大型乙烯裝置冷箱殼體制造工藝研究

鄔依婷徐懿楊薇陳濤

（1.杭州杭氧鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備安裝有限公司 2.杭州杭氧石化工程公司 3.杭州市特種設(shè)備檢測研究院）

0 前言

乙烯冷箱是乙烯裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于降低工藝物流的溫度，以便低溫回收乙烯和提濃氫氣，降低CH4/H2濃度分子比，提高乙烯回收率。通常，乙烯冷箱工作在+40～-170℃范圍內(nèi)。冷箱實(shí)質(zhì)上就是換熱器加上必要的分離器，并用一鋼制保溫殼包裝起來，內(nèi)部空間填滿珠光砂等絕緣材料以減少冷量損失。乙烯裝置的大型化是當(dāng)今世界的發(fā)展趨勢。目前商業(yè)化的乙烯裝置規(guī)模最大的是加拿大NOVA廠140萬t／a乙烯裝置，我國已投產(chǎn)的生產(chǎn)能力最大的乙烯裝置是天津石化100萬t／a乙烯裝置和鎮(zhèn)海煉化100萬t／a乙烯裝置。大型乙烯裝置如圖1所示。

圖1 大型乙烯裝置

大型乙烯裝置，其單位產(chǎn)品投資省、成本低、效益好，優(yōu)勢顯而易見。因此乙烯冷箱大型化也是目前國內(nèi)外發(fā)展的主要方向。自開發(fā)研制國產(chǎn)化乙烯冷箱以來，杭氧集團(tuán)基本上適應(yīng)了國內(nèi)乙烯裝置改擴(kuò)建的需求，設(shè)計(jì)制造規(guī)模由30萬t/a提高到100萬 t/a。

1 制造難點(diǎn)

1.1 大幅面板的平整度要求

冷箱是一個(gè)長方體，內(nèi)部為型鋼構(gòu)成的骨架，每個(gè)面采用大幅鋼板蓋面，各箱板與冷箱骨架為焊接結(jié)構(gòu)。冷箱露天放置，常年受到風(fēng)吹日曬雨淋，因此冷箱一般在其外表面噴砂后刷底漆、中間漆和面漆，而內(nèi)表面噴砂后涂底漆。為保證冷箱板受力均勻、外表美觀和油漆附著牢固，冷箱板有一定的平面度要求。冷箱底板的平面度會(huì)影響落在基礎(chǔ)上的設(shè)備垂直度，對設(shè)備內(nèi)尤其是板式塔上的液體分布有影響，所以要求較高。

1.2 冷箱的密封性要求

由于乙烯冷箱內(nèi)設(shè)備主要介質(zhì)為甲烷、乙烯、丙烯和氫氣等可燃?xì)怏w，它們在高壓低溫下工作，任何微量的泄漏都有可能在冷箱內(nèi)某個(gè)部位積聚，有可能發(fā)生冷箱爆炸從而引起整個(gè)乙烯裝置冷區(qū)的爆炸，所以對冷箱的密封性有一定的要求。

1.3 整體運(yùn)輸?shù)奶厥饪紤]

乙烯冷箱內(nèi)部管道復(fù)雜，材料特殊，一般為鋁合金材質(zhì)，有時(shí)為不銹鋼材質(zhì)并包含鋁和不銹鋼過渡接頭。冷箱在制造商工廠安裝時(shí)一般采用水平方式安裝，以便于管道焊接，這樣整體組裝質(zhì)量容易控制。在用戶現(xiàn)場安裝一般采取豎直安裝，水電氣條件更適合鋼制容器和管道的安裝，所以在允許的情況下盡量選擇制造商工廠內(nèi)部安裝。這樣就必須將冷箱整體吊裝和運(yùn)輸。由于冷箱內(nèi)設(shè)備復(fù)雜，有時(shí)一臺(tái)冷箱內(nèi)多達(dá)20多臺(tái)大小各異、形狀不同的設(shè)備，整臺(tái)冷箱重心不易控制，且單臺(tái)冷箱重量超過300 t，冷箱整體吊裝及運(yùn)輸十分困難。

2 解決方案

2.1 制定特殊型材制造工藝

大型乙烯冷箱中，需要一些特殊規(guī)格的型材，這些型材按常規(guī)一般無法直接采購到，因此公司就采用板材折邊或拼接自制而成。但由于某些原因，經(jīng)過一段時(shí)間后這些自制的型材出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)彎曲變形，影響了整體質(zhì)量，以致需要整改，在現(xiàn)場重新切割拼接制造，從而產(chǎn)生了一些不必要的人力、物力和財(cái)力損失。針對這一問題，公司特制定了型材制造工藝，主要是針對制造過程中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行工藝的規(guī)范統(tǒng)一。其主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)圖紙尺寸備料，采用剪板機(jī)或等離子切割下料，鋼材切割邊緣或斷口處不應(yīng)有分層、夾渣等缺陷。

（2）按圖2所示的坡口形式切割出H型鋼腹板和翼板拼接處的焊接坡口并磨平。

圖2 H型鋼焊接坡口形式

（3）型鋼拼接工藝采用手工弧焊，焊機(jī)直流反接，保證焊接質(zhì)量。在制造過程中，為有效控制焊接變形，先將翼板點(diǎn)焊在制造平板上或用壓板將板兩頭壓緊。

2.2 冷箱穿出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊接質(zhì)量控制

為使焊縫滿足熱脹冷縮的要求，各箱板間的連接處內(nèi)側(cè)為間斷焊；為保證整個(gè)冷箱的氣密性要求，冷箱外側(cè)為連續(xù)密封焊，施焊時(shí)焊接坡口須去除表面油漆。所有焊接采用手工電弧焊，冷箱骨架的柱、梁、斜撐、加強(qiáng)板等連接處均為連續(xù)焊接，冷箱骨架的柱、梁、斜撐等與面板接觸處的焊縫均應(yīng)磨平。筋板應(yīng)在焊接時(shí)配制并修正，焊接后校平整，并校正對角線和垂直線以及平面度。冷箱面板拼接應(yīng)整齊美觀，內(nèi)側(cè)與柱、梁、斜撐拼接處的焊縫應(yīng)磨平，清除焊渣和毛刺。珠光砂放出口、接地板在冷箱就位后由用戶進(jìn)行施焊，面板及冷箱骨架兩側(cè)刷上面板編號(hào)，以方便冷箱總裝。

一臺(tái)復(fù)雜的大型乙烯冷箱約有60條進(jìn)出管線，因此冷箱管線的傳出結(jié)構(gòu)直接影響了冷箱的密封性。針對冷箱在低溫下操作的特點(diǎn)，部分管道在操作狀態(tài)下由于冷縮而產(chǎn)生位移，因此需要采取一些有效措施，例如采用特殊的柔性結(jié)構(gòu)。如圖3所示，可采用橡膠套、墊木以及不銹鋼帶作固定物，內(nèi)部填充礦渣棉，這樣既能夠讓管道自由移動(dòng)，又可以保證冷箱密封性和絕熱性，減少冷量損失，杜絕冷箱壁結(jié)霜而凍裂的現(xiàn)象。

圖3 接管穿過冷箱板

2.3 整體吊裝結(jié)構(gòu)

大型乙烯冷箱內(nèi)部包含超過20臺(tái)大小不同、形狀各異的壓力容器，內(nèi)部重量分布不均勻。以某冷箱為例，由于冷箱的重心不在其外形的幾何中心，在吊裝過程中各吊點(diǎn)所承受的力也各不相同。

吊裝過程中，冷箱與水平面的夾角α從0°至90°的整個(gè)過程各個(gè)吊耳承受的力在不斷變化，各個(gè)階段的受力分析如圖4所示。在設(shè)備進(jìn)入直立狀態(tài)之前，受力吊耳由冷箱頂部下面①、②號(hào)兩個(gè)吊耳和尾部上面⑤、⑥號(hào)兩個(gè)吊耳承擔(dān)。當(dāng)設(shè)備達(dá)到直立狀態(tài)時(shí)，副吊車松鉤，設(shè)備重量由冷箱頭部①至④號(hào)四個(gè)吊耳承擔(dān)。設(shè)備從抬頭到直立狀態(tài)過程中，③、④號(hào)吊耳上吊索處于松弛狀態(tài)，需要用繩索將其固定，防止吊裝過程中吊索脫離該吊耳。

冷箱的受力可按下述各式來分析 （角度為α）：

圖4 受力分析

起吊過程中各吊點(diǎn)受力大小如表1所示。

表1 起吊過程中各吊點(diǎn)受力分布 （單位：kN）

大型乙烯冷箱整體采用吊耳吊裝，但其吊耳與一般設(shè)備的吊耳采用的圓管不同，因?yàn)槔湎滟|(zhì)量超過300 t，起吊時(shí)的剪切應(yīng)力很大，所以采用高強(qiáng)度的圓鋼，并將圓鋼深入框架內(nèi)部，與內(nèi)部鋼梁形成一個(gè)整體，有效提高了吊耳的抗剪切能力。實(shí)踐證明，該吊裝結(jié)構(gòu)使用良好，冷箱剛性足夠。

3 結(jié)論

本文論述了大型乙烯冷箱制造工藝，解決了冷箱板垂直度和平面度的問題，通過了冷箱的氣密性試驗(yàn)。305 t質(zhì)量的冷箱一次起吊成功，冷箱無明顯變形，剛性足夠。大型乙烯冷箱制造工藝的實(shí)施，在減少產(chǎn)品制造成本的同時(shí)，大大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)了大規(guī)模乙烯裝置中大型設(shè)備生產(chǎn)的需要。該百萬噸乙烯裝置冷箱目前已在用戶現(xiàn)場正常運(yùn)行超過3年，使用情況良好。該冷箱的制造工藝有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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