大型焦炭塔的设计及其改进

大型焦炭塔的设计及其改进

顾一天　贾桂茹

中国石化工程建设公司(北京市100011)

摘要:主要介绍上海石化股份有限公司1.0M t/a延迟焦化装置中直径8400mm的大型焦炭塔的设计情况。对塔体材质的选择、塔体裙座的结构形式进行了分析。该塔泡沫层以上采用(15CrM oR+0Cr13Al)复合板,筒体下部采用15CrM oR。按疲劳容器的要求设计该塔,采取措施防止裙座与筒体焊缝处出现裂纹和塔底座螺栓松动。概括介绍了该公司1.4M t/a延迟焦化装置中直径8800mm焦炭塔的设计情况。

关键词:延迟焦化装置　焦炭塔　大型的　设计

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0.5Mt/a时,其塔直径在8m以上。目前世界上最大的焦炭塔在加拿大Sumcor油砂加工厂,直径为12.2m,高30m。美国焦炭塔直径一般都在8m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8.3m,高33.5m。

上海石化股份有限公司1.0Mt/a延迟焦化装置,原料为沙特原油的减压渣油,硫含量达4.6%。原设计方案为二炉四塔,焦炭塔规格为DN6.4m ×21.0m。1997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8.4m。直径加大后,其材料和结构也必须作相应的调整,为适应延迟焦化装置大型化的要求,原中国石化北京设计院(BDI)和上海石化机械制造有限公司合作,进行了焦炭塔设计和制造技术的攻关。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,可以实现焦炭塔的大型化。

1　焦炭塔塔体材质的选择

用碳钢制造焦炭塔的优点是制造容易,对于小直径的塔,价格便宜,投资省。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。

对钢材性能分析表明:20g钢的最高使用温度为450℃,在焦炭塔的操作工况条件下,长期使用还有可能产生石墨化现象。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15CrM oR 是耐热钢,其机械性能大大优于20g钢和20R钢。例如:温度为475℃时的许用应力,15CrM oR(正火+回火)为110MPa,而20R钢仅41MPa;温度为475℃、时间10×104h的持久强度,15CrM oR钢达180MPa,而20R钢仅为59MPa。

就蠕变强度而言,20g钢在温度400℃以上即可产生蠕变,450℃的蠕变极限为56MPa。中国石化金陵分公司炼油厂对焦炭塔塔体进行受力分析:塔体材料膜应力较小,轴向应力为10.9MPa,环向应力为21.8MPa;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 MPa。冷却期间,轴向温差所产生的环向和轴向热应力分别为80.5MPa和24.15MPa(平均值)。由此可见,热应力和内压产生的应力叠加已超过56 MPa,且在420℃以上持续超过20h,足以使材料发生蠕变。所以使用20g钢板易产生鼓包变形现象。而15CrM o钢的475℃蠕变极限为100MPa,几收稿日期:2001-06-12;修改稿收到日期:2002-01-31。

作者简介:顾一天,高级工程师,1965年毕业于西安石油学院

炼厂机械系,一直从事炼油厂压力容器的设计工作。

炼　油　技　术　与　工　程

2003年1月 PETRO LE UM REFI NERY E NGI NEERI NG 第33卷第1期

乎是20g 钢的2倍。如按上述应力分析,其热应力

和内压产生的应力叠加亦小于15CrM o 的蠕变极限100MPa 。由此可见,选用15CrM o 钢,焦炭塔发生蠕变的可能性小得多。

经计算,DN8.4m 焦炭塔如选用20g 钢,腐蚀裕度取6mm ,则壁厚为42～70mm ,已超过不需要热处理的允许范围(38mm )。由于塔壁太厚,在热循环过程中产生的热应力将很大。而选用15CrM oR 钢板时,计算壁厚仅20～36mm 。操作时产生的热应力也相应较小。

从经济角度看,若选用20R 钢则估算设备重为380t/台,概算投资为760×104RM B ,而选用15CrM oR 钢则设备重仅200t/台,概算投资为680×104RM B 。后者设备自重减少180t/台,投资可减少80×104RM B 。根据本装置的特点和经济对比,并参考国外的经验,焦炭塔基材选用15CrM oR 钢。塔泡沫层(包括泡沫层以下200mm )以上采用(15CrM oR +0Cr13A1)复合板。筒体下部采用15CrM oR 钢。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。

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

H 2S 和HC1在气相段腐蚀所造成的。2　焦炭塔裙座结构型式的分析与选择

低频热疲劳是焦炭塔的主要破坏形式之一。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。

经过对应力分析、制造难度及焊接工作量等

方面的多方权衡,决定采用图1所示的结构型式。该结构应力集中系数较少,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)见图2,有利于应力释放,防止焊缝开裂。

图1　焦炭塔裙座连接型式改进型

图2　裙座开槽孔详图

由于槽孔顶部的应力值最大,最高达470MPa ,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。3　结构设计

3.1　按疲劳容器的要求进行设计

(1)在筒体上不开孔(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。

(2)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1.5mm ;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。(3)焊缝采用X 型坡口以减少变形和应力。(4)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。3.2　防止裙座与筒体焊缝处出现裂纹

(1)裙座焊缝圆滑过渡,焊缝增加高度至112mm (控制焊缝外表面与垂线成15°角)。

(2)裙座上开设40条宽3mm 膨胀缝。(3)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。

(4)加强裙座焊缝处的保温效果,设计热箱结构(见图3)。

3.3　防止底座螺栓松动

因为水力除焦时,高压水冲击筒壁造成塔体

振动,易引起底座垫铁外逸,螺栓松动。采取以下

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