大型圓筒加熱爐模塊的異地安裝技術(shù)

陳孫藝

（茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名 525024）

大型圓筒加熱爐模塊的異地安裝技術(shù)

陳孫藝

（茂名重力石化機械制造有限公司，廣東茂名 525024）

為促進煉油化工大型加熱爐整體模塊化建造技術(shù)發(fā)展，針對圓筒爐輻射段結(jié)構(gòu)特點，綜述了圓筒加熱爐裝運方式的準備，模塊、盤管及輻射段整體的裝運，以及現(xiàn)場吊裝。提出了質(zhì)量管理注意事項，總結(jié)大型圓筒爐模塊化建造主要步驟是制造廠的選擇、模塊裝運方案和模塊分割方案，最后建議編制石油化工圓筒爐行業(yè)標準。

圓筒爐； 模塊運輸； 包裝； 安裝； 模塊化結(jié)構(gòu)； 加熱爐

石油化工圓筒加熱爐一般是立式結(jié)構(gòu)，從下往上主要包括爐底及燃燒器、圓筒形輻射室、箱式對流室、煙囪等幾部分結(jié)構(gòu)組成，由于其占地面積小，結(jié)構(gòu)簡單，在煉化企業(yè)加熱爐總數(shù)中占有過半的比例。對于熱負荷小于1 MW 時，宜選用純輻射圓筒爐[1]，純輻射圓筒爐也可再分為爐膛內(nèi)是否帶反射錐的。有一定熱負荷的圓筒爐，其對流段吸收的熱量比例越大，全爐的熱效率就越高。有較大熱負荷的圓筒爐還可判定是否應(yīng)該在煙囪上通過進出口連接空氣預(yù)熱器，文[2]分析了空氣預(yù)熱對立式圓筒型加熱爐熱效率的影響，案例結(jié)果表明，在某一空氣預(yù)熱溫度上限內(nèi)，爐膛內(nèi)平均溫度隨著空氣預(yù)熱溫度的增加而升高。

圓筒爐對流段的模塊化建造與箱式加熱爐的模塊化建造是相同的，輻射段的模塊化建造則有區(qū)別。文[3，4]分別介紹了按傳統(tǒng)制造工藝在工地現(xiàn)場組焊圓筒型加熱爐的網(wǎng)狀骨架覆板法和升降平臺法，沒涉及模塊化建造，約10年后，文[5]按創(chuàng)新的模塊化對圓筒型加熱爐分模方法及連接節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計進行總結(jié)，并指出了包括模塊變形的6點問題，文[6，7]綜述了大型圓筒型加熱爐的模塊化建造技術(shù)，但是上述報道都沒提及模塊的包裝運輸，缺少實物圖例。初步分析圓筒爐輻射段結(jié)構(gòu)特點，一是同一個項目中的大型圓筒爐在不同的廠家制造時，由于模塊運輸條件的區(qū)別而使其建造過程有所變化，二是輻射段分割后的模塊帶有圓弧段結(jié)構(gòu)，不像箱式爐輻射段分割后的模塊那樣平整。由此可見，圓筒爐模塊化建造過程特別是其中的裝運和安裝具有一定的工程特性，有關(guān)的技術(shù)實踐值得總結(jié)。

1 裝運方式的準備

1.1 小圓筒爐的準備

1.1.1 技術(shù)方案

無論是臥式還是立式圓筒爐，受制于熱效率等因素限定了其高度與直徑的關(guān)系，其直徑如果在道路交通許可的4.2 m寬度或高度運輸尺寸內(nèi)時，一般不會超重，因此圓筒爐整體臥式裝運是裝運的首選，其本體及襯里可以在制造廠進行制造、組裝；爐管可以在制造廠進行焊接、探傷及試壓；燃燒器、儀表等也可以在制造廠進行安裝、校驗、調(diào)試。供貨到現(xiàn)場后，只需要對其進行吊裝、固定即可。

1.1.2 關(guān)鍵工藝

圓筒爐爐殼的制造包括柱梁框架的制造和墻殼板的制造及兩者的組焊，這與壓力容器圓筒體的制造有很大的不同。雖然弧形梁或板都依靠滾壓成形，但是型鋼梁的滾壓成形可在專用機械而不用卷板機，爐殼弧形面板屬于薄板，其卷板是在一次成形中盡量達到與柱梁框架的貼合，非貼合間隙通過強制組合完成，而不需要像壓力容器圓筒體一樣再校圓。因此，爐殼弧形模塊帶有復(fù)雜的組焊殘余應(yīng)力，應(yīng)力釋放引起的變形一般通過局部火焰加熱來調(diào)整。

帶澆注襯里的圓筒爐輻射段整體結(jié)構(gòu)見圖1至圖3，為預(yù)防吊運過程導(dǎo)致爐體變形、襯里開裂，采用如下對策：在圖1襯里后將吊掛盤管安裝就位并進行加固定位，使其和爐體在剛性上形成一體；分別按圖2和圖3組裝爐頂板和爐底板，以進一步提高爐體端部的剛性。圖2爐頂板上還設(shè)計頂梁，頂梁兩端設(shè)置了安裝起吊用的吊耳。圖4是圓筒爐吊掛盤管的環(huán)管型集箱，進行預(yù)組裝檢驗。

圖1 輻射段爐墻Fig.1 Wall of radiant section

圖2 輻射段爐頂Fig.2 Top of radiant section

圖3 輻射段爐底Fig.3 Bottom of radiant section

圖4 環(huán)管集箱預(yù)組裝Fig.4 Per-assembly of ring-type manifold

1.1.3 專用工裝

圓筒爐吊掛盤管預(yù)制焊接的工裝有多種，文[8]比較了傳統(tǒng)的半圓形組對胎模和改進后的整圓形組對胎模，指出改進優(yōu)點：人工即可轉(zhuǎn)動環(huán)形胎具及胎具上的盤管，不需要長時間占用吊車組裝；轉(zhuǎn)動環(huán)形胎具，可以把仰焊等難度較大的焊接位置轉(zhuǎn)化為方便焊接的位置，人機協(xié)調(diào)性好，提高焊接質(zhì)量；整圓形組對胎具預(yù)制的盤管形位尺寸誤差??；改進后的工裝由環(huán)形爐管支架、轉(zhuǎn)軸、爐管固定圈等組成，均可拆卸并反復(fù)使用。要注意的是，設(shè)計胎具中應(yīng)對其支承盤管重量的防變形強度進行必要的計算。圓筒爐螺旋盤管預(yù)制焊接的工裝也可參照該工裝的原理設(shè)計制造。

1.2 大圓筒爐的準備

1.2.1 技術(shù)方案

無論圓筒輻射室有多高，一般不從高度中間的水平方向設(shè)置分模斷面，有時為了達到某種目的，需要在特殊位置進行劃分。如四川某大型項目中的一臺圓筒爐，在爐管穿出的位置將輻射室分成上、下兩個模塊，便于爐管在現(xiàn)場的吊裝。對于直徑超出設(shè)備運輸極限的，可以將其設(shè)計成沿圓周方向等分的模塊形式，其分片預(yù)制方法是根據(jù)輻射室立柱數(shù)量和立柱間距，在垂直方向上設(shè)置分模斷面。

1.2.2 爐底預(yù)組裝

高聳設(shè)備的安裝不是傳統(tǒng)制造廠擅長的業(yè)務(wù)，預(yù)組裝要有相應(yīng)的安全防護和專業(yè)的檢測儀表。圖5是爐底的預(yù)組裝，圖6是爐底板的預(yù)組裝。

圖6 爐底板預(yù)組裝Fig.6 Per-assembly of furnace bottom plate

1.2.3 爐墻預(yù)組裝

圖7和圖8分別是大圓筒爐模塊在制造廠的臥式和立式預(yù)組裝過程，臥式預(yù)組裝較立式預(yù)組裝具有多種優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用，首先是高空作業(yè)少而操作更安全，其次是可在室內(nèi)生產(chǎn)和檢驗，便于施工保證質(zhì)量，還可以利用橋式吊車，免去汽車吊車和高空作業(yè)架，節(jié)約成本。實踐表明，兩種方法都能較好地檢驗?zāi)K之間連接尺寸的精度。圖9是大圓筒爐爐頂板對半分開的兩件模塊，底面相向靠在一起。爐頂板的隔熱襯里材料既可用陶纖，也可用澆注料或兩者的組合，視直徑大小及溫度等參數(shù)而定。

圖7 模塊臥式預(yù)組裝Fig.7 Per-assembly of modules in horizontal-type

圖8 模塊立式預(yù)組裝Fig.8 Per-assembly of modules in vertical-type

圖9 爐頂板對半分模Fig.9 Folio top-plate of furnace

2 圓筒爐的裝運

2.1 圓筒爐墻模塊的裝運

圖10中爐墻弧段模塊的包裝架是通過中間橫梁分層的，這種包裝的模塊都可以在內(nèi)表面組焊好爪釘，但是每層占用的空間高度較多，且只有弧段模塊中間一個部位的外拱承受到支承。圖11中爐墻弧段模塊的包裝架沒有中間橫梁，其分層通過兩邊立柱內(nèi)側(cè)焊接的斜伸短臂實現(xiàn)，這種包裝的上層與下層共用了部分空間，從而節(jié)省了總的空間高度，且可使弧段模塊兩邊都受到支承，則多了一個受力支撐點，受力點的載荷少了一半，更有效地預(yù)防支撐點變形，但是模塊內(nèi)表面可能不宜預(yù)先組焊爪釘，以免被上一層模塊碰撞。

把兩種方案結(jié)合起來，當(dāng)然是更優(yōu)化的包裝。這兩種方案都是下凹式包裝，模塊內(nèi)表面向上，如果把模塊上下倒過來變成上凸式包裝，則模塊外表面向上的梁柱容易積存灰塵和雨水，因此都應(yīng)適當(dāng)遮蓋保護。

圖10 爐墻模塊凹包裝1Fig.10 No.1 of concave parking of wall modules

圖11 爐墻模塊凹包裝2Fig.11 No.2 of concave parking of wall modules

圖12的圓筒爐墻模塊采用了散件混堆裝運方式，即便每件上下之件的間隙墊實牢固，也不推薦這樣長距離運輸。

圖12 爐墻模塊的混堆裝運Fig.12 Bulk parking of wall modules

圖13 螺旋盤管包裝Fig.13 Parking of coil tube

2.2 圓筒爐盤管的裝運

2.2.1 圓筒爐螺旋盤管的包裝

圖13是圓筒爐輻射段螺旋盤管的一件模塊，其定位立柱就被設(shè)計成盤管的組成構(gòu)件，只需要在立柱頂部設(shè)置螺栓孔，各立柱之間安裝支撐桿，就可以對立柱之間進行定位加固，并通過立柱頂部起吊盤管。

如果盤管的盤旋直徑較大，只能在立柱某高度處將盤管上下分段，而無法在盤管的圓周方向上進行弧長分段。

2.2.2 吊掛盤管的包裝

吊掛盤管整體由若干個流程的掛片組合而成時，可以把若干件疊裝在一起包裝，見圖14?，F(xiàn)場安裝時先把盤管垂直吊起，再割除夾持件，即可把盤管掛到爐墻的掛鉤上。如果把文[8]改進后的整圓形胎模進一步改進，其結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的兩個半圓形胎?；騨個（360 / n）°的圓弧段胎模組合而成，則盤管預(yù)制完成后可將整圓形胎模拆開成兩件或n件帶有盤管模塊的分胎模，把胎模作為盤管的包裝運輸架使用。

圖14 吊掛盤管分組包裝Fig.14 Grouping parking of hang-coil tube

圖15 吊掛盤管整體包裝Fig.15 Integer parking of hang-coil tube

如果盤管的圍閉直徑較小，也可以在包裝架上把盤管組裝成圖15的整圓，并在端部設(shè)置防竄動及防碰撞的環(huán)形擋板。當(dāng)然，輻射段吊掛盤管最佳的裝運是與圓筒爐墻殼一體化組裝后一起運輸，

吊掛盤管組焊中要注意對管口的保護，防止異物遺留在盤管內(nèi)，因為欲把異物從盤管內(nèi)取出來是十分困難的事。

2.3 圓筒爐輻射段整體裝運

小圓筒爐輻射段整體公路裝運見圖16，水運裝運見圖17，大圓筒爐整體裝運不受水路限制，但是應(yīng)盡量裝載在船艙內(nèi)，避免裝載在甲板上。如果高度允許都應(yīng)設(shè)置運輸鞍座，保持爐體穩(wěn)定，分散爐體的受力；在爐體表面做出設(shè)備重心和纜索掛靠位置標記。

圖16 輻射段裝車Fig.16 Transportation of radiant section

圖17 輻射段裝船F(xiàn)ig.17 Shipping of radiant section

3 圓筒爐安裝

3.1 準備工作

基礎(chǔ)方面包括對圖18安裝基礎(chǔ)的檢測，在基礎(chǔ)上設(shè)置調(diào)整高度的墊鐵，圖19所示。圓筒爐方面包括加熱爐模塊在現(xiàn)場的二次模塊化組裝，安裝的方位標志、就位后的對中線及模塊部件的重心，等等。

3.2 現(xiàn)場吊裝

按圖20整體吊裝小圓筒爐，或逐一吊裝大圓筒爐的每一片模塊，經(jīng)過結(jié)構(gòu)形位尺寸調(diào)整，檢測合格后上緊模塊分模面之間的連接螺栓和爐底立柱的地腳螺栓。然后組焊圖21的下部平臺、圖22的上部平臺或圖23的環(huán)管集箱以及扶梯等。

圖18 安裝基礎(chǔ)檢測Fig.18 Check the basic plane for setting

圖19 安裝基礎(chǔ)調(diào)整Fig.19 Adjust the groundwork of setting

圖20 輻射段整體吊裝Fig.20 Integral lifting of radiant section

圖21 下部平臺組裝Fig.21 Installion of platform at bottom

圖22 上部平臺組裝Fig.22 Installation of top platform

圖23 環(huán)管集箱Fig.23 Ring type manifold

3.3 襯里及內(nèi)件安裝

如果現(xiàn)場吊裝的只是墻殼，還沒有襯里及盤管，則小圓筒爐可按圖24在中間搭建內(nèi)部腳手架及施工平臺，大圓筒爐可按圖25貼近內(nèi)壁搭建腳手架及施工平臺，在此基礎(chǔ)上焊接分模面的對接縫使爐殼達到密封。

圖24 小爐內(nèi)部施工臺架Fig.24 Construction frame inside small furnace

圖25 大爐內(nèi)部施工臺架Fig.25 Construction frame inside large furnace

有了內(nèi)外平臺，可以徹磚襯里、澆注襯里或鋪設(shè)陶纖襯里并對其表面進行防護噴涂，或者對分模面的對接縫處進行二次澆注。在輻射段盤管安裝過程中應(yīng)對襯里表面進行遮蓋保護，避免雨水或焊接飛濺損傷襯里，見圖26。盤管和爐頂蓋等安裝后，再次檢測主要尺寸，完成輻射段安裝。

3.4 二次灌漿及附件吊裝

在輻射段的基礎(chǔ)上安裝過渡段和對流段模塊，經(jīng)檢測合格后才對圖27的立柱腳安裝螺栓進行圖28的二次灌漿。最后吊裝煙囪、轉(zhuǎn)油線等附件，見圖29。

圖26 襯里保護Fig.26 Protection of lining

圖27 基礎(chǔ)二次灌漿前Fig.27 Before secondary grouting of base

圖28 基礎(chǔ)二次灌漿后Fig.28 After secondary grouting of base

圖29 煙囪吊裝Fig.29 Lifting of stack

3.5 現(xiàn)場質(zhì)量管理

為了充分發(fā)揮圓筒爐結(jié)構(gòu)簡單和節(jié)省投資等優(yōu)點，克服裝置大型化后中間閑置空間過大的缺點而產(chǎn)生了雙室圓筒爐，即由兩個圓筒形輻射室共用一個對流室構(gòu)成的爐型[1]。該爐型的過渡段結(jié)構(gòu)也橫跨兩個圓筒形輻射室，相對較長而容易在裝運中產(chǎn)生變形，但是過渡段又是對流段的安裝基礎(chǔ)，因此應(yīng)注意加強保護。文[7]的經(jīng)驗表明，如果弧形構(gòu)件的弧度偏差較大，現(xiàn)場調(diào)整難度大。需根據(jù)SH 3086《石油化工管式爐鋼結(jié)構(gòu)工程及部件安裝技術(shù)條件》和表1對弧形模塊及其預(yù)制效果進行檢測。

表1 模塊鋼構(gòu)的關(guān)鍵尺寸Tab.1 Key size of steel structure module

其他一些注意事項，如：

（1）輻射段盤管與圓筒爐墻殼組裝運輸時，應(yīng)對盤管等內(nèi)件加固，運輸?shù)焦さ睾?，?yīng)檢查并在必要時拆卸加固件。

（2）分模面的對接焊縫在現(xiàn)場焊接后應(yīng)經(jīng)煤油滲透檢驗其密封性。

（3）準備好遮蓋物，防止模塊安裝后的隔熱襯里被雨雪淋濕。

（4）檢測輻射段吊掛盤管的支承端和自由端。盤管上部的支承端應(yīng)與各掛鉤充分接觸，避免各掛鉤負載不均衡，以免出現(xiàn)文[9]的輻射室爐管超溫脫掛和倒塌，其原因一是停電同時停蒸汽，爐管不能注汽超溫線膨脹量超過預(yù)留允許膨脹量，二是設(shè)計缺陷。

下部的自由端距離加熱爐底部距離如果較小，爐管受熱應(yīng)力影響伸長量比較大，則自由端可能與爐底接觸，從而產(chǎn)生一個反向約束力，也會引起爐管彎曲[10]。

（5）爐體分模塊建造時，油漆面漆盡量在安裝現(xiàn)場吊裝前涂刷，安裝后期再對個別部位補漆。在制造廠，只對模塊構(gòu)件刷好底漆及中間漆，在涂漆前，應(yīng)在室內(nèi)對鋼構(gòu)表面噴砂除銹，見圖30和圖31。

4 結(jié)束語

圓筒加熱爐不屬于壓力容器，也由于其熱負荷相對小，一般不包含屬于鍋爐管理范疇的蒸汽盤管，因此其設(shè)備專業(yè)的設(shè)計制造主要以鋼結(jié)構(gòu)為主，沒有絕對統(tǒng)一或相對固定的技術(shù)路線，沒有相關(guān)標準，只有SH 3086標準中的一節(jié)提及圓筒爐底和圓筒的預(yù)制造結(jié)構(gòu)偏差控制要求，容易被業(yè)內(nèi)輕視。根據(jù)目前的工程實踐，作者認為有必要綜合制造廠經(jīng)過應(yīng)用檢驗的有關(guān)企業(yè)標準補充到工程公司的技術(shù)規(guī)程中，編制成為《石油化工圓筒爐》行業(yè)標準。總結(jié)大型圓筒爐模塊化建造的三個主要的基本步驟：

制造廠的選擇。不同的制造廠對同一圓筒爐的模塊化建造的潛在能力可以有明顯的差異，反映在可支配資源、實施手段、設(shè)備質(zhì)量、項目周期和工程成本等方面，業(yè)主可據(jù)以選擇其中綜合能力最佳的制造廠。

圖30 室內(nèi)弧墻板噴砂除銹Fig.30 Sand blast for descaling of arc-wall plate inside door

圖31 室外弧墻板噴砂除銹Fig.31 Sand blast for descaling of arc-wall plate outside door

模塊裝運方案。制造廠以工序流程中間的裝運條件作為工程指引制定各專業(yè)技術(shù)方案，首先決定其結(jié)構(gòu)設(shè)計中的模塊分割，再決定其結(jié)構(gòu)制造、預(yù)組裝及運輸?shù)陌b方式，最后也決定其結(jié)構(gòu)安裝，業(yè)主可結(jié)合工地條件審查各方案的合理性。

模塊分割方案。模塊分割還進一步?jīng)Q定預(yù)制深度及制造廠和裝置現(xiàn)場兩大施工場所的作業(yè)內(nèi)容，反之，制造廠及其預(yù)制能力對模塊分割方案也有影響，專業(yè)化生產(chǎn)有利于提高工程質(zhì)量。

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Techniques Used in Installation of Large Cylindrical Heating Furnace

Chen Sunyi
（The Challenge Petrochemical Machinery Corporation of Maoming Maoming 525024）

In this article, with respect to the features in the structure of cylindrical radiant segment in cylindrical furnace, the shipping preparation, integral loading and shipping of modules, convection coils and radiant section and field erection were summed up. Some attention items relevant to the quality management were provided. The key steps for modules construction of large-scale cylindrical furnace, including the selection of furnace manufacture, module transportation plan and module splitting plan, were summarized. Finally, it was to propose to establish industrial standard for the cylindrical furnace used in petrochemical industry.

cylindrical furnace; shipping of modules; packaging; erection; modularized structure; furnace

TQ 052.6

A

2095-817X（2016）06-0043-007

2016-01-08

陳孫藝（1965—），男，教授級高級工程師，工學(xué)博士，從事承壓設(shè)備及管件的設(shè)計開發(fā)、制造工藝、失效分析及技術(shù)管理。