轉化爐的模塊設計、供貨與施工

易志勇，范建琳

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

轉化爐是大型合成氨、甲醇及制氫裝置中的關鍵設備之一，其原理是利用爐膛燃燒產(chǎn)生的高溫熱量，在一定壓力下，碳氫化合物(如天然氣)和高溫蒸汽在爐管內(nèi)鎳基催化劑的作用下產(chǎn)生氫氣、一氧化碳和二氧化碳。近些年，隨著單套化工裝置產(chǎn)量規(guī)模的擴大，轉化爐逐漸向大型化、規(guī)?；l(fā)展，而且由于設計理念的進步、工業(yè)爐廠家制造裝備水平的提高、吊裝運輸行業(yè)的發(fā)展和國內(nèi)外化工裝置趨向于在沿海建設的新特點，轉化爐的模塊化設計、供貨和施工已經(jīng)成為石化行業(yè)建設的熱點和新趨勢。

1 模塊化的優(yōu)勢

轉化爐內(nèi)爐膛操作溫度高達1 100℃左右，結構復雜，主要部件包括鋼結構、熱管系、燒嘴、煙風道、對流段模塊、空預器、風機、工藝管道、儀表電氣及耐火材料。金屬材料包括普通碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼以及鎳基高合金爐管、鑄件，非金屬材料包括澆注料、磚、纖維模塊、毯等，非金屬耐火材料還分為不同溫度等級，可見涉及材料類型、等級、規(guī)格之多?；谏鲜鎏攸c，導致轉化爐部件的材料采購、加工制造、現(xiàn)場安裝成為一項復雜、具有系統(tǒng)性的工作。

若按以往傳統(tǒng)的做法，除一些整裝部件和設備外，如對流段模塊、燒嘴，大部分爐墻板、鋼結構、煙風道及管道的預制工作都是在現(xiàn)場完成，這些材料的預制工作可能就需多花費5個月時間。而對于項目現(xiàn)場，受現(xiàn)場施工人員經(jīng)驗和水平、制造和加工機具條件及工作環(huán)境影響，花費的人力、機具成本肯定是要比制造廠高很多，此外還有為之耗費的時間成本。而部分模塊化或者完全模塊化，目的就是將現(xiàn)場的工作盡可能地轉移到工廠，減少現(xiàn)場施工預制和安裝工作量，縮短項目工期。

對于大型轉化爐，設計一般在4～6個月，制造工期12～14個月，現(xiàn)場安裝工期12～14個月，總工期約30個月。而且因為轉化爐的現(xiàn)場安裝部件、工序較多，一般都是現(xiàn)場最早開始、最晚結束安裝的設備，也往往成為控制整個現(xiàn)場施工周期的關鍵控制因素。若采用整爐供貨的完全模塊化方式，可以大幅減少現(xiàn)場安裝工作量，將制造和現(xiàn)場安裝的工期大幅壓縮至16個月以內(nèi)，總工期減至20個月左右，進而縮短整個項目建設周期，在控制項目綜合成本上優(yōu)勢明顯。此外，模塊化供貨可以減少項目現(xiàn)場高空作業(yè)量，降低安全風險，而且與現(xiàn)場相比，工廠制造水平、加工條件的優(yōu)勢，為設備的制造質(zhì)量也提供了很好的保證。某國外項目整爐運輸見圖1。

圖1 某國外項目整爐運輸

文獻[2]中對模塊化制造和非模塊化制造進行了詳細對比，文中作者也認為：工業(yè)爐的模塊化供貨與非模塊化相比，除了對于運輸條件和吊裝機具要求較高，在結構優(yōu)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短建設周期、減少安全隱患等方面有著明顯的優(yōu)勢。

2 模塊化設計和制造

2.1 模塊化的類型

根據(jù)轉化爐的預制程度，通常可以分為非模塊化、部分模塊化和完全模塊化3類。3種供貨形式的技術特點對比見表1。

表1 轉化爐模塊化技術特點對比

以上只是通常意義上的劃分，因每個項目現(xiàn)場的制造、施工條件不同，工廠至現(xiàn)場的運輸條件不同，以及總包方采購要求的差別，模塊化程度都會有所不同，實際上并無絕對意義上的模塊化類別的區(qū)分?？傮w而言，模塊化設計理念主要是以運輸條件作為前提，根據(jù)業(yè)主要求和現(xiàn)場實際條件確定模塊化供貨的總體思路，再由加熱爐承包商(一般是專業(yè)工業(yè)爐設計公司)開展模塊化設計，采用三維建模軟件Advance Steel，TEKLA STRUCTURES 和SOLIDWORKS等進行建模、模塊劃分、組模，然后交由制造單位完成詳細設計和產(chǎn)品加工。

2.2 模塊化設計和供貨涉及的問題2.2.1 運輸和吊裝條件限制

隨著裝置規(guī)模的大型化，模塊化程度越高，轉化爐整體尺寸就會更大。在多數(shù)情況下，如果存在內(nèi)陸運輸，一般完全模塊化是無法實現(xiàn)的，只能根據(jù)道路的運輸限制尺寸，各部件在工廠以最大尺寸預制，再以部分模塊化的形式供貨。然而近年來，為適應完全模塊化供貨的需求，很多工業(yè)爐廠家開始將部件組裝工作放到碼頭，各部件在工廠預制發(fā)到碼頭后，再將爐子組裝成整體，然后整體滾裝上船，海運至項目現(xiàn)場。有的廠家甚至干脆在碼頭新建制造和組裝一體化工廠，避免二次倒運，進一步提高了模塊化供貨效率。

但是，整體模塊化因尺寸、質(zhì)量非常大(達千噸以上)，采用吊車吊裝幾乎是無法實現(xiàn)的。通常的做法是利用導軌將整爐滾裝到運輸船上，到達項目現(xiàn)場后也需要準備專門的導軌，滾動到基礎柱上，頂升定位，最后落位安裝。

2.2.2 臨時加固措施

模塊尺寸越大，運輸和安裝過程中的穩(wěn)定性就越差。如果控制不好，就可能導致爐體的變形，從而導致內(nèi)部已施工的襯里拉裂、破損。因此，在模塊強度設計階段，就應在模塊內(nèi)部采取增加臨時加固的措施，比如在爐內(nèi)和煙風道內(nèi)部增加頂撐、外部壁板增加加強型鋼、對流段模塊內(nèi)部增加拉桿，都是切實可行的措施。對于對流段重型模塊，一般都會設計專門的吊裝框架或者加強框架，并采用平衡梁吊裝，以避免模塊吊裝過程中的變形。但需要注意的是，所有可能影響爐體正常運行的臨時加強部件，都需要開車前移除。

2.2.3 澆注料預烘爐

如果澆注料在運輸前施工完成，或運輸時間較長，特別是對于海運襯里模塊，由于澆注料在烘爐前強度較低(只能達到標準強度的60%左右)，容易在運輸途中擠壓、振動損壞，而且因為內(nèi)部的游離水分未脫除，若在現(xiàn)場長時間放置，在潮濕環(huán)境中也容易出現(xiàn)“返堿”現(xiàn)象，此時澆注料表面會逐漸粉化、起皮，由里及外產(chǎn)生破壞(見圖2)。因此，對于在工廠施工的澆注料，一般都需要在工廠進行預烘爐，最起碼將澆注料中游離水脫除，以保證運輸和吊裝中強度，避免襯里損壞。

圖2 澆注料表面現(xiàn)象

2.2.4 模塊工廠預組裝

模塊化的安裝最主要的就是要保證模塊間的連接尺寸，多數(shù)模塊間都是采用螺栓連接，如果尺寸控制不好，安裝過程中很容易出現(xiàn)錯孔、錯邊現(xiàn)象，現(xiàn)場很多時候就需要在高空處進行整改，極為麻煩，更影響安裝質(zhì)量。因此模塊的預組裝是出廠前一道非常重要的檢驗，可以直接反映出模塊間的連接情況，如果存在連接面的不匹配、螺栓錯孔現(xiàn)象，在工廠就可以修改完成。如果工廠空間或吊裝條件不具備，有時候也會采用法蘭面配鉆的方法來保證連接匹配尺寸。輻射段墻板工廠預組裝見圖3。

3 模塊化的現(xiàn)場施工

完全模塊化雖然在制造質(zhì)量、進度和安裝便利上具有巨大的優(yōu)勢，但因存在較多限制，部分模塊化仍是目前轉化爐供貨的主流。中國五環(huán)工程有限公司負責總承包的幾個國外合成氨裝置大型轉化爐項目，都是采用部分模塊化供貨的方式，在模塊化模塊部件供貨和現(xiàn)場模塊安裝施工中積累了豐富的經(jīng)驗，對安裝順序進行科學合理的安排，以提高安裝效率，加快安裝進度。

3.1 現(xiàn)場模塊化

模塊化的供貨尺寸受限于運輸條件，而對現(xiàn)場安裝而言，一般只受吊裝機具能力的影響。因此，供貨到現(xiàn)場的很多部件都可以在地面進一步模塊化組裝。如風道、鋼結構、梯子平臺，都可以在地面進一步組裝后再整體吊裝，減少了高空安裝作業(yè)風險，安裝時間也能大幅壓縮。但需要注意的是，吊耳的設計一般只為單模塊設計，多模塊組裝后，吊裝需要對吊耳的強度進行重新核算，保證吊裝安全。

3.2 重型模塊的吊裝

轉化爐的重型模塊主要包括對流段模塊和煙道(含澆注料)，一般在項目現(xiàn)場都會被列為大件吊裝的范疇，需要制定專項的吊裝方案進行指導。因模塊內(nèi)部已澆筑襯里，如果襯里在現(xiàn)場施工，必須等澆注料養(yǎng)護結束且達到一定強度后(至少3d)才能吊裝，且嚴格遵照廠家設計要求，設置臨時支撐、采用平衡梁吊裝。

3.3 分區(qū)域模塊化安裝

轉化爐按區(qū)域一般可劃分為輻射段、過渡段、對流段、煙囪、風機及地面天然氣分配區(qū)域。輻射段的施工時間最長，一般最早開始，但實際上各區(qū)域的安裝相互影響不大，如有充足的人力及空間作業(yè)，各區(qū)域可以同時施工或交叉作業(yè)，但總體安裝上還是要求由下到上、由外到里、由整體到局部，這對材料的供貨就提出了要求，必須按照安裝的順序要求廠家分批、按順序交貨，避免急需的材料不到、到貨的材料無法安裝的情況。

3.4 模塊化的尺寸控制

模塊化雖然為安裝提供了便利，但如果模塊本身尺寸或者與其他部件的連接尺寸未有效控制，就有可能出現(xiàn)“局部錯，全部錯”的情況。因此，在工廠制造過程中一定要控制好模塊的連接尺寸偏差，如與膨脹節(jié)安裝間距、燒嘴安裝所需空間尺寸。安裝過程中注意檢查裝配尺寸，不合要求及時整改。爐膛、對流塔安裝完成后，應對整體尺寸、水平度、垂直度進行驗收，確保滿足設計文件要求。

3.5 模塊化的接縫與密封

模塊組裝除了要保證螺栓連接強度，連接面的密封性也同樣重要。連接面的密封分為兩層：墻板法蘭面的密封和內(nèi)部襯里隔熱密封。墻板法蘭面有多種形式，輻射段對流段一般采用內(nèi)部密封焊的形式，對流段模塊和煙道模塊一般采用涂刷瀝青漆或陶瓷纖維繩密封，內(nèi)部澆注料一般采用陶瓷纖維毯壓縮密封。

4 結語

石油化工裝置沿海布局的新趨勢、工業(yè)爐廠家制造能力的快速提升以及設計理念的更新，都為轉化爐模塊化供貨的發(fā)展提供了有利條件。近兩年，隨著國內(nèi)幾個民營煉化企業(yè)投資的超大型煉化一體化產(chǎn)業(yè)的落地以及國外項目模塊化供貨需求的增加，國內(nèi)多個工業(yè)爐廠家都有了整體模塊供貨的國內(nèi)外業(yè)績，模塊化的供貨模式已得到充分的驗證和認可。但石油化工項目的布局和需求是多元化的，實際上完全模塊化的基礎還是部分模塊化，在項目的實際執(zhí)行中，轉化爐的設計和供貨應因地制宜，注意解決模塊化制造和施工過程中出現(xiàn)的新問題，為進一步保證項目質(zhì)量、控制項目成本、加快項目建設進度提供保障。