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齐鲁胜利炼油厂

摘要：介绍了直径达Ø8800mm的两台焦炭塔在国内首次采取燃油法焊后整体热处理的工艺系统及热处理过程，各项数据表明整体热处理效果良好，完全符合设计要求。
关键词：焦炭塔 整体热处理

齐鲁胜利炼油厂新建140万吨/年延迟焦化装置采用一炉两塔工艺，单台焦炭塔直径达Ø8800mm，主体材质为15CrMoR（泡沫段以上部分为15CrMoR＋410S复合板），焦炭塔主要设计参数见表1。为了降低塔体组装应力及焊接时产生的残余应力，防止焊接裂纹的产生；同时为改善焊接接头和热影响区的组织和性能，降低硬度，提高塑性和韧性，根据设计文件和国家现行压力容器有关法规、标准，焦炭塔焊后需进行消应力热处理。以往国内同规格焦炭塔的热处理均采用分段法，现场需搭设一台φ10400mm的组合式小型热处理电加热炉，焦炭塔制造时先采用正装法组对成八段，每段筒节（下锥体的第一段筒节除外）内部的拼接纵、环焊缝在炉内进行热处理，但受炉体限制，每段之间的环焊缝只能在吊装组对后进行电加热局部热处理，共要进行七次炉内热处理、八次电加热局部热处理（含裙座下环缝，但不包括部分接管焊缝），不仅投资大，施工周期长，而且每次采用的近二百只电加热器时常出现烧坏、短路的现象，往往造成热处理效果差、无法完全达到工艺要求的情况。经多次讨论，最后决定采用上海傅氏热处理工程公司提出的塔器立置内部燃油法对这两台焦炭塔进行整体热处理。

表1 焦炭塔主要设计参数
序 号
项 目
参 数
1
焦炭塔规格（mm）
Ø8800×35837
2
设计壁厚（mm）
（22+3）/（24+3）/30/32/36/40/30
3
公称容积m3
1655
4
焦炭塔材质
15CrMoR＋410S(上部)/15CrMoR(下部)
5
操作介质
渣油、油气、焦炭、水蒸汽
6
设计压力MPa
0.35
7
设计温度℃
450(顶)/475(中下)/495(底)
8
金属质量kg
25497

1 整体热处理工艺及计算
1.1 整体热处理工艺参数
整体热处理工艺参数见表2，整体热处理工艺曲线见图1。
表2 热处理工艺参数
序号
项目
技术指标
1
恒温温度℃
690℃±14
2
恒温时间h
2
3
升温速度℃／ｈ
50-80 （≤300℃时可不予控制）
4
降温速度℃／ｈ
50-80 （≤300℃时可不予控制）
5
升温时的最大温差℃
≤120
6
降温时的最大温差℃
≤120
7
恒温时的最大温差℃
≤28
注：升温、恒温、降温时的最大温差指最下部至最上部所包客的焦炭塔受热范围内的塔壁外侧金属温度的最大差值。
最下部：下过渡段下部对接环缝（焊缝编号：B15）以下150mm；
最上部：椭圆形封头开孔N1(钻焦口)管座与接管之间的焊缝以上150mm。

1.2整体热处理方法
以焦炭塔内部为炉膛，选用0号轻柴油（随气温选用标号）为燃料，焦炭塔外部用保温材料进行绝热保温，通过鼓风机送风和喷嘴将燃料油喷入并雾化，由电子点火器点燃，随着燃油不断燃烧产生的高温气流在塔体内壁对流传导和火焰热辐射作用，使塔体升温到热处理所需的温度。
1.3 热工计算
热工计算参数见表3 。
表3 热工计算参数
序号
项目
参 数
1
保温材料
硅酸铝针刺毯
2
保温材料密度kg／m3
120
3
保温材料厚度ｍｍ
120
4
保温层外表面积 m2
≈860
5
保温材料重量T
12
6
钢材比热 KCal／Kg.℃
600℃:0.573；700℃:0.603
7
钢材导热系数KCal／Kg.℃
600℃:28；700℃:25.8
8
保温材料导热系数 KCal／Kg.℃
600℃:0.0828；700℃:0.091
9
保温材料比热KCal／Kg.℃
0.2
10
环境温度℃
0
11
燃料油
0号或-10号柴油
升温到500℃—700℃期间，升温速度接50℃/h时的热处理耗热量计算结果见表4。
表4 热工计算表
速率
烟气
单位时间耗油量
时间单位耗油量 10000Kcal/h
℃/h
℃
B Kg/h
流量 L/h
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
总耗热量
50
700
786.6
954.6
415
83
50.6
219
24.5
12.5
804.6
表中：
Q1- 塔体壁板升温所需热量
Q2- 塔体壁板与保温层的传热损失
Q3- 保温层的蓄热损失
Q4- 炉废气带走的热量
Q5- 燃料化学不完全燃烧损失的热量
Q6- 燃料机械不完全燃烧损失的热量
B - 燃料油的用量
本次热处理采用YQ-A-1600型燃烧器，其最大燃烧能力产生的热量为1.6×106kcal。由表5可知，塔体热处理时能满足供热要求。
2 整体热处理工艺系统
热处理工艺系统由燃油、供油、温度测量、排烟系统和动态测量组成。
2.1 燃油系统
燃烧器与焦炭塔底部的管口法兰，采用过渡法兰和临时螺栓连接。利用一套微机系统对热处理过程进行智能化控制，以满足工艺要求，燃料采用-10号柴油（按气温选标号）通过油泵送油，由电磁阀控制经喷嘴喷出，雾化的燃烧油，由电子点火器自动点燃柴油进行燃烧。燃烧器上的鼓风机按预先设定的风油比助燃。
2.2 供油系统
根据热工计算，本次焦炭塔热处理最大耗油量为954.6L/h，单台热处理耗油量≤7吨，储油罐一次装油量应保证塔体热处理全周期所需油量的1.5倍，故应设制容量为10吨的储油罐一台。
2.3 温度测量控制系统和温度监测
温度测量监控系统由热电偶，补偿导线和一套PC—WK型集散控制系统对温度进行智能化测量和控制。温度监测配置两套系统，一套是EH100-24长图自动平衡记录仪2台，共可记录48个测温点，另一套是微机集散型温度监控系统，3秒钟扫描一个测温点巡回检测各测温点的温度，并与设置的热处理工艺曲线进行比较对照，从而向燃烧器给出具体燃油控制量，同时升、降温阶段每30分钟打印1份各点温度的报表，恒温阶段每15分钟打印1份各点温度的报表。
2.4 焦炭塔热处理过程中的动态监测
热处理前，在焦炭塔41.6m平台上，沿焦炭塔周长方向均匀设置4处测量焦炭塔径向热膨胀位移的测量点，并设置1处轴向热膨胀位移的测量点。测量点的静止端应与塔体无任何连接，且距塔壁的径向距离不小于150mm，动态点设在筒体与椭圆形封头连接的焊缝处（B1）。在18.26m平台上按上述要求设置4处塔底径向热膨胀位移测量点，动态点设在筒体与上过渡段连接的焊缝处（B11）。在热处理过程中，若测量发现塔体发生异常形变时，立即停止升温，并进行原因分析，排除造成异常的原因，采取相应的措施后方可继续进行热处理操作。
2.5 烟道系统
烟囱总高2.5米，主体由Φ500×4×1000钢管2节组成，烟囱上部安装蝶阀（高0.5米），由上位机电脑通过智能仪表，控制烟气的压力。
3 整体热处理前的准备工作
3.1 热电偶的布置和安装
按照JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接工艺规程》和设计文件要求，热处理时在焦炭塔壳体及接管上共设46个测温点，2块产品焊接试板各布1个测温点，合计48个热处理工艺温度控制点，详见图2。
由于整体热处理是在塔体安装就位后进行的，裙座与上过渡段之间环焊缝（排版图编号B30）的热处理工艺温度为690℃±14℃，裙座底座环处的温度接近环境温度，在B30 环焊缝和底座环之间的温差会在裙座筒体上产生不利的温差应力。为了确保整个热处理过程的安全，需对该区域的温差进行跟踪监视和调整，在B30环缝以下1650mm范围内布置5圈温度监测带，每圈沿圆周均布4个热电偶，共计20 个温度监测点。
为了防止接管法兰温度过高，造成法兰密封面变形，在排焦口法兰与下过渡段之间的焊缝部位对称布置2对温度监测热电偶，所有椭圆形封头上的法兰与接管之间的焊缝各布置一对温度监测热电偶。
热电偶安装采用专用的储能式热电偶点焊机，按图1要求将热电偶牢固地点焊在塔体壁板上，烟道气和试板应单独另设热电偶。在热处理过程中往往因外力和操作不慎碰断电偶，又因高温期间无法补焊和修复，因此对试板等关键部分采用双热电偶，以备不测。在每段多布置１至２点作为备分。补偿导线必须妥善保护和固定，以防烧毁。
3.2 保温
热处理时采用背带式保温结构，保温方法参照焦炭塔正式保温（保温结构部件图）。选用2层厚度为40mm的复合硅酸盐板材和一层厚40mm的陶瓷纤维毡。保温材料采用内背带和保温钉固定，安装板材保温用22#铁丝在保温钉上交叉绕紧，在保温板层外再挂上外钢带并勒紧，尤其应注意防止保温棉块下塌脱落。接管法兰均应扣上盲板保温，升温的效果具体由微机每3秒钟巡检一点，每1.5分钟左右巡查一遍的速度加以监控，能及时发现保温的缺陷发出温差信号告警，提示操作人员及时加以补救，减少热处理温差，达到工艺要求。
3.3 需特别注意的几个问题
3.3.1产品焊接试板与焦炭塔筒体同步热处理
焦炭塔整体热处理过程中，要求产品焊接试板与焦炭塔筒体采用相同工艺进行热处理。参照现行GB12337《钢制球形储罐》的规定，把试板放在筒体的外侧，靠壁板的温度传导给试板，因此试板必定滞后和低于壁板的温度。本次热处理由微机采集试板附近测温点的温度，由智能仪表自动加以补温，使试板温度保持在采集点温度±1℃的温差内，实现同步热处理。
因塔体与裙座相连接的环焊缝受力最复杂，也最重要，因此把焊接试板放在距环焊缝200mm处，使试板热处理条件接近关键部位，更具有代表性。产品焊接试板的安装位置见图1。试板与筒体之间必须紧密贴合，每边和筒体点焊一点（焊缝长度电约占5mm），点焊试板所采用的焊接、预热、后热工艺和产品正式焊接一致。热处理完毕后，必须用砂轮小心磨除焊缝金属，不得采用强力拆除方式，以防伤及筒体。试板拆除后，留在筒体上的焊缝金属用砂轮打磨至与母材平齐，并对打磨部位进行100%PT检测，以JB4730中的Ⅰ级为合格。
3.3.2 裙座环焊缝热处理
在塔体作整体焊后热处理时，用陶瓷红外线电加热器对焦炭塔裙座上段与上过渡段之间的环焊缝（焊缝编号B30）与塔体同步热处理。采用300X1000mm/10kw陶瓷红外线电加热器，布置功率280kw，沿焊缝园周均匀布置设8对热电偶。由一台PC-WK-480kw电脑控温仪，控制热处理工艺的全过程。
因塔体作整体焊后热处理时，裙座自上（焊缝处最高温度700℃）而下（钢筋混凝土基础环境温度）应保持较平缓的温度梯度，才能确保整体热处理安全正常进行。为了降低该温度梯度，焦炭塔裙座上段与焦炭塔裙座下段连接焊缝，在整体热处理先行热处理完毕。在整体热处理时，不再对该焊缝进行处理。
3.3.3法兰与接管之间焊缝的热处理及防止法兰密封面变形措施
为防止法兰密封面因整体热处理产生变形、氧化等问题，接管与法兰之间的连接焊缝，在整体热处理前先行热处理完毕。在整体热处理时，不再对该焊缝进行处理。在整体热处理时，必须用保温材料从法兰孔内部包覆法兰内壁及密封面，对其实施防超温保护。
4 焦炭塔整体热处理的实施
2003年12月24日20:30～25日22:00上海傅氏热处理公司对1号焦炭塔进行热处理，工艺简图见图2。热源为-10℃柴油，保温层中最里面一层为陶瓷纤维毡，外面两层为复合硅酸盐板。为避免影响法兰密封面，法兰和接管己提前热处理，这次仅在挡雨板以下保温，法兰暴露在大气中，在钻焦口法兰与烟囱连接处采用内保温的办法防止法兰变形。燃烧器小车连接到下部卸焦口法兰上，小车上有齿轮泵、鼓风机及变频电机等。通过调节变频电机的电流来调节油量和空气量，控制喷嘴处火炬的大小及长短，同时控制烟囱处的蝶阀开度，以调节排气量，这样控制热处理温度及其均匀性。为提高整体热处理控温精度，确保热处理过程温度的均匀性，在工艺温度升到400℃以前必须评估好温差的原因，对于零星的低温点可通过增加保温予以解决，径向的片状温差可调整燃烧器的角度来解决，轴向温差可调整火焰的形状来解决。
4.1 热处理实测数据
4.1.1恒温时要求690℃±14℃×2h，实测如下（每隔15分钟测一次）
时间 max(2#测温点) ℃ min(42#测温点) ℃
11:10 700 676
11:25 700 677
11:40 700 679
11:55 697 678
12:10 697 678
12:25 696 678
12:40 696 679
12:55 697 679
13:10 696 679
4.1.2恒温时风速4-5级，气温＋1℃，钻焦口法兰＋209℃，油气出口法兰＋25℃，裙座保温层以下800mm处从上至下186→25℃，裙座基础环20℃，说明热处理不会造成法兰变形，基础环没有太大的膨胀。
4.1.3焦炭塔整体热处理实测膨胀量记录见表5。焦炭塔整体热处理径向和轴向热膨胀位移量理论计算值如下：
（径向）L=D×α×t＝8800 ×0.0000146×700＝90mm
式中：α—材料的线膨胀系数（0.0000146）
D — 塔体直径
（轴向）L=H×α×t =35000 ×0.0000128×700＝314mm
式中：α—材料的线膨胀系数（0.0000128）
H — 塔体标高
1号焦炭塔恒温时实测顶部钻焦口中心没有发生偏移，a=b=c=d=800,其挡雨板标高抬高282mm,与塔的轴向计算膨胀量314mm基本一致，其实测径向膨胀量84mm也与理论计算膨胀量90mm基本一致；而且整个热处理过程中塔体没有发生异常变形，这说明整体热处理符合工艺要求，且塔的焊接质量良好。
表5 焦炭塔整体热处理膨胀量记录（单位：mm）
内容
时间
温度
径向膨胀量测试点(18.26m)
径向膨胀量测试点(48.5m)
轴向
00
900
2700
3600
00
900
2700
3600
向上

1号焦炭塔
初始值
5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
15:30
100
6
6
6
6
6
6
6
6
41
16:40
221
9
9
9
9
8
8
8
8
50
17:30
290
3
3
3
3
3
3
3
3
29
19:00
391
7
7
7
7
6
6
6
5
41
20:30
489
6
6
6
6
5
5
5
5
40
22:30
593
7
7
7
7
5
5
5
6
42
01:30
665
3
3
3
3
3
3
3
3
29
03:30
690
1
1
1
1
1
1
1
1
10
04:30
690
0
0
0
0
0
0
0
0
0
累计
/
42
42
42
42
37
37
37
37
282

2号焦炭塔
初始值
5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
23:30
100
6
6
6
6
5
5
5
5
41
00:30
200
6
6
6
6
5
5
5
5
40
01:55
320
7
7
7
7
6
6
6
6
47
03:30
415
6
6
6
6
5
5
5
5
41
04:30
470
4
4
4
4
4
4
4
4
22
05:30
533
4
4
4
4
4
4
4
4
24
06:30
600
5
5
5
5
4
4
4
4
26
08:30
635
1
1
1
1
1
1
1
1
14
10:30
675
2
2
2
2
2
2
2
2
16
11;10
690
1
1
1
1
1
1
1
1
10
11:40
690
0
0
0
0
0
0
0
0
0
累计
/
42
42
42
42
37
37
37
37
281

4.2 讨论
4.2.1裙座上15CrMoR与Q225B连接焊缝处仍按690±14℃处理，按JB4709-2000第8.3.2节第二条文是允许的，该处实测温度为700℃，又在碳钢的AcI线以下，不会发生相变(Q235B的AcI为725-735℃)，但考虑到碳钢在700℃×2h可能会强度下降，故第2台该处温度应改为650℃(该处同时整电热带加温)，另外做试板做700℃×2h Q225B试板的强度测试，测得下降程度以作比较。为了提高裙座强度，今后设计可选用16MnR。
4.2.2保温好坏，对温度分布影响很大，这次保温效果较好，故温度偏较小，达到了小于±14℃的要求，但发现塔下部(42#点)温度高，上部温度低(2#点),保温还应改进。
4.2.3恒温时实际控制温度为690±117，符合实际要求，但仍可以改进， 2号塔可以提高2℃，更接近设计点。
4.2.4方案规定升温速度为50-80℃/h，但实际处理时，在600℃以上，为了有效控制温差，升温速度减缓，这样实际延长了热处理时间（大约2小时），有人提出会使晶粒胀大并球化，强度会降低，提会做金相分析。我们以为，稍延长热处理时间不会对强度产生大的影响，也不会影响金相组织，反而会增加韧性、提高冲击值。设计的摸拟最大热处理时间为12h，所以目前升温速度不会造成损害，但2号塔仍应控制在50-80℃/h范围内。
4.2.5 对2号焦炭塔热处理的改进措施
根据以上讨论情况，对2号塔热处理采取了以下改进措施：①温度提高2℃但仍应在±14℃范围内；②加强保温，保温层外再包一层玻璃布；③裙座处15CrMoR＋Q235B焊缝时温度控制650±105℃；④升降温速度应控制在50～80℃/h。
4.3 2号焦炭塔的热处理
2号焦炭塔于2004年1月1日～2日进行整体热处理，恒温时实测温度如下：
时间 Tmax(36#点) min(20#点)
02:33 703 676
03:00 702 678
03:15 702 679
03:32 703 680
03:45 701 680
04:00 700 680
04:14 700 681
04:30 700 681
由此可见：①恒温阶段后期控制在690±109的范围内，整个恒温阶段的温度偏差达到了≤±14℃的设计要求。②最高温度点在锥体与筒体连接焊缝处，最低温度点在筒节中部，而不是在顶封头处。温度分布比1号塔更均匀些。
4.4 将厚26mm的Q235B钢板随2号焦炭塔一起进行了热处理，然后进行强度检测，实测结果：未经热处理的钢板σb＝420MPa，热处理后达389MPa，即强度下降了7.3％，但仍高于规范要求的375MPa，所以碳钢裙座上部经700℃左右热处理后仍是安全的。
5 结论
通过对两台直径φ8800mm焦炭塔的整体热处理，可以看出燃油法整体热处理用于焦炭塔是切实可行的，热处理温度均匀性好，各项指标能够满足设计要求。从整体来看，它比分段整体热处理方法更简便、省时、且投资少，热处理效果更好。
8