大型可拼裝、可拆卸、大小可調、重復利用式熱處理裝置的研制

盧 嬌，張家新，董 元

(中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052)

石化工程中的大型塔器和容器體積、尺寸龐大，遠遠超過了鐵路、道路、水路運輸能力的極限，無法在制造廠將容器整體制造好再后運至現(xiàn)場，往往需將各個部分運至現(xiàn)場后，再在安裝現(xiàn)場焊接成型。且大型容器各個部分焊接時，縱、環(huán)焊縫、各管孔連接焊縫、內結焊縫數(shù)量多、結構復雜，以往采用局部包裹加熱的熱處理方式[1-2]不能保證熱處理的質量，且工序多，處理時間長，工作量大，很難很好地實現(xiàn)熱處理目的。隨著對高端制造技術的需求不斷提高，大型容器在現(xiàn)場進行整體熱處理或分段整體熱處理的要求也因而日益迫切。為此，特提出研制大型可拼裝、可拆卸、大小可調重復利用式熱處理裝置。

1 方 案

(1)由于設備的超大特性，為減少現(xiàn)場工作量和縮短施工周期，將爐體結構模塊化，即將爐體設計成由一定模數(shù)的大板塊結構組裝成型；爐體由一定模數(shù)的大板塊拼接成型，數(shù)量在80～460塊，可快速拼裝和拆卸。

(2)相鄰板塊間由專用夾具連接。

(3)爐蓋采用拼裝結構，由不同組塊通過螺栓連接。

(4)燒嘴可根據(jù)爐體的大小按圓周方向、高度方向設置多個、多層燃燒器，每層燒嘴根據(jù)爐體的形狀按切線方向。最下3層采用高速燒嘴，攪拌爐內氣流，高速燒嘴沿切線布置。其他層燒嘴采用槍式一體化燒嘴，簡化管路系統(tǒng)。

(5)待熱處理工藝結束后，可將熱處理裝置就地拆除。由于爐體模塊采用拼裝結構，拆除方便。拆除下來的模塊可根據(jù)待處理的工件外形尺寸以及工藝需要組裝成其他規(guī)格的熱處理爐裝置，實現(xiàn)重復利用。

2 爐體結構模塊化

本熱處理裝置屬于超大直徑設備，如果采用弧形板塊拼接成型，則彎板工程量大，工期長，成本高，因而考慮將爐體做成由直邊形板塊組裝成底面近似圓形的正多邊形的正棱柱，以省去工程中的彎板工作量進而縮短工期。且與弧形板塊相比，采用直邊形板塊占地面積小，運輸成本也可降低。

另外，考慮到本熱處理爐的可重復利用的功能，將爐體結構模塊化，即將爐體做成若干個結構基本統(tǒng)一的大板塊的拼接體，不同數(shù)量的模塊可拼接成不同大小的爐體規(guī)格。容器現(xiàn)場熱處理工藝結束后，可將爐體拆下后運至其他現(xiàn)場，先根據(jù)待熱處理的工件大小確定爐體規(guī)格，再確定爐體模塊數(shù)，再將這些確定需要的模塊重新拼裝成形。

考慮到制作、安裝和常規(guī)運輸?shù)奶攸c，將單元塊做成寬2 m和高3 m、寬2 m和高1 m兩種規(guī)格。這些大板塊按照一定模數(shù)，可拼裝成類似直徑10～20 m的爐型。

爐體模數(shù)計算如下：

已知要求爐體直徑d，可得出所需的模塊數(shù)

n=d×3.14159/w

式中：w為模塊寬度，m。

模塊數(shù)取整后，可得出該數(shù)量模塊拼接成型后爐內內切圓直徑即近似的圓形爐體直徑。

d=w/tan(3.141 59/n)-0.36

具體結果見表1。

表1 不同直徑的爐型的模數(shù)

根據(jù)某公司提供的工件外形圖，工件最大直徑為18.5 m，最大高度為14.4 m，擬建一臺直徑20 m，高度16 m的熱處理裝置。綜合考慮制造、運輸、安裝等多方面的因素，爐體高度方向分6層，由5層3 m，1層1 m構成，每層均由32個2 m寬的大板塊拼裝而成，效果圖見圖1。

3 爐體大板塊快速拼接

對本熱處理裝置，大板塊數(shù)量近200個之多，板塊間的拼接是其關鍵技術之一。由于爐體的可重復利用性及爐體直徑的變化性，相鄰板塊間的夾角隨直徑的變化而變化，同一套夾具需要能夠用于不同夾具的板塊之間的夾緊。

為適應不同的夾緊角度，通過對板塊夾緊過程的受力分析、計算機三維模擬和多種受力情況下的強度計算，特設計了一種板塊夾緊專用夾具(見圖2、圖3)。通過夾在板塊之際楔形塊和配套墊片的配合，使板塊間的夾角可調，因而實現(xiàn)熱處理爐裝置整體外徑可調。

為檢驗理論設計的合理性和準確性，特對板塊的夾緊進行工廠試驗測試。特委托合作廠家生產(chǎn)多個2 m寬3 m高的大板塊和用夾具，并在其廠內進行測試，見圖4。

通過現(xiàn)場的多次試驗和對比，設計的專用夾具強度完全符合實際需要并有很大富余，且安裝、拆卸方便快捷，與常規(guī)的安裝形式相比可大大減少現(xiàn)場的人工和安裝工作量。此拼接結構可行。

4 超大型爐蓋拼接結構

本熱處理爐爐蓋屬超大直徑爐蓋，本身強度要求非常高。爐蓋受力情況復雜，爐蓋起吊時兩端懸臂的簡支受力和爐蓋覆蓋在爐體上時的簡支梁受力情況，兩種工況受力情況完全不同，這對爐蓋的設計提出了非常高度的要求。難度更高的是，為適應道路運輸?shù)囊?，又需將爐蓋做成板塊拼接結構。整體設計難度非常大。經(jīng)過多次討論和研究，最后決定爐蓋的設計如下：爐蓋分爐蓋本體和鋼結構兩部分；本體剖分成多塊大小相同的扇形組件，每塊扇形組件又由多塊小組塊組成，每個組塊之間由螺栓連接；爐蓋鋼結構采用桁架結構，同樣由多個組塊拼接而成，每個組塊之間同樣由螺栓連接。通過理論計算和分析，爐蓋鋼結構具體見圖5。

同樣的，可以根據(jù)待處理的工件大小，將爐蓋本體和鋼結構拼接成所需的大小，實現(xiàn)多次重復利用。

圖5 爐蓋鋼結構組塊圖

5 高速燒嘴改造

為避免火焰直接沖刷工件表面，燒嘴噴出的火焰和熱氣流不能直接沖刷工件表面。國內現(xiàn)有的燒嘴均采用直沖式，并不適用。因而需將高速燒嘴的出口改成帶一定角度的彎頭形式。

通過計算機模擬和現(xiàn)場測試，最終確定了彎頭形式，并委托廠家進行制作和測試。燒嘴改制完成后進行性能測試，見圖6。

圖6 高速燒嘴改造后火焰

從圖6可以看出，燒嘴出口改為帶彎頭格式后，大、小火焰依然穩(wěn)定，不存在冒黑煙、脫火、回火等現(xiàn)象，火焰噴出速度也未出現(xiàn)快速衰退，燒嘴改制達到了預期的目標。且燃燒一定時間后，彎頭出口僅呈紅色，并未呈亮黃色。將出口改為實際工況使用的硅鋼玉，則可完全適用于此種工況。

6 一體化槍式燒嘴改造

目前為止，一體化槍式燒嘴主要用于低溫鍋爐、熱風爐、烤爐等溫度相對降低的設備中，并未在溫度高達700 ℃的高溫環(huán)境中使用過。若要用于高溫高達700 ℃以上的熱處理爐中，其點火槍、燒嘴圓筒等材質均不能用于此溫度，需要更換材質。另外，考慮到火焰不能直接沖刷工件，火焰方向不能直接對準工件表面，需將其改為工件表面的切線方向，這樣就需要改變燒嘴出口方向。經(jīng)過與多家國際國內品牌供應商的多次討論和交流，最終對燒嘴進行改制。燒嘴改制完成后再次進行性能測試，見圖7。從圖7可以看出，燒嘴大、小火燃燒均較為穩(wěn)定，不存在脫火，回火，冒黑煙等現(xiàn)象，火焰噴出速度也未出現(xiàn)快速衰退。另外，一體化槍式燒嘴亦可實現(xiàn)單供風不點火。

圖7 一體化燒嘴改造后火焰

7 結 論

這種新型的大型熱處理裝置可實現(xiàn)可拼裝、可拆卸、大小可調、可重復利用，既可大大減少現(xiàn)場的工作量，且可根據(jù)待處理工件的大小調節(jié)設備大小，實現(xiàn)重復利用，大大節(jié)約了材料。且組裝后的熱處理裝置，可對工件進行整體熱處理，與包裹式局部熱處理的方式相比，工序、熱處理的時間、工作量、能耗都將大幅降低，且熱處理質量也將大幅提高。