加熱爐模塊化施工技術(shù)在石化裝置中的應(yīng)用

吳亦揮（中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司)

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加熱爐模塊化施工技術(shù)在石化裝置中的應(yīng)用

吳亦揮*
（中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司)

摘要加熱爐是工藝裝置中技術(shù)含量相對(duì)較高、結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜的非標(biāo)設(shè)備，以前國(guó)內(nèi)采用的是現(xiàn)場(chǎng)建造的施工模式，施工周期相對(duì)較長(zhǎng)。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)在一些大型的石油、化工項(xiàng)目中引入了當(dāng)今國(guó)際上推崇的加熱爐模塊化施工技術(shù)。就加熱爐模塊化制造和安裝模式進(jìn)行了討論，并對(duì)模塊化施工流程進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞加熱爐模塊化施工爐管爐襯鋼結(jié)構(gòu)

*吳亦揮，男，1959年生，高級(jí)工程師。上海市，200540。

加熱爐是工藝裝置中技術(shù)含量相對(duì)較高、結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜的非標(biāo)設(shè)備。本文就加熱爐模塊化制造和安裝模式進(jìn)行了討論，并對(duì)模塊化施工流程進(jìn)行了闡述。

1　加熱爐模塊化施工的優(yōu)點(diǎn)

1.1明確了承包商的供貨范圍和工作界面，使責(zé)任單一化，能有效避免傳統(tǒng)模式中因多方互相推諉所導(dǎo)致的管理困難。

1.2在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就遵循分段制造安裝，即模塊化制造安裝的思路，利用TEKLA STRUCTURES軟件進(jìn)行立體建模、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化，可以最合理地將加熱爐結(jié)構(gòu)分片、分段模塊化。

1.3模塊化工廠制造與現(xiàn)場(chǎng)建造相比較，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

1.3.1工廠制造的工作條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)條件，受天氣、環(huán)境因素影響較小，而且不受現(xiàn)場(chǎng)建造時(shí)立體空間的限制，可多模塊同時(shí)進(jìn)行制造。

1.3.2在專業(yè)化工廠制造過(guò)程中，可使用更為精良的工裝機(jī)具，有利于提高工作效率和制作精度。如對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)的制作引入CO2氣體保護(hù)焊和埋弧焊等高效焊接方法、使用專用機(jī)器進(jìn)行切割和除銹等。

1.3.3工廠制造可為爐管等重要部件的焊接創(chuàng)造比現(xiàn)場(chǎng)更為有利的條件。如改技術(shù)難度高的立焊和固定焊為技術(shù)難度低的平焊和轉(zhuǎn)動(dòng)焊，方便采取內(nèi)充氬、預(yù)熱及熱處理措施等，有利于提高焊接質(zhì)量，減少返修工作量。

1.3.4最大程度的工廠模塊化預(yù)制和預(yù)組裝，有利于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件不完善或不適合的細(xì)節(jié)。加熱爐施工常見(jiàn)的問(wèn)題有節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理、節(jié)點(diǎn)圖沒(méi)有表述清楚、制造中存在難以實(shí)施的情況等。采取模塊化施工可以最大限度地規(guī)避這些問(wèn)題以及其他一些通常只有在現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)才能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，并及時(shí)予以修正。

1.3.5加熱爐工廠制造的模塊運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后，可采取積木式組對(duì)、安裝，極大程度地減少現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量，縮短安裝工期。

2　模塊化安裝的應(yīng)用技術(shù)

下面以國(guó)內(nèi)某連續(xù)重整裝置項(xiàng)目為例，介紹加熱爐模塊化安裝技術(shù)在石油化工裝置中的應(yīng)用。

2.1裝置簡(jiǎn)介

該連續(xù)重整裝置共有5臺(tái)加熱爐，其中4臺(tái)方爐、1臺(tái)圓爐。此次重點(diǎn)介紹4臺(tái)方爐的模塊化施工。4臺(tái)方爐分別為重整進(jìn)料加熱爐（BA201，為設(shè)備位號(hào)，下同）、第一中間加熱爐（BA202）、第二中間加熱爐（BA203）和第三中間加熱爐（BA204），具體明細(xì)見(jiàn)表1。重整進(jìn)料加熱爐和第二中間加熱爐合并布置在一個(gè)爐體內(nèi)，各爐膛間用火墻進(jìn)行相對(duì)隔離，其對(duì)流室用以發(fā)生3.5 MPa過(guò)熱蒸汽；第一中間加熱爐和第三中間加熱爐合并布置在一個(gè)爐體內(nèi)，各爐膛間用火墻進(jìn)行相對(duì)隔離，其對(duì)流室用以發(fā)生3.5 MPa過(guò)熱蒸汽。煙氣經(jīng)各自對(duì)流室發(fā)生蒸汽后合并排入煙囪。加熱爐BA201 和BA203的爐管各采用一組45路覫141.3×6.55的雙面輻射U形管布置。頂部各通過(guò)兩根覫1067×32的集合管連接。加熱爐BA202采用兩組45路覫114.3×6.02的雙面輻射U形管布置，頂部通過(guò)四根覫762×25的集合管連接。加熱爐BA204爐管共采用一組45路覫141.3×6.55的雙面輻射U形管布置，頂部通過(guò)兩根覫1067×32的集合管連接。4臺(tái)加熱爐其爐管材質(zhì)均為P9，集合管材質(zhì)均為P11。其模型如圖1所示。

表1　加熱爐參數(shù)

圖1　加熱爐模型

爐體鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用剛性連接和鉸接（高強(qiáng)螺栓）兩種方式，爐墻板之間采用螺栓連接后再采取內(nèi)部密封焊。所有爐體及附件均是由模塊化預(yù)制廠家供貨，現(xiàn)場(chǎng)安裝。供貨原則為：輻射室側(cè)墻、端墻、爐頂和爐底均為分片供貨；對(duì)流室模塊化供貨，副框架散件供貨；余熱回收系統(tǒng)廠家分段供貨。兩臺(tái)二合一方爐輻射段的供貨狀態(tài)如表2和表3所示。

表2　重整加熱爐BA201、BA203輻射室分片供貨明細(xì)表（其余構(gòu)件均為散件到貨）

表3　重整加熱爐BA202、BA204輻射室分片供貨明細(xì)表（其余構(gòu)件均為散件到貨）

2.2結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)

2.2.1兩臺(tái)二合一爐輻射室均為分片到貨，現(xiàn)場(chǎng)成片安裝，高強(qiáng)螺栓連接完之后再對(duì)墻板進(jìn)行內(nèi)部密封焊。由于墻板較薄，焊接容易產(chǎn)生變形，因此采用CO2氣體保護(hù)焊來(lái)減少焊接變形。

2.2.2根據(jù)廠家提供輻射室分片原則，兩臺(tái)二合一爐側(cè)墻與端墻分片過(guò)于細(xì)化，到現(xiàn)場(chǎng)之后必須將兩片在地面組裝之后，再進(jìn)行吊裝。

2.2.3由于對(duì)流室分模塊到貨，模塊質(zhì)量非常大，所以在安裝對(duì)流室模塊之前必須將對(duì)流室副框架安裝完畢。

2.2.4兩臺(tái)二合一爐為聯(lián)合平臺(tái)，聯(lián)合平臺(tái)的安裝需與爐本體同時(shí)安裝，從而減少架設(shè)及高空作業(yè)。

2.2.5施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地比較狹小，必須充分做好施工安全工作。合理地按照材料到貨計(jì)劃來(lái)安排現(xiàn)場(chǎng)的施工，是保證整個(gè)工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

2.2.6由于對(duì)流模塊質(zhì)量較大，一般都有100多t，所以應(yīng)合理考慮大型吊車的進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，保證利益最大化。

2.2.7根據(jù)梯子平臺(tái)的到貨狀態(tài)和到貨時(shí)間合理安排安裝時(shí)間。加熱爐外側(cè)平臺(tái)盡量隨爐墻板一起吊裝，這樣可減少外側(cè)腳手架的搭設(shè)工作量。

2.3爐管施工技術(shù)要點(diǎn)

2.3.1利用工裝先在預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行組對(duì)焊接。由于連續(xù)重整裝置加熱爐爐管每片尺寸較大，整體運(yùn)輸比較困難，因此爐管是直管和U形管單件供貨，現(xiàn)場(chǎng)組焊。

2.3.2制作輻射段爐管預(yù)制胎具2組，爐管統(tǒng)一搬運(yùn)到胎具上進(jìn)行組對(duì)。每組胎具能夠同時(shí)預(yù)制組對(duì)焊接4組U形爐管，同時(shí)焊工可以減少移動(dòng)。對(duì)預(yù)制工序的改進(jìn)提高了單位面積的利用效率，而且避免了大面積場(chǎng)地預(yù)制頻繁移動(dòng)，有效地提高工作效率和焊接質(zhì)量。爐管組對(duì)胎具宜選在鋼平臺(tái)或平整的混凝土地面上。每組胎具選用六根20#工字鋼作為立柱分兩列三排布置，每排上下水平等距固定4根DN50鋼管。

2.3.3保證組對(duì)、焊接等工序集中在固定區(qū)域，這樣熱處理工作可集中在固定區(qū)域，焊口更加集中，減少了電力設(shè)施的敷設(shè)用料，降低了熱處理工序的成本，同時(shí)也提高了對(duì)熱處理工作的監(jiān)控力度。

2.3.4在工序連接上提高了效率。胎具組裝完畢后，由底層開(kāi)始穿爐管。爐管按照次序擺放，組對(duì)時(shí)A、B組的U形彎管在同一側(cè)組對(duì)焊接、熱處理，C、D組的U形彎管在另一側(cè)組對(duì)焊接、熱處理。在同一層可以同時(shí)展開(kāi)4組爐管的預(yù)制工作，確保焊接過(guò)程中焊工能在集中的區(qū)域內(nèi)作業(yè)。爐管組對(duì)如圖2所示。

圖2　爐管擺放次序

2.3.5胎具拆卸件采用螺栓連接，減少了破壞性拆除的次數(shù)，做到了循環(huán)利用。

2.3.6為了保證爐管在運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中不發(fā)生變形，在爐管預(yù)制后根據(jù)爐管尺寸制作相應(yīng)的胎具進(jìn)行固定。一般每三片爐管為一組，每組采用四根18#槽鋼，將爐管按照?qǐng)D紙上的間距尺寸用U形卡子固定在上面。同時(shí)，為防止?fàn)t管變形，槽鋼之間用DN80的鋼管進(jìn)行加固處理。鋼管的長(zhǎng)度為每根爐管兩端直管的間距。

2.4加熱爐襯里施工要點(diǎn)

2.4.1加熱爐輻射室爐墻板及爐底板襯里錨固釘應(yīng)在預(yù)制廠提前焊接完畢，或在現(xiàn)場(chǎng)吊裝之前完成錨固釘?shù)暮附庸ぷ鳌?/p>

2.4.2襯里施工應(yīng)與爐管施工工序緊密配合。由于爐內(nèi)腳手架搭設(shè)工作量大，應(yīng)提前策劃好腳手架的搭設(shè)方案，盡量減少腳手架的重復(fù)搭設(shè)。

2.4.3為減少高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高襯里施工質(zhì)量，除爐膛襯里外，輻射段、對(duì)流段集合煙道及爐頂集合煙道的襯里在地面完成，然后利用大型吊車將煙道整體吊裝就位。

2.5加熱爐施工流程

圖3所示為加熱爐施工流程圖。

2.6施工工藝及方法

2.6.1爐本體鋼結(jié)構(gòu)的安裝

2.6.1.1一般要求

（1）要仔細(xì)核對(duì)運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)的鋼結(jié)構(gòu)外觀幾何尺寸。

圖3　加熱爐施工流程

（2）成片構(gòu)架就位后，用繩子拉緊固定，用斜墊鐵調(diào)整其標(biāo)高，然后利用手動(dòng)葫蘆調(diào)整其垂直度。找正時(shí)必須使所有立柱1 m基準(zhǔn)點(diǎn)處于同一水平面內(nèi)，垂直度和各柱間距離符合要求，用經(jīng)緯儀測(cè)量垂直度。

（3）組片構(gòu)架就位找正后，開(kāi)始安裝部件之間的連接梁。連接梁按從下至上的順序安裝，將爐體結(jié)構(gòu)連接成框。

（4）爐片應(yīng)安裝一件，找正一件，嚴(yán)禁在未找正的構(gòu)件上進(jìn)行下一工序的安裝工作。

（5）片之間找正、焊接，形成空間剛性單元后將墊鐵焊牢，并及時(shí)進(jìn)行二次灌漿。

（6）有地腳螺栓與混凝土基礎(chǔ)連接的構(gòu)架，均采用墊圈加雙螺母擰緊。

（7）用安裝螺栓進(jìn)行安裝的零部件須進(jìn)行密封焊接。

2.6.1.2輻射段鋼結(jié)構(gòu)安裝

（1）以框架底部1 m水平基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)鋼框架的標(biāo)高，以立柱上下兩端的心線為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)立柱的垂直度。

（2）輻射段鋼結(jié)構(gòu)安裝允許偏差如下(見(jiàn)圖4)：

圖4　輻射段鋼結(jié)構(gòu)安裝允許偏差測(cè)量

爐殼側(cè)墻框架鋼結(jié)構(gòu)立柱中心線與基礎(chǔ)中心線的偏差（T）應(yīng)小于3 mm，柱底板標(biāo)高偏差（H）不得大于2 mm。

爐殼側(cè)墻框架鋼結(jié)構(gòu)垂直度偏差（△）應(yīng)小于側(cè)墻板全長(zhǎng)的1/1000，且不得大于8 mm。

框架鋼結(jié)構(gòu)空間對(duì)角線之差（A與B）應(yīng)小于10 mm。

橫梁水平度允許偏差為L(zhǎng)/1000（L為橫梁長(zhǎng)度），且不大于5 mm。

爐底梁及爐底板水平度尺寸偏差不應(yīng)大于長(zhǎng)度的1/1000，且不大于5 mm。

輻射室長(zhǎng)度（C）允許偏差為±5 mm，寬度（D）允許偏差為±3 mm。

墻板表面平直度用1 m直尺檢查，平直度不應(yīng)大于5 mm。

（3）爐頂板的中心線要與輻射室中心線重合。爐頂板或底板上的管孔中心位置要以輻射段出口管中心為基準(zhǔn)找正。爐頂板安裝找正后，進(jìn)行密封焊接并用煤油進(jìn)行滲漏試驗(yàn)。

（4）相鄰兩爐殼側(cè)墻板間的橫梁與爐殼立柱的連接焊縫應(yīng)預(yù)留焊接的收縮余量，待爐殼各部位尺寸調(diào)整合格后施焊。

（5）輻射段框架找正后應(yīng)及時(shí)安裝平臺(tái)、欄桿、梯子等結(jié)構(gòu)，并完成全部焊接工作；需要預(yù)留而臨時(shí)用定位焊固定的部位，應(yīng)做出明顯的標(biāo)志。

（6）輻射室爐頂中心蓋板和不銹鋼密封蓋板應(yīng)在輻射段爐管安裝找正完畢、支承懸吊系統(tǒng)安裝初次調(diào)整完成后施工。

（7）爐墻板的吊裝順序?yàn)椋阂粋?cè)端墻→兩側(cè)側(cè)墻→爐底板→另一側(cè)端墻。吊車選用200 t汽車吊或160 t汽車吊進(jìn)行吊裝。

2.6.1.3對(duì)流段鋼結(jié)構(gòu)安裝

（1）輻射段鋼結(jié)構(gòu)安裝并找正后，進(jìn)行對(duì)流段鋼結(jié)構(gòu)的安裝。安裝標(biāo)高可通過(guò)在輻射段立柱頂面加薄鋼板來(lái)調(diào)整，找正后將連接面鋼板四周滿焊。

（2）對(duì)流段模塊吊裝，應(yīng)在吊裝前測(cè)量與對(duì)流段立柱連接的輻射段（過(guò)渡段）立柱的頂部標(biāo)高及縱向、橫向距離，并與對(duì)流段爐管支承鋼結(jié)構(gòu)的立柱縱向、橫向距離進(jìn)行校對(duì)。吊裝前應(yīng)按施工方案做好吊裝準(zhǔn)備工作，模塊應(yīng)用專用工具平衡梁進(jìn)行吊裝。每組模塊吊裝就位并找正合格后，應(yīng)及時(shí)安裝并固定與之相關(guān)聯(lián)的框架鋼結(jié)構(gòu)和集煙罩，然后再吊裝下組模塊。

（3）對(duì)流室每組模塊吊裝就位后，應(yīng)進(jìn)行下列檢查和調(diào)整：①檢查縱向和橫向水平度、立柱垂直度及每組模塊立柱頂部的間距；②調(diào)整各組爐管管端位置和尺寸，使其符合跨接管的安裝要求；③就位檢查合格后應(yīng)及時(shí)將模塊分界面處的連接螺栓緊固，若模塊分界面除螺栓連接外還有焊接要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)焊接。

（4）對(duì)流段鋼結(jié)構(gòu)和對(duì)流段模塊的安裝如圖5所示。

圖5　對(duì)流段鋼結(jié)構(gòu)和對(duì)流段模塊安裝

2.6.2爐管的安裝

（1）根據(jù)加熱爐總體施工方案，輻射室頂部將煙道的位置預(yù)留了出來(lái)，作為爐管進(jìn)爐的通道。每組爐管包括3根爐管、4組卡具，總質(zhì)量約為3 t。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，由于作業(yè)半徑較大，現(xiàn)場(chǎng)使用200 t汽車吊將爐管吊進(jìn)爐子里面。

（2）爐管進(jìn)爐之后，將爐管旋轉(zhuǎn)90°，按照順序靠在兩側(cè)事先搭好的腳手架上面，等每個(gè)爐膛的爐管進(jìn)爐完畢及集合管定好位置之后，用導(dǎo)鏈將爐管吊起，與集合管進(jìn)行組對(duì)焊接。

（3）由于爐管與集合管焊接接頭距爐頂高度只有320 mm高，接頭焊接操作不便，因此每根集合管先抬高一定高度，用40#工字鋼做臨時(shí)支架以保證焊接高度。待爐管與集合管焊接、檢測(cè)完畢，再用集合管上的吊桿將其調(diào)整到設(shè)計(jì)位置。

2.6.3頂部煙道的吊裝

根據(jù)圖紙，對(duì)流段頂部煙道分五段進(jìn)行模塊化吊裝。煙道在預(yù)制完畢后，在地面進(jìn)行襯里作業(yè)。每段煙道完成全部工作后，利用500 t履帶吊和200 t汽車吊進(jìn)行集中吊裝，以減少高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3　加熱爐模塊化安裝的優(yōu)勢(shì)及施工注意要點(diǎn)

因大部分結(jié)構(gòu)已于工廠預(yù)制成模塊，現(xiàn)場(chǎng)制作量大為減少。在制定方案前，現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員應(yīng)收集完整資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地情況，確定大型吊車的選型。本項(xiàng)目加熱爐模塊間的連接方式主要為螺栓等緊固件連接，采取積木式組對(duì)、安裝。加熱爐的模塊化安裝相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)建造模式，縮短了現(xiàn)場(chǎng)安裝工期，現(xiàn)場(chǎng)占用場(chǎng)地面積小，減少了起重機(jī)械臺(tái)班使用數(shù)量。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際施工進(jìn)度，從開(kāi)始進(jìn)行輻射室墻板的安裝，到完成四臺(tái)加熱爐全部施工，僅用了半年時(shí)間。過(guò)程中考慮到材料的影響因素，實(shí)際施工絕對(duì)工期在5個(gè)半月左右。與以前傳統(tǒng)的加熱爐施工模式相比，施工進(jìn)度得到較大優(yōu)化，保證了裝置的按期中交。

由于一般施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地都比較狹小，不可能堆放很多材料，因此在施工前應(yīng)排出詳細(xì)的施工計(jì)劃和模塊到場(chǎng)順序。在安裝過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員應(yīng)和廠家服務(wù)人員保持密切溝通，掌握各個(gè)模塊的到場(chǎng)時(shí)間，合理安排大型吊車的進(jìn)場(chǎng)，為降低施工成本提供準(zhǔn)確信息。

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化機(jī)制造

Application of Modular Construction Technology of Heating Furnace in Petrochemical Plant

Wu Yihui

Abstract：Heating furnace is a non-standard equipment with relatively high technical content and complex structure.Previously, the site construction mode is adopted domestically and its construction period is relatively long.In recent years, the modular construction technology, which is popular all over the word nowadays, has been introduced in some large-scale domestic petroleum and chemical projects.The modular manufacture and installation are discussed, and the modular construction process is elaborated.

Key words：Heating furnace; Modularization; Construction; Furnace tube; Furnace lining; Steel structure

(收稿日期：2015-05-29)

中圖分類號(hào)TQ 050.6

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.015