大型蒸汽管式干燥機(jī)的組裝與分析

尤清華，孫煥鋒，任 賀

（1.北京電力設(shè)備總廠，北京 102401；2.中國(guó)能建集團(tuán)裝備有限公司，北京 100007）

0 概 述

截止2010年底，我國(guó)已探明的褐煤保有儲(chǔ)量約1 903億噸，占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的13%［1］。目前，褐煤主要用于坑口電廠的發(fā)電以及煤化工。由于褐煤具有水分高、揮發(fā)分高、發(fā)熱量低等特點(diǎn)，褐煤的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用和作為原料轉(zhuǎn)化利用都受到較大限制。近年，我國(guó)已提出將褐煤干燥后再進(jìn)行煤制氣、煤制烯烴、發(fā)電等重大技術(shù)方針。

大唐國(guó)際多倫煤化工項(xiàng)目是我國(guó)“十一五”規(guī)劃重大化工項(xiàng)目之一，涵蓋氣化、變換、低溫甲醇洗、甲醇?jí)嚎s合等四大工序。該項(xiàng)目從2008年開(kāi)始建設(shè)，整個(gè)工藝系統(tǒng)的第一步就是將褐煤干燥。我國(guó)早在上世紀(jì)90年代末，在化工行業(yè)對(duì)PTA進(jìn)行干燥時(shí)，采用引進(jìn)國(guó)外的內(nèi)加熱蒸汽管式干燥機(jī)［2］，該設(shè)備單臺(tái)處理量約100t／h，設(shè)備進(jìn)口的費(fèi)用較高，又因該設(shè)備的干燥效果未能使褐煤水分≤10%，沒(méi)能達(dá)到煤制氣的要求，所以，該設(shè)備不能應(yīng)用于該項(xiàng)目。通過(guò)調(diào)研，德國(guó)研制管式干燥機(jī)的歷史已有100多年。由于管式干燥機(jī)運(yùn)行安全可靠，干燥程度較高，在褐煤氣化方面得到了廣泛應(yīng)用，決定采用管式干燥機(jī)。但是，國(guó)外管式干燥機(jī)的價(jià)格高（是國(guó)產(chǎn)價(jià)格的3倍），因此，從2006年開(kāi)始，我公司開(kāi)始研發(fā)和設(shè)計(jì)管式干燥機(jī)。

管式干燥機(jī)直徑為5.3m，總長(zhǎng)約10.3m，傾斜傾角為12°，單臺(tái)設(shè)備的蒸汽管數(shù)量為1 548根，單管長(zhǎng)8m，總體重量225t，是煤氣化關(guān)鍵設(shè)備之一［3］。管式干燥機(jī)的設(shè)計(jì)與組裝質(zhì)量，直接關(guān)系到該項(xiàng)目的整體建設(shè)。

1 干燥機(jī)組裝方案的確定

1.1 干燥機(jī)的組裝

管式干燥機(jī)是一個(gè)傾斜的多管式回轉(zhuǎn)圓筒，其筒體直徑較大，1 548根干燥管通過(guò)前后端的管板固定。中心軸長(zhǎng)約10.3m，支撐在筒體外兩端的軸承座上，大齒圈安裝在干燥機(jī)前端，電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)小齒輪，小齒輪再與大齒輪嚙合傳動(dòng)，干燥機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為8r／min，管式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)外形，如圖1所示。根據(jù)輸煤車(chē)間的布置，干燥機(jī)前端安裝在11 m鋼梁平臺(tái)，后端安裝在9m平臺(tái)［4］。

圖1 管式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)

由于干燥機(jī)單機(jī)重量大，整體直徑達(dá)5.3m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，若在制造廠內(nèi)組裝，可節(jié)省不少在現(xiàn)場(chǎng)安裝的費(fèi)用，且制造廠的工裝器具較為齊全。但在制造廠組裝后，需整體運(yùn)輸，設(shè)備加上車(chē)體的高度達(dá)6 m，超過(guò)我國(guó)公路運(yùn)輸限高的要求。經(jīng)討論，決定將干燥機(jī)的中心軸、干燥管、管板、筒體（分三段）、進(jìn)出料裝置、進(jìn)出汽管路、傳動(dòng)裝置等部件，在制造廠內(nèi)加工成組件，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。

1.2 中心軸組裝方案選擇［5］

根據(jù)受力分析，中心軸承載著設(shè)備的重量，所以，中心軸的組裝精度，直接關(guān)系到干燥機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。關(guān)于中心軸的組裝主要有2種工藝方法，第一種：將中心軸制造成1根整軸進(jìn)行熱處理和機(jī)加工，這樣能保證干燥機(jī)的各段軸頸有較好的同軸度。根據(jù)對(duì)國(guó)外干燥機(jī)制造的調(diào)研，是將中心軸做成1根整軸，制造廠需具備大型軸類設(shè)備的機(jī)加工能力。但是，此工藝方案使管板同軸環(huán)縫的焊接形式改為立焊，增加了焊接難度，且消除焊接應(yīng)力的難度較大。第二種，通過(guò)干燥機(jī)的受力分析，干燥機(jī)的載荷主要集中在中心軸前后端的軸頸處。因此，可將中心軸分為三段制造，再現(xiàn)場(chǎng)組焊。前端軸頸及后端軸頸材料，采用了ZG35GrMo高合金鋼。此種方案中，對(duì)中心軸同軸度的調(diào)整、空心軸內(nèi)外焊接及消除應(yīng)力是關(guān)鍵的控制工序。根據(jù)現(xiàn)有的制造條件，決定采用第二種工藝方法進(jìn)行中心軸的組裝。中心軸組裝的劃分，如圖2所示。

圖2 中心軸的組裝劃分

1.3 管板組裝方案選擇［5］

管板制造和組裝的精度要求較高，是干燥機(jī)安裝時(shí)的重要工序。管板直徑為5.3m，厚90mm，材質(zhì)為16MnR，需加工1 548個(gè)管孔。最初方案是擬采用3塊120°料進(jìn)行拼接。經(jīng)受力分析，干燥機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大，這種拼接方法將引起管板強(qiáng)度的下降。通過(guò)比較，最終決定采用1塊長(zhǎng)方形板，寬大于1.4m（板中間需開(kāi)孔?1 400），另外再用2塊鋼板補(bǔ)圓，拼成整圓。管板組裝方案的對(duì)比，如圖3所示。管板的拼焊完成后，采用模具定位的方法，在機(jī)床上加工1 548個(gè)基孔，然后再擴(kuò)孔至管孔尺寸。這種加工工藝較繁復(fù)，但保證了管板的整體性。

圖3 管板組裝方案對(duì)比

1.4 干燥機(jī)的組裝流程

干燥機(jī)前端橫梁安裝→中心軸組裝→管板焊接、組裝→對(duì)中、校準(zhǔn)同軸度→焊接筒體→穿管焊接→出汽管路組裝→水壓試驗(yàn)→安裝前后端軸承箱、軸承座→干燥機(jī)運(yùn)輸、吊裝→干燥機(jī)后端橫梁安裝→調(diào)整標(biāo)高及傾斜度→安裝驅(qū)動(dòng)裝置→對(duì)中、校準(zhǔn)傳動(dòng)部件→安裝干燥機(jī)進(jìn)、出料裝置→安裝進(jìn)汽管路→安裝保溫層。

2 干燥機(jī)吊裝方案

干燥機(jī)體積大而重，吊裝方案需經(jīng)專項(xiàng)論證。國(guó)外安裝管式干燥機(jī)時(shí)，在干燥機(jī)下方置有小車(chē)，此小車(chē)可承托干燥機(jī)，也可用于檢修干燥機(jī)軸承。為此，技術(shù)人員提出采用“拖排”就位干燥機(jī)的方案［6］。根據(jù)廠房的設(shè)備布置，干燥機(jī)安裝在廠房B列到D列之間，進(jìn)料端標(biāo)高11.0m，出料端標(biāo)高9.0m。干燥機(jī)的吊裝步驟：

（1）根據(jù)總體吊裝荷載計(jì)算，支撐架基礎(chǔ)的載荷不小于360t；運(yùn)輸滑道總載荷按310t考慮。

（2）根據(jù)設(shè)備尺寸及廠房結(jié)構(gòu)，制作專用的干燥機(jī)吊裝支撐架、行走架、吊裝扁擔(dān)、運(yùn)輸滑道等工藝裝備，準(zhǔn)備4臺(tái)100t液壓提升裝置及鋼絞線、貓爪等附屬工具，準(zhǔn)備1臺(tái)10t卷?yè)P(yáng)機(jī)和1對(duì)30t滑輪組。

（3）安裝液壓提升裝置及支撐架、行走架、運(yùn)輸滑道，穿鋼絞線，用鋼絲繩連接吊裝扁擔(dān)與干燥機(jī)、運(yùn)輸滑道與支撐架。

（4）將15臺(tái)干燥機(jī)組裝后，運(yùn)輸至吊裝現(xiàn)場(chǎng)，采用1臺(tái)500t履帶吊將干燥機(jī)起吊至9.5m高度，然后用1臺(tái)30t汽車(chē)吊，斜拉干燥機(jī)進(jìn)入廠房，再平穩(wěn)地吊放在支撐架上。

（5）用卷?yè)P(yáng)機(jī)將行走架拖動(dòng)至廠房?jī)?nèi)干燥機(jī)的就位位置，利用4臺(tái)100t液壓提升裝置，調(diào)整干燥機(jī)的安裝位置，安裝支撐梁后，吊放干燥機(jī)就位。

3 干燥機(jī)組裝

3.1 中心軸與管板的組裝

將分為三段的中心軸對(duì)準(zhǔn)后進(jìn)行焊接，再整體加工到設(shè)計(jì)尺寸，保證軸的同軸度。然后，將管板裝在2個(gè)胎具工裝上與中心軸組裝在一起。使用胎具工裝是為了保證孔板與中心軸組裝的垂直度和同軸度，用螺栓及鋼管將胎具和中心軸鎖固，使中心軸和2塊管板按圖紙要求進(jìn)行連接。先焊接中心軸環(huán)焊縫，再進(jìn)行筒體焊接。

3.2 筒體臥式組對(duì)及找正工裝

（1）直線度測(cè)量

筒體環(huán)縫的對(duì)接采用臥式組對(duì)，為方便筒體對(duì)接，可制作筒體外夾胎具工裝。將外夾胎具放在自制的平臺(tái)上，利用外夾胎具控制筒體的整體的對(duì)接，對(duì)接后的筒體直線度Δδ≤4mm。在筒節(jié)0°、90°、180°、270°四個(gè)方向焊上定位塊。鋼絲繩放在定位塊90°的直角槽中，用 M10的螺栓拉緊?0.5mm鋼絲繩進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。

圖4 筒體直線度測(cè)量示意圖

（2）激光四點(diǎn)找正［7］

筒體的對(duì)接與裝配是整個(gè)設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，所有附件均需同步加工，各附件的同軸度應(yīng)具有一致性。采用四點(diǎn)激光找準(zhǔn)的方法，可確保筒體機(jī)身的同軸度。在筒體4個(gè)脹圈中焊接固定環(huán)，固定環(huán)的內(nèi)圓應(yīng)與筒體的外圓同心。固定環(huán)內(nèi)圓與筒體坡口的加工應(yīng)同步進(jìn)行，保證同心度不大于0.2 mm。在固定環(huán)的中間，需套上1個(gè)定位塊，在定位塊中心，鉆有1mm的穿透孔，利用激光直線傳播的特點(diǎn)，保證4個(gè)定位塊的中心保持在同一直線上。以保證筒體安裝的直線度及同心度。利用定位塊找正的示意圖，如圖5所示。

圖5 激光四點(diǎn)找正示意圖

3.3 干燥機(jī)的管子管板焊接

國(guó)外管式干燥機(jī)的管子與管板連接，是采用脹接形式，但根據(jù)我國(guó)目前的技術(shù)狀況，認(rèn)為采用管子管板焊接的方式比較穩(wěn)妥。由于干燥管的數(shù)量較多，人工焊接耗時(shí)大，焊接質(zhì)量難以保證，決定采用不填絲自動(dòng)鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊接電源為直流正接，焊接電流的脈沖較高且持續(xù)時(shí)間較短的（峰值電流）和較小的基值電流（維弧電流），這樣可穩(wěn)定焊接電弧，減少了焊縫夾渣等缺陷。干燥機(jī)的管子管板焊接，如圖6所示。

3.4 軸承座與軸承箱的安裝

圖6 干燥管與管板的焊接

組裝軸承前，首先應(yīng)確定軸承的初始游隙。組裝后，采用塞尺檢查剩余游隙，并對(duì)過(guò)盈量進(jìn)行調(diào)整（在軸承的自然狀態(tài)下測(cè)量初始游隙，然后逐漸壓入錐套測(cè)量剩余游隙，用初始游隙減去剩余游隙就是過(guò)盈量）。

軸承箱組裝應(yīng)在干燥機(jī)本體組裝完成后進(jìn)行，軸承箱內(nèi)零件已在制造廠裝妥，無(wú)需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行任何調(diào)整。為了軸承箱就位方便，先將出料端軸承箱按裝配位置進(jìn)行初步定位。軸承箱在廠內(nèi)組裝后是經(jīng)過(guò)封存防銹處理的，現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，不要隨便打開(kāi)軸承箱蓋和各個(gè)進(jìn)油管路接口，避免濕空氣進(jìn)入使內(nèi)部零件發(fā)生銹蝕。

3.5 傳動(dòng)裝置安裝

（1）在傳動(dòng)部分的滾動(dòng)軸承內(nèi)，涂抹占1／3軸承空間的鈣基潤(rùn)滑脂（黃油），所有螺栓的螺紋表面應(yīng)涂抹 MoS2鋰基潤(rùn)滑脂，然后再擰入螺孔。

（2）組裝前，應(yīng)將各零部件清洗干凈。檢查傳動(dòng)裝置內(nèi)部，應(yīng)無(wú)雜質(zhì)存在。

（3）裝配齒輪幅

大齒輪是安裝在干燥機(jī)筒體上，運(yùn)行時(shí)，干燥機(jī)內(nèi)部將接入約170℃的蒸汽。因此，大齒輪會(huì)有軸向和徑向的位移和熱變形。首先，將已組裝完成的傳動(dòng)部分，以大齒輪齒寬中間為準(zhǔn)，與小齒輪的齒寬對(duì)齊，再轉(zhuǎn)動(dòng)大齒輪1～2周，觀察齒輪的嚙合情況，應(yīng)保證齒輪側(cè)隙為0.780～1.181mm，進(jìn)一步細(xì)調(diào)小齒輪的位置。然后，將傳動(dòng)部分整體向大齒輪右側(cè)移動(dòng)。以大齒輪右端面為準(zhǔn)，確定小齒輪右端面位置。必要時(shí)，依靠傳動(dòng)部分整體的細(xì)微移動(dòng)，將齒輪安裝在正確的位置上。

（4）齒輪幅的接觸檢查

用紅丹粉涂色于小齒輪的齒上，轉(zhuǎn)動(dòng)大齒輪1周后，觀察大齒輪的著色區(qū)，保證接觸區(qū)位于大齒輪齒高和齒長(zhǎng)方向的中部，小齒輪齒高的中部。干燥機(jī)冷態(tài)時(shí)，大齒輪還未產(chǎn)生熱位移，所以，小齒輪在齒高方向的接觸區(qū)，可在中間偏上的區(qū)域內(nèi)。

（5）齒輪傳動(dòng)位置確定后，不需再調(diào)整。此時(shí)，可將調(diào)整墊鐵與系統(tǒng)基礎(chǔ)焊接固定。

4 干燥機(jī)水壓試驗(yàn)

管式干燥機(jī)屬于低壓容器，根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。由于工期緊張，曾提出將干燥機(jī)組裝就位后，再進(jìn)行水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)前，需向筒體內(nèi)注水約60t，增加了干燥機(jī)軸承的受力，使干燥機(jī)的彎曲撓度增加，可能影響干燥機(jī)同軸度。最終決定，將筒體兩端安放在與筒體相同弧度的凹槽內(nèi)，在地面進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）將干燥機(jī)水平放置在凹槽托架上，確保中心軸與地面平行；干燥機(jī)機(jī)體各連接部位的緊固螺栓必須裝配齊全，緊固妥當(dāng)。

（2）試驗(yàn)用水應(yīng)潔凈、無(wú)腐蝕性，溫度不低于5℃；安裝泵水試驗(yàn)的排水管道；試驗(yàn)用壓力表在校檢期內(nèi)，量程為試驗(yàn)壓力的1.5倍，精度1.5級(jí)，且在排氣管1和機(jī)體兩處安裝完畢。水壓試驗(yàn)的示意圖，如圖7所示。

圖7 水壓試驗(yàn)示意圖

4.2 試壓

（1）用水充滿干燥機(jī)筒體，排凈筒體內(nèi)的氣體，筒體外表面應(yīng)保持干燥。當(dāng)筒體壁溫與水溫接近時(shí)，緩慢升壓至設(shè)計(jì)壓力0.5MPa，確認(rèn)無(wú)泄漏后，繼續(xù)升壓至試驗(yàn)壓力0.625MPa，穩(wěn)壓30min，再將壓力降至0.5MPa，然后進(jìn)行保壓并檢查是否存在泄漏。檢查期間壓力應(yīng)保持不變。

（2）設(shè)定安全溢流閥壓力值為0.625MPa。

（3）試壓后，若無(wú)變形及泄漏等現(xiàn)象，則水壓試驗(yàn)合格。

（4）試壓過(guò)程中如出現(xiàn)漏點(diǎn)，應(yīng)做好標(biāo)記，卸壓消缺后重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)管式干燥機(jī)的組裝工藝進(jìn)行了分析，將干燥機(jī)的中心軸分為三段在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝和焊接，解決了不具備大長(zhǎng)軸的機(jī)加工問(wèn)題。通過(guò)制作外夾胎具，控制筒體對(duì)接時(shí)的直線度，采用四點(diǎn)激光找準(zhǔn)的工藝方法，確保筒體機(jī)身裝配的同軸度。采用不填絲自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝，對(duì)管子與管板進(jìn)行焊接，調(diào)整了焊接參數(shù)，保證了干燥機(jī)整體性強(qiáng)度。吊裝時(shí)，利用拖排支撐架，采用卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)的方式，將管式干燥機(jī)吊裝至廠房?jī)?nèi)的正確位置。