碳钢材质焦炭塔的腐蚀分析及修复

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某公司 120万吨/年的延迟焦化装置(以下简称焦化装置)共有 6台焦炭塔，编号为 C-1/1～ 6。其中C-1/1～4为 1996年装置由30万吨/年扩建至60万吨/年时配套实施，材质为20g，其尺寸为 05400 mm X28980 mm×(26/30)mm，采用无井架除焦，至今已连续使用 16年；C-1/5～6为2004年装置由7O万吨/年扩建至 120万吨/年的配套设备，材质为15CrMoR0Crl3A1，其尺寸为 06800 mil×22550(切)mm×(24/26/28)mm，采用有井架除焦方式。2009年 12月，焦化装置停工检修期间对 C-1/3-4进行全面检验，对顶部封头的立柱垫板焊缝区域附近进行测厚检测时，发现封头出现严重减薄，全部8个立柱垫板附近封头减薄情况基本相同，对 C-1/1-2封头相同部位进行测厚亦发现减薄情况。2012年4月焦化装置停工检修期间，再次对 C-1/1～4进行全面检验，发现顶封头立柱垫板附近区域及其下部直段塔体均存在严重减薄，顶除焦口接管亦腐蚀减薄严重」碳塔是操作条件苛刻的反应容· 63·碳钢材质焦炭塔的腐蚀分析及修复器，塔体减薄严重后在反复冷却加热中极易发生开裂、泄漏等失效，严重威胁设备的安全运行，必须采取措施消除存在的缺陷，并针对缺陷发生的原因提出对策。

1 腐蚀减薄的原因分析1.1 塔体腐蚀减薄状况2009年 12月，焦碳塔 C-1/3～4全面检验时发现顶部封头的立柱垫板区域附近原厚度 26mm的封头最薄处只有 15.5 mm，因检修工期限制，进行了简单的外部贴板加强处理，决定在下个检修期进行缺陷全面检查和返修。2012年 4月，对 C-1/1～4进行全面检验，其中 C-1/1～2实测封头最小壁厚分别为 19.7，20。1 mm，简体减薄较轻微；C-1/3实测封头与简体最小壁厚分别为17.1，16.5 mm；C-1/4实测封头与筒体最小壁厚分别为 18.1，17.3 mm(腐蚀形貌见图 1)。测厚减薄严重区域均为顶部封头的平台立柱垫板区域及其下部筒体。测厚时还发现，2006年 l0月更换的塔 C-1/1～4除焦口接管(0828 1Tim×14mm)减薄严重，其中 C-1/1，C-1/3，C-1/4顶除焦口接管在2010年测厚为 12 mlTl，此次测厚在3.89～6.21 mm之间，其中 C-1/3顶除焦口接管颈底部边缘最薄处约2.56 mm。

图 1 焦炭塔内壁腐蚀形貌1.2 原因分析在焦炭塔生焦期，内壁通翅有-层牢固而致密的焦层，隔开了腐蚀介质，起到保护塔内壁的作用。但是焦炭塔上部为泡沫段和气相段，含有大量的油气，内壁不易结焦，很难形成保护层，裸露的塔内壁与油气中的硫化氢生成 FeS，而 FeS. 64 。

在气流冲刷下无法形成致密的FeS保护膜，导致塔内部腐蚀减薄迅速。

在塔顶封头立柱垫板部位及其下部简体腐蚀减薄尤为严重，通过对减薄部位的腐蚀形弥析发现，不仅存在肉眼可见的明显减薄，同时还存在严重的坑腐蚀，说明其不仅受到高温硫腐蚀，还存在明显的酸腐蚀现象 j。分析碳钢焦炭塔的结构特点，由于其采用无井架除焦结构，顶部除焦平台通过4根立柱支撑在球形封头上，立柱为空心结构，且没有保温，形成热桥，同时雨水易沿其与封头间的保温间隙渗入，造成在焦炭塔运行期间立柱垫板区域及其下部简体保温效果不好，传热较快，温度较其他部位低」化油气中最重组分循环油裂解和缩合反应的温度-般为 415～425℃ 5，在低于415℃时就不易结焦。目前焦炭塔顶注急冷油后，顶部工作温度-般为415℃，实际封头及其下部 3 m区域塔内壁温度约为 415～435 ，而该区域由于保温效果不好，传热较快的影响，低于其他部位 20-3O ，导致该区域塔内壁不易结焦」炭塔上部为泡沫段和气相段本就不易结焦，顶封头立柱垫板部位及其下部简体温度较低就更不易结焦，该区域内壁无结焦层附着，致使塔内壁裸露而被严重腐蚀。同样是由于立柱垫板区域及其下部简体传热快，在冷却、切焦期，由于温度较低，蒸汽在该部位首先冷凝和油气中的HC1-H S等酸性物质混合，形成典型HC1-H S-H 0腐蚀环境 J，导致该区域受到酸腐蚀较其他部位严重，这点从该区域内壁的密集腐蚀凹坑即可证明。

由于焦炭塔的生产特点，伴随着长期反复冷却和加热，塔顶支柱部位封头及其下部不断经历高温硫腐蚀减蓖 HC1-H：S-H 0腐蚀环境的坑蚀，形成了-个腐蚀减薄非常严重的区域。

2 修复方案2.1 壳体减薄部位的强度要求对于焦炭塔顶封头和上段简体的腐蚀减薄情况，首先应确认其是否能够满足强度要求。按照GB 150-2011(，JJ容器》 中壁厚的计算公式进行计算。

球形封头壁厚计算公式：P D /(4[ ] -P。) (1)第 30卷第 3期 压 力 容 器 总第 244期式中 P --焦炭塔的设计压力 ，P 0.41 MPaD --焦炭塔的内径，D 5400 mm[or] 20g设计温度下的需用应力，焦炭塔 上部设计温度 450℃，故[Or] ：61 MPa- - 焊接接头系数，双面全焊透 100%无损检测，西1将上述参数代入式(1)，可得：6 9.09 mm。

同样，简体的壁厚计算公式：62P D /(2[ ] 西-P。) (2)代人相同参数，可得： 18.21 mm。

通过计算可知，要保证设计条件下的强度要求，球形封头厚度应大于9.09 mm，圆筒体厚度应大于 18.21 mm。其中C-i/I～2实测封头最小壁厚分别为 19.7，20.1 mm，简体减毕轻微，能够满足设计要求；C-1/3实测封头与筒体最小壁厚分别为 17.1，16.5 mm；C-1/4实测封头与筒体最小壁厚分别为18.1，17.3 mm，考虑封头减薄区域存在密集坑腐蚀，同时还需承受顶除焦平台与设备的重量，决定对 C-1/3与C-1/4封头及筒体厚度低于23 mm的区域进行修复。

2.2 修复方案的分析确定修复前对焦炭塔主体焊缝进行了磁粉、渗透、超声检测，未发现超标缺陷；对塔体母材、焊缝金属、热影响区进行了硬度测定，在 HB106～HB163之间，所测试各部位硬度值均正常；对塔体母材、焊缝金属、热影响区金相分析，显示各部位金相组织正常。根据检验检测的情况，C-1/3～4具备返修条件。

要保证焦炭塔的修复合格，须确保其修复时的稳定性要求、修复后的强度要求、耐腐蚀要求，有堆焊、堆焊 贴板、更换等几种方案。采用堆焊方式，堆焊厚度过大导致焊接工作量大，影响施工进度，同时堆焊部位存在热变形大、强度较低等问题；采用堆焊 外部贴板 ，虽然外部贴板加强相对容易，但不能有效防止其内部继续减薄；采用堆焊内部贴板，内部贴板若采用不锈钢板，与母材的热胀差较大，在频繁的升、降温操作中焊缝极易开裂，若采用碳钢材质进行贴板，其与堆焊表面亦很难紧密贴合，温度升高后会发生鼓包；采用减薄部位更换的方法，焊接工作量在几种方案中最小，瓜皮和筒体的预制成形时间较堆焊时间与贴板的预制时间相当，虽然需要克服塔体存在轻微鼓胀节变形的影响，但综合考虑其为最合理的修复方案。

根据测厚情况，决定对塔 C-1/3-4低于 23 mm的减薄部位进行更换，共计封头瓜皮 8块，因形状突变区容易造成应力集中，更换封头瓜皮与壳体连接部位加直边过渡 ]，更换简体壁板7块 ，换板壁厚为26 mm，材质为 20R，同时决定对C-1/1，C-1/3，C-1/4顶除焦口接管进行更新。确定更换位置时对边缘进行了密集测厚，保证更换区域边缘壁厚大于23 mm，并尽量靠近旧焊缝，减少 T形焊接接头。

2.3 稳定性校核焦炭塔 C-1/3，C-1/4修复方案的重点是须确认更换壁板的过程中，焦炭塔不失稳。计算依据为 JB 4710-2005《钢制塔式容器》[9]，GB1502011《压力容器》及焦炭塔图纸。I-I截面为更换壁板的主要部位，其位置及尺寸见图2。

图2 焦炭塔换板位置示意(阴影部分为更换壁板部分)计算考虑检修时塔顶平台的附加载荷；考虑顶部施工材料、工具等引起的偏心质量；因换板部位位于塔顶部，忽略风弯矩；不考虑地震及雪载。

I-I截面以上载荷为球形封头质量、检修时塔顶施工附加质量、顶除焦平台及除焦设备质量之和，m 38.16×10 kg；偏心质量 m 15 X 10kg；载荷组合系数 K1.2；更换壁板最大弧长6 。

I-I截面重力引起的轴向压应力：or2m - g/(，rD 6。-6 ) (3)I-I截面最大弯矩引起的轴向压应力：· 65 ·碳钢材质焦炭塔的腐蚀分析及修复Or"3 / (4)I-I截面总的轴向压应力： 2 3 (5)式中 g--重力加速度，g9.81 w/sD --I-I截面壳体内径，D 5400 mm6 --I-I截面实测厚度，6 23 mm- - 偏心质量引起的弯矩，N·mm，M m gee--偏心质量重心至焦炭塔中心线的距离，e2700 mm - - I-I截面的抗弯模量，mm ，。 。

('ITDo3/32)[1-(D/D。) ]1-6/[订(D )]D --I-I截面壳体外径，D。5452 mm将上述参数代人式(3)，可得 1.82 MPa；代入式(4)，可得 ，0.83 MPa；将 ：与 值代入式(5)，得 2.65 MPa。

查 GB 150.32O11中图4-2，图4-5得常温下系数B109 MPa，则 KB1.2×109130.8MPa；按 GB 150.22011中表 2查得常温下[ ] 148 MPa，则 K[ ] 1.2×148177.6 MPa。

由计算可得，在壳体修复过程中，I-I截面最大的轴向压应力 远小于[ ] 在更换壁板的过程中，焦炭塔不会出现失稳现象。

2.4 修复技术为减少施工工作量，在更换封头瓜皮和支柱时不拆除焦炭塔顶部平台，新加临时支柱，为防止瓜皮更换时封头局部发生变形，需在切割线的旁边加门型框背杆加固，背杆按封头曲率进行弯制。

由于现场位置狭小，平台承重限制，不能同时进行多组施工，为保证施工安全和检修工期，采用流水作业法，即前-组换板组装完成进行焊接时，立即开始进行下-组的支柱加固和换板施工，依次进行；每个平台-组人员施工，各工序依次进行，减袖隔时间。

壁板更换要求：(1)更换后不形成十字焊缝或交叉焊缝；(2)更换后纵、环焊缝与相临纵、环焊缝之间间距不小于 200 mm；(3)切割处原筒体厚度满足强度要求；(4)转角处圆角过渡，不出现. 66 。

所有的纵、环焊缝均开双 V形坡口，磨光后100%磁粉检测 I级合格。对 口时控制错边量不大于3 mm，组对间隙不大于 3 mm。焊接顺序为先内后外、先纵后环、对称施焊、间隙焊接以防止变形。因局部换板时四周固定，焊接应力无法释放，易产生变形，需严格控制层间温度，温度高时暂停焊接作业。焊接后进行 100%射线探伤，Ⅱ级合格，然后进行 100%超声复验，I级合格。

更换后的顶平台立柱内部用陶纤塞实，外部增设保温，同时与封头保温交接处采用防雨盖板遮挡，并做防水处理。

修复结束后对焦炭塔进行了水压试验，试验压力 1.66 MPa，试验合格。

修复后的焦炭塔 C-1/3与c-1/4经合肥通用机械研究院特种设备检验站检验合格，评定为3级 ，目前运行情况良好。

3 结论(1)无井架除焦结构的焦炭塔顶封头支柱部位和除焦口的腐蚀减薄是高温硫腐蚀与低温HC1- H：s-H 0腐蚀，要减低其腐蚀速率，应对这对封头立柱内外部进行保温，同时对保温进行防水处理。

(2)对焦炭塔塔体的局部严重腐蚀减薄，应加强测厚监测。由于同时存在严重坑腐蚀，测厚数据不能代表最薄点，减薄严重时应尽早修复。

采用换板方式是较合理的修复方案，换板后塔体焊缝受力好，能够保证焦炭塔的安全运行，同时施工工作量相对较校