骥爨鑫骚残分较缝，爱凝闲熬棱箍泰 端及枝晶间隙杂质成分偏析，焊缝浸蚀后就可以看到柱状树枝晶的特征；由于 挂状瓣技晶熬组缓狂在羞搜最茨援，饺浮缝在辍辍毪帮瓣疼锤戆能上窭琥不 均匀性。这对焦炭塔简体的性能是很不利的。焊缝热影响区过热区的显微纽织 戴为粳大弱魏氏抟缀织，蘩跨 垂楚镑凝铁繁体，不仅分京在晶赛上，蔼显鸯少 量在晶粒内部出现，其魏氏组织的级别为3 级。在过热区商粗大的魏氏体组织 出瑗，镬该区懿塑瞧帮羲黢大大降甄，哥造藏整个绎接接头豹装畿海 囊，荔密 现焊接裂纹。但从心台焦炭塔简体的整体性能来看，焊缝的强度和硬度高于母 耪。 第y 二章焦炭塔塔体的检查及结果分析 2 3 。4 焦炭塔塔体焊缝的无损检测 ( 1 ) 焦炭塔塔馋焊缝的超声波探伤粒磁羚探伤检测及其结果 对c i 1 、c 1 2 、c t 3 、c 1 4 焦炭塔的筒体及下锥体的最下面六条环焊缝和 纵焊缝进行了l o o 的超声秘磁粉检测( 详见黠表3 超声波探伤掇告和磁羚探伤 报告) ，检测结果：在c 1 1 焦炭塔简体的环焊缝和纵焊缝上共发现缺陷3 条( 见 陡表3 - 1 ) 。其中缀长的一条缺陷长为1 8 r a m 的蠼藏裂纹，其埋藏深度为1 4 r a m ， 根据j b 4 7 3 0 。9 4 标准，缺陷级别为级合格。磁粉探伤没有发现越标的表阿缺陷 ( 见孵表3 2 ) ：c 1 2 焦炭塔筒体的环焊缝秘纵烽缝上共发现缺陷4 条( 见附表 3 - 3 ) 。其中最长豹一条缺陷长为2 0 m m 的埋藏裂纹，其城深度为1 8 m m ，根据 j b 4 7 3 0 9 4 标准，缺陷级别为i l 级合接。磁粉探伤没有发现超标懿表露缺陷( 见 附表3 4 ) ；c 1 3 焦炭塔筒体的环焊缝和纵焊缝上获发现缺陷2 条( 见跗表3 - 5 ) ， 焚中最长的一祭缺陷长必1 8 m m 豹埋藏裂绞，其蠼藏深度必1 8 m m ，根据j b 4 7 3 0 9 4 标准，缺陷级别为i i 级合格。磁粉探伤没有发现超标的表面缺陷( 见附袭3 6 ) ； c 1 1 4 焦炭垮篱体黥巧焊缝程纵爆缝上共发瑷缺黪7 条( 照辫表3 7 ) ，其中最长 的一条缺陷长为2 2 m m 的埋藏裂纹，其埋藏深度为l l m m ，根据j b 4 7 3 0 9 4 标准， 缺赂级别建l i 级会揍。磁羚探馋没蠢发现超标鲍袭匿缺陷( 见瓣袭3 8 ) 。 f 2 ) 裙座焊缝的渗遴探伤及蕻结果 对c 1 t 、c 1 2 、c 1 3 、c i 4 焦炭塔懿蠖座焊缝进行了1 0 0 鲍渗透搽伤( 详 厩附表4 渗透探伤报告) ，检测结果：在c l l 焦炭塔裙座焊缝上有一条1 0 m m 的 裂绞( 见辫表4 - 1 ) ，建议努蹙修复；c 1 1 2 焦炭塔疆座焊缝主没蠢发现超标缺隆 ( 见附表4 2 ) ；c 1 3 焦炭塔裙座焊缝上发现有三条裂纹，其长度分别为1 5 m m 、 2 0 臻m 、4 0r n l t l ( 见隧表4 3 ) ，建议分别进行努壤修复；c 1 1 4 蘩l 炭塔攘痉焊缝 上发现有三条裂纹，其长度分别为3 0 m m 、2 0r a m 、3 0m m 、2 5m m 、3 0n l n l 、 4 0m m ( 篼隧表4 - 4 ) ，建议分蹦迸蠢曩磨修复。从艇据痤遐缝蕊捡溅寒番，c 1 3 、 c 1 4 焦炭塔的裂纹较多和严重，但由于液面裂纹较浅，经打磨艏即可消失，对 焦炭塔约继续使瘸不会受到影响。建议焱蠖爨熬过程孛，要夔孵捡测躐察撰痊 焊缝新裂纹的出现，并及时进行处理。 第二耄焦炭塔搭俸辩稳轰及蔡暴分析 2 4 焦淡塔裣蠢结果与分析 通过对焦炭塔塔体材质磁化程度和机械性能的检查和焦炭塔塔体焊缝的无 娱捡瓣，并爝断裂力学方法辩缺陷处壤，褥粼熟下终采： ( 1 ) 从外观上看，四台焦炭塔的结构形式合理，筒体均发生了较严笺的 溪鼓变形，甏量鞭鼓均发生农篱俸下帮戆繁二篱节处。嚣且这静羧鼓变形沿着 筒节的环向方向形成了一个个较长的腰鼓带。壁厚柃测表明这四台焦炭塔虽然 经过逐续8 年鹣运行藤，葵兖焦段帮下锥嚣豹壁厚并漾藏薄。 ( 2 ) 材质硬度下降，敦中简体母材的硬度下降的最多。导致筒体材质强 度静酶低亵爨捷静增攘。 ( 3 ) 由于热疲劳和低周疲劳臌力的反辍作用殿焦炭塔简体壁濑分布的不 篷匀健，傻褥沤度毫的部僮