对焦炭塔裙座结构的探讨

对焦炭塔裙座结构的探讨

林季壮

【摘要】焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备之一，一般处理减压渣油、重质原油等重质油品，操作工况恶劣：塔体在预定的时间内承受温度压力由低到高然后由高到低以及介质重量大小的交替变化。作为支撑整个塔体的裙座同时承受着温度、压力和重量的交替变化，因此裙座的结构，就显得尤为重要。本文对焦炭塔的几种裙座连接结构和辅助措施进行了介绍和分析探讨，并对裙座结构的设计和选用给出了一些建议。%Coking tower was one of the main equipment for delayed coking unit. When the heavy oil such as VR ( vacuum residue) and heavy crude oil were disposed, the operating condition for the coking tower was gross. In fixed time, the temperature and the pressure went from low to high, and then from high to low, the weight bearing for the tower was also changing. For the skirt which supported the whole tower should also bear the changing of temperature, pressure and weight, so the structure for the skirt was very important. Some coking tower skirt connecting structure and the auxiliary measures were introduced and analyzed, and then some suggestions were proposed for the designing and choosing the skirt.

【期刊名称】《广州化工》

【年(卷),期】2014(000)024

【总页数】3页(P141-143)

【关键词】焦炭塔;裙座结构;使用年限;循环应力 (薄膜应力和热应力)

【作者】林季壮

【作者单位】洛阳瑞泽石化工程有限公司，河南洛阳 471003

【正文语种】中文

【中图分类】TE962

延迟焦化装置将减压渣油、常压渣油、重质原油等重质油品经深度热裂化部分转化为高价值的液体和气体产品，其余重质部分生成石油焦［1］。在延迟焦化装置中，焦炭塔是装置的核心设备之一，焦炭塔的使用年限与该装置的经济效益密切相关。焦炭塔的操作有其特殊性。焦炭塔操作时，压力由常压升到操作压力(约为0.17 MPa)，温度由常温升到475 ～510 ℃，再由操作压力降到常压，温度由475 ～510 ℃降到常温，一般每隔48 或36 小时为一周期。焦炭塔除焦时用水泡焦使塔

体骤冷，这种工况对塔体、底封头与裙座连接处的使用有较大影响。随着延迟焦化装置规模的增大，焦炭塔的尺寸随之增大，目前国内最大的焦炭塔直径达到9 800 mm。作为支撑整个塔体的裙座，要承受温度、压力和重量的交替变化，在裙座和底封头的连接处，同样承受着薄膜应力和热应力的交替变化。在API 调查的焦炭

塔中，约有一半的塔在塔裙与底封头连接处发生开裂，我国也曾发生过焦炭塔“脱裤子”(塔体落入裙座内)的事故，所以裙座是焦炭塔受力较复杂，较容易出现问题的部位。

1 主要连接结构及特点

焦炭塔裙座的设计，既要保证有足够的强度支撑设计负荷条件下的壳体及物料(包

括附件)的重量，还要保证在径向有良好的柔韧性，协调壳体的变形，避免发生“脱裤子”现象。根据焦炭塔的使用经验和研究表明，裙座的裂纹主要发生在裙座

和底封头连接焊缝处［2］，因此该处的结构设计应保证裙座上段和底封头在温度急剧变化时的变形协调，降低变形不协调产生的应力，从而降低产生裂纹的可能性，确保焦炭塔有较长的使用年限。

从目前焦炭塔的使用情况看，裙座与底封头的连接结构大致可以分为三类:对接型，堆焊型，整体锻焊型。

1.1 对接型

结构见图1。该结构属于较早期的连接结构，也是JB/T 4710－2005《钢制塔式

容器》中收录的一种常规的裙座与塔壳连接结构［3］。该结构的特点是结构简单，易于施工。为了减小焊缝的应力集中，标准对焊缝加高的长度进行了规定，要求焊角高度不小于裙座名义厚度的1.7 倍。在实际的应用中，受到焊缝位置和裙筒厚度的限制，焊角不会很高;焊缝应与封头圆滑过渡，这样可以减小不连续应力，但弧

度会在一定程度上减小焊角的有效高度，因此该结构的焊角并不大。在焦炭塔反复升温降温的工况中，裙座上段与底封头之间有较大温差，较小的焊缝，承载的薄膜应力较高，加上此处温差应力的叠加，峰值应力较高，即此处应力幅较高，容易产生裂纹。

图1 对接型结构Fig.1 The structure of butt welding

1.2 堆焊型

结构见图2。该结构是基于对接型发展出来的一种连接结构，由于对接型结构焊角小，承受各种载荷的截面积小，导致承载能力小，那么就考虑增加焊缝的截面，减小薄膜应力，由此发展出堆焊型结构。堆焊型相比对接型，底封头与裙座之间的环焊缝承载截面明显增大，降低了薄膜应力，降低了此处的峰值应力，减小了产生裂纹的倾向。环焊缝还应圆滑过渡，这样可以减小应力梯度。堆焊型有效的减小应力幅，增加了疲劳循环的次数，提高了设备的安全性和使用年限，但是增加了制造难度，焊接工作量大，成本提高。

图2 堆焊型结构Fig.2 The structure of surfacing

1.3 整体锻焊型

图3 整体锻焊型Fig.3 The structure of forge welding

结构见图3。该结构使得塔体的一部分和裙座的上段成为了整体，取消了裙座和底封头连接处高应力区的环焊缝。实践证明，焊缝比基材更容易产生裂纹，基于这点考虑，在前面两种结构的基础上，更进一步，用整体锻件代替，此结构增加了高应力区的金属截面积，降低了该处的峰值应力和应力幅，且使裙座顶部焊缝远离高应力区域。锻焊结构相比焊缝，表面平整，尺寸精确，通过严格控制锻件的钢锭杂质，加大锻造比(不小于3.5)，减少了内部缺陷，内在质量比焊缝好，从而降低了产生

裂纹的倾向，提高了疲劳使用年限。但整体锻焊结构制造困难，随着设备大型化，焦炭塔直径很大，锻件尺寸也很大，锻造、机加工、运输和现场组焊的难度加大，焦炭塔制造成本也会上升。若选用锻焊结构，要注意锻件尺寸的合理选取，结构不能有过大的不连续应力。1999 年ASME 的一份报告中对八种不同结构尺寸的整体锻件进行了对比［4］，最差的结构比堆焊型的疲劳寿命还小，最好的结构的疲劳寿命是堆焊型的3 倍多。因此合理的锻件结构尺寸对延长使用年限是很重要的。

2 重要的辅助措施

综上所述的三种连接结构各有优劣，但不论采用哪种结构，没有其他措施的辅助，也不能保证裙座长周期的安全使用。延长连接结构使用年限的关键，在于降低该处的峰值应力和应力幅。焦炭塔的规格确定后，重力载荷是无法降低的，只有降低该处的温差应力，才能降低峰值应力和应力幅。这需要采取一些辅助措施，例如空气囊、膨胀缝等结构，跟连接结构共同作用，才能使裙座安全长期的使用，保证焦炭塔的安全。

2.1 空气囊

空气囊是用隔气圈隔离出来的空气空间。隔气圈就是在裙座内侧焊一圈用扁钢或钢

板切割制作的隔离圈，分为可拆和不开拆两种结构(见JB/T4710－2005)［3］。

由于空气囊的存在，在底封头高温时，囊中的裙座上段不仅接受到底封头从连接处传导过来的热量，还受到底封头的高温辐射传热，而且底封头的高温加热了囊中的空气，空气又将热量传递给了裙座上段。当底封头温度突然降低，裙座上段温度高时，热量反向传导，反向热辐射，通过囊内空气反向加热封头。空气囊的设置，让底封头和裙座上段通过热传导，热辐射和对流传热，将高温侧的热量充分传递给低温侧，降低了两者的温差，减小了连接处的峰值应力和应力幅，从而提高了焦炭塔的疲劳使用年限。从上世纪到现在的使用情况来看，空气囊对于缓解较大温差应力的效果还是良好的。要注意的是，空气囊设置的不应过大，否则会影响保温层的铺设;空气囊只是在一定程度上缓解了温差应力，为保证温差应力加薄膜应力满足连

接焊缝的强度，在条件允许时，最好对底封头和裙座连接处进行应力分析，确保塔体安全。

2.2 膨胀缝

图4 膨胀缝Fig.4 Expansion join

1995 年ASME 的一份报告称，在对膨胀缝进行应力分析后表明，最大的集中应力出现在膨胀缝的顶部，达到155.13 ～470.23 MPa［5］;在1996 年，API 进行了一项调查发现，开膨胀缝的裙座89%发生了开裂，而不开缝的裙座仅22%发生开裂［6］。有人认为，膨胀缝开设后，会在裙座开缝处引起较大的局部应力，若膨胀缝和焊缝较近，就会和焊缝的局部应力叠加，产生很大的集中应力，引起膨胀缝上部靠近焊缝处开裂。但是上述报告和调查是基于图4a 所示的膨胀缝，其两端存在尖角连接，端部开口也较大，削弱了裙座的金属强度，增加了开孔处的峰值应力，所以应力很大，若是采用图4b 所示的膨胀缝，开口宽度4 mm，可以减小膨胀缝顶部应力集中。从整体受力角度考虑，膨胀缝减小了裙座径向变形的刚度，可减小裙座上部和底封头因温差过大变形不协调产生裂纹的倾向。膨胀缝开设数目不易过

多，上端距离环焊缝下部80 mm 左右，下端应低于空气囊，开孔的边缘应打磨光滑。

3 裙座选择的建议

表1 三种结构的应力和疲劳分析Table 1 Analysis of stress and fatigue of three kinds structure对接型堆焊型整体锻焊型加热时应力/MPa 459 375 326

冷却时的应力/MPa 286 151 95疲劳计算应力集中系数 1.5 1.0 1.0计算疲劳寿命/次598 5503 10704

随着延迟焦化装置规模的提升，处理设备的大型化(国内焦炭塔的直径由20 世纪

50 年代的5 400 mm 增大到目前最大的9 800 mm)，裙座结构更显重要。1995 年ASME 石油化工设备与服务部的一份报告［5］对上文提到的三种连接结构进行了应力分析，并做了比较(见表1)。结果表明锻焊型的疲劳寿命最长，堆焊型次之，对接型的寿命远低于这两种。对接型结构设计的非常合理才能保证焦炭塔长期平稳安全的运行，对于较大型的焦炭塔，较多采用的是堆焊型和整体锻焊型结构。在条件允许的情况下，最好选择整体锻焊结构，因为锻焊结构能提供最好的计算寿命，当然前提是选取最佳的锻件结构尺寸。

目前国内焦化装置设计的生焦时间大部分为24 h，国外大部分为16 ～18 h，短

的生焦时间，可以提高焦炭塔的利用率。在可预见的未来，生焦的时间可能还会减少，塔体加热和冷却的速度还会提高，载荷交变的次数在相同的时间内增加。因此，只有选取合适的裙座连接结构和辅助措施，才能延长焦炭塔的使用年限，保证延迟焦化装置安全长周期运行，避免装置因焦炭塔破坏产生的停工检修，减少安全隐患和经济损失。

参考文献

［1］胡尧亮.延迟焦化装置技术手册［M］.北京:中国石化出版社，2013:1－2. ［2］瞿国华.延迟焦化工艺与工程［M］.北京:中国石化出版社，2007:460－465.

［3］国家发展和改革委员会.JB/T4710－2005 钢制塔式容器［S］.北京:新华出版社，2005.

［4］ Leslie P Antalfy.Innovatinons in Delayed Coking Coke Drum Design，Fracture Design Analysis of Pressure Vessels，Heat Exchangers，Piping Components and Fitness for Service.ASTM，PVP，1999:388.

［5］ API.1996 API Coke Drum Survey(Final Report).Houston:Capstone Engineering Services Inc，1998.

［6］ Leslie P Antalfy，et al.Analyses of Alternate Skirt Attachments to Coke Drun，Fitness for Serviec and Decisions for Petroleum and Chemical Equipment.ASME，PVP，vol.315，1995.