甲醇制烯烴反應(yīng)器模塊化預(yù)制拆除及安裝

李 剛,顧安東,閆柏辰，程 軍,張 瑞,陳乾坤

(1.寧波天翼石化重型設(shè)備制造有限公司,浙江寧波 315207；2.中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100028；3.中國石化中原石油化工有限公司,河南濮陽 457000；4.中國石化第十建設(shè)工程有限公司 山東青島 266555；5.合肥通安工程機械設(shè)備監(jiān)理有限公司,合肥 230031)

0 引言

某公司甲醇制烯烴(MTO)反應(yīng)器裝置于2011年投產(chǎn)至2018年進行3次停車消缺檢修。2014年,特種設(shè)備首檢未發(fā)現(xiàn)重大缺陷[1]。2018年,再次進行停車檢修，檢驗發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器存在焊縫開裂及大量表面裂紋缺陷。為確保裝置安全平穩(wěn)運行，經(jīng)過專家組會審，建議對該裝置MTO反應(yīng)器在原基礎(chǔ)上進行整體更換。

2019年,開始進行可研及設(shè)計，2020年3月啟動新的MTO反應(yīng)器現(xiàn)場預(yù)制， 7月中旬裝置停車開始拆除舊的MTO反應(yīng)器，9月底在原基礎(chǔ)上完成了MTO反應(yīng)器的拆除及回裝，10月中旬裝置開車并產(chǎn)出合格產(chǎn)品，產(chǎn)品各項性能指標(biāo)符合設(shè)計要求，至今運行安穩(wěn)。

1 預(yù)制、拆除及安裝方案

1.1 方案的確定

為解決原MTO反應(yīng)器運行過程中焊縫附近出現(xiàn)裂紋的問題，在設(shè)計選材上，借鑒國內(nèi)外其他MTO裝置選材經(jīng)驗，確定反應(yīng)器采用熱壁結(jié)構(gòu)，主材由347H改為S30408，該反應(yīng)器設(shè)計參數(shù)見表1。采用氬弧打底+氣保填充工藝，減小組焊應(yīng)力，提高焊接質(zhì)量。預(yù)制拆除及安裝方案上綜合考慮質(zhì)量、安全風(fēng)險和建造成本，對裝置布局的勘察、考慮大型設(shè)備運輸受限、大型吊車站位等因素，確定分模塊現(xiàn)場預(yù)制、拆除及安裝的施工方案，預(yù)制拆除分段見圖1。

表1 反應(yīng)器設(shè)計參數(shù)Tab.1 Table of reactor design parameters

圖1 MTO反應(yīng)器預(yù)制分段示意Fig.1 Schematic diagram of prefabricated segments of MTO reactor

1.2 方案的優(yōu)點

(1)模塊劃分滿足立式分段預(yù)制及現(xiàn)場擺放，減少場地占用，便于直接吊裝。

(2)模塊劃分?jǐn)?shù)量最少，重量分配合理，減小吊鉤數(shù)，優(yōu)化吊車選型[2-3]。反應(yīng)器預(yù)制分段參數(shù)見表2。

表2 反應(yīng)器預(yù)制分段參數(shù)Tab.2 Parameter table of prefabricated segments of MTO reactor

(3)提高模塊化預(yù)制深度，內(nèi)件安裝、襯里、保溫及勞動保護安裝90%安排在地面完成。

(4)減少高空及受限空間作業(yè)頻次，降低環(huán)縫組焊及內(nèi)件安裝腳手架搭設(shè)高度及工作量。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 預(yù)制拆除及安裝工序流程

預(yù)制拆除及安裝工序流程見圖2。

圖2 預(yù)制拆除及安裝工序流程Fig.2 Process flow chart of demolition andinstallation of prefabricated modules

2.2 預(yù)制階段主要關(guān)鍵工作操作要點

2.2.1 筒節(jié)預(yù)制

因設(shè)備直徑大，筒節(jié)縱縫組焊時，保證單節(jié)筒體縱縫錯邊量和端口水平度。筒體環(huán)縫組對時控制對口間隙均勻一致，保證組對后端口水平度，每一大段模塊上下端口采用DN150鋼管十字加固，組焊縱環(huán)縫錯邊、棱角、橢圓度符合GB/T 150—2011《壓力容器》要求[4]。

2.2.2 封頭預(yù)制

(1)成型：封頭由多個瓜片及頂蓋組成，單片下料采用等離子切割，坡口及熱影響區(qū)徹底打磨。單個瓜片沖壓成型,采用立式樣板檢查沖壓尺寸，分片加工完成后進行預(yù)組裝，其尺寸符合GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》的規(guī)定。

(2)組對：封頭直徑大，組對在經(jīng)找正的剛性平臺上進行，放大端口基準(zhǔn)圓直徑考慮每道拼縫預(yù)留1.5～2 mm焊接收縮余量，嚴(yán)格控制坡口間隙2～3 mm，能夠滿足氬弧打底的工藝要求。

(3)焊接：焊接順序為頂圓板縱縫外口→瓜片縱縫外口→頂圓板與瓜片對接環(huán)縫外口→封頭翻轉(zhuǎn)→里口清理→按外口焊接順序完成焊接。焊接要點是焊接前對坡口表面再次清理，在氬弧打底時背面進行充氬保護，氣保焊填充前仔細(xì)檢查打底焊縫表面及成型，填充采用小電流、多層、多道、對稱焊接，嚴(yán)禁大電流局部堆焊，形成較大應(yīng)力，特別是“丁字口”的焊接，應(yīng)從其部位沿兩側(cè)逐步過渡[5]。

(4)檢驗：用帶間隙全尺寸內(nèi)樣板檢查封頭內(nèi)表面形狀偏差，其最大形狀偏差外凸不得大于1.25%Di，內(nèi)凹不得大于0.625%Di。檢查時，樣板應(yīng)垂直于待測表面，避開焊縫進行測量。其尺寸符合GB/T 25198—2010的規(guī)定。

2.2.3 旋風(fēng)分離器安裝[6-8]

因設(shè)備在地面預(yù)制階段，需將旋風(fēng)安裝到第3模塊中，考慮安裝精度、成本及安裝安全風(fēng)險等因素，設(shè)計了一種組合型的支撐工裝。該工裝利用旋風(fēng)分離器在集氣室外圍周向均布的結(jié)構(gòu)特點，采用“米”字型結(jié)構(gòu)固定旋風(fēng)分離器周向位置、 “八卦”型結(jié)構(gòu)固定旋風(fēng)分離器軸向位置，如圖3(a)所示。

(a)加固方位

(b)固定位置圖3 旋風(fēng)加固方法及固定位置Fig.3 Cyclone reinforcement method and fixing position

(1)將組合型工裝在地面預(yù)制完成，并在旋風(fēng)分離器裝入筒體之前，在設(shè)備上封頭切線向下3 200 mm處安裝組合型工裝，如圖3(b)所示。并設(shè)置4個支柱支撐工裝，保證支撐工裝的強度。以此工裝為基礎(chǔ)，在中間搭設(shè)旋風(fēng)分離器的安裝操作平臺。

(2)將旋風(fēng)分離器吊入殼體內(nèi)進行固定，如圖4所示，下部用鋼管加連接板與旋風(fēng)料腿處預(yù)設(shè)的吊耳進行焊接固定。

圖4 旋風(fēng)分離器安裝現(xiàn)場Fig.4 Installation site of cyclone separator

(3)上封頭與筒體組對焊接，焊接完畢后對筒體重新進行找平，使封頭保持水平。

(4)使用旋風(fēng)分離器上事先設(shè)置的3個吊耳，采用倒鏈緩慢提升旋風(fēng)分離器，提升時應(yīng)使旋風(fēng)分離器始終保持垂直狀態(tài)。

(5)將旋風(fēng)分離器安裝焊接到集氣室上，保證尺寸符合圖紙要求，下部采用鋼支墩進行支撐。

2.2.4 快速床分布管安裝

快速床分布器位于設(shè)備最底部，安裝空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)制安裝尺寸要求較高。分布管為廠內(nèi)預(yù)制，分片供貨至現(xiàn)場，需在現(xiàn)場進行整體組裝。

(1)組裝要求。支管中心線應(yīng)相互垂直，偏差按遠(yuǎn)端距離測量不大于5 mm，且在同一水平面上；中心線應(yīng)相互平行或垂直，排列均勻，支管側(cè)面間隙偏差不大于3 mm；支管遠(yuǎn)端與另一分支管側(cè)的最小距離為40 mm，其偏差不大于5 mm。

(2)組裝。制作專用胎具進行組裝，如圖5所示。具體操作步驟及要求如下：①利用槽鋼制作水平胎具，控制其水平度在2 mm以內(nèi)；②將中心管置于胎具上，并調(diào)整垂直，見圖5(a)；③依次將上部4個大支管與中心管安裝，測量數(shù)據(jù)符合要求后，將其與主管焊接，見圖5(b)；④依次完成下部4個分支管安裝，測量數(shù)據(jù)符合要求后，將其與主管及支管焊接；⑤完成焊接后進行尺寸檢查、焊縫表面檢測。

(a)中心管組裝

(b)主管組裝圖5 快速床分布管組裝現(xiàn)場Fig.5 Assembly site of fast bed distributor

2.3 舊MTO反應(yīng)器分模塊拆除

舊MTO反應(yīng)器分3個模塊拆除，拆除的步驟及注意事項如下。

2.3.1 上段模塊拆除

(1)檢查集氣室與封頭、旋風(fēng)與集氣室焊縫，焊腳不低于0.8倍板厚；(2)拆除粗旋風(fēng)分離器導(dǎo)向支架，見圖6；(3)切割料腿見圖6，使用倒鏈配合將料腿落至中段模塊底部；(4)在分段外部用碳弧氣刨抽板條，抽條寬小于50 mm，周向環(huán)縫對稱且沿同一方向間隔抽條，間距不大于2 m，每抽一處，安裝限位板2塊，承重支板1組，循環(huán)進行；(5)吊裝拆除如圖7所示，當(dāng)模塊分段處離開承重支板10 mm時，停留10 min，檢查吊車載荷、負(fù)荷率、吊車站位區(qū)域地基及模塊內(nèi)件情況，確認(rèn)沒有其他問題后進行吊裝。

圖6 需拆除的MTO反應(yīng)器上中段模內(nèi)件塊結(jié)構(gòu)Fig.6 The upper middle section mold block structureof the MTO reactor to be dismantled

圖7 吊裝拆除現(xiàn)場Fig.7 Lifting and dismantling site

2.3.2 中段模塊拆除

(1)將拆除的粗旋支架(見圖6)移至中段與旋風(fēng)側(cè)壁滿焊，焊腳不小于1倍板厚；(2)對粗旋分離器與稀相管(見圖6)連接焊縫進行PT檢測，對表面及根部存在裂紋、焊腳不足0.8倍板厚的所有焊縫進行補焊加固，焊腳不小于1倍板厚；(3)中段模塊為裙座段，重點檢查裙座螺栓脫離不得卡澀，應(yīng)緩慢起吊。

2.3.3 下段模塊拆除

(1)下段模塊位于框架內(nèi)，因結(jié)構(gòu)框架受限，該段所有附件需要齊壁拆除；(2)對稀相管環(huán)縫從外部抽條，抽條寬度不大于100 mm，從外部拆除襯里；(3)拆除起吊前，檢查所有接管、人孔、斜管等全部割除，起吊過程中緩慢提升。

2.4 新MTO反應(yīng)器分模塊安裝[9]

新MTO反應(yīng)器分3個模塊安裝，其中下段模塊位于框架內(nèi)，模塊與框架的最小距離僅150 mm，中段模塊通過稀相管如圖8所示A點與下段模塊連接，模塊的裙座基礎(chǔ)位于下段模塊頂部的鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)平臺。中下段模塊由于安裝空間狹小、操作難度大、尺寸控制精度要求高，在預(yù)制及安裝中應(yīng)重點控制，本文以圖8為例做詳細(xì)介紹。

圖8 新MTO反應(yīng)器中下段模塊結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structural diagram of middle and lower sectionmodules of new MTO reactor

2.4.1 下段模塊的關(guān)鍵控制點A

(1)在預(yù)制階段，模塊上所有配件尺寸以A點為定位基準(zhǔn)，以保證下中段組對口的間隙及下段模塊上所有接管與利舊工藝管線尺寸匹配；(2)在安裝時，當(dāng)模塊吊裝到指定高度時，調(diào)整方位，安裝導(dǎo)向架，固定模塊周向位置；(3)安裝支座及彈簧箱，安裝高度及水平度以A點端口為基準(zhǔn)；(4)通過導(dǎo)向支架及彈簧箱調(diào)整下段模塊方位、垂直度、A點端口的水平度；(5)完成下段模塊的吊裝如圖9所示。

圖9 下段模塊安裝就位Fig.9 Installation of lower module in place

2.4.2 中段模塊安裝

(1)安裝前，復(fù)測中段A點到裙座底環(huán)板底部及下段稀相管上口到基礎(chǔ)平面的距離，并對比數(shù)值判斷A點環(huán)縫組對間隙是否在要求范圍內(nèi)；(2)模塊吊裝(見圖10(a))→安裝到基礎(chǔ)平臺→調(diào)整方位(見圖10(b))→測量垂直度→預(yù)緊地腳螺栓；(3)通過彈簧箱調(diào)整A點組對間隙、錯邊、同軸度。

圖10 中段模塊安裝Fig.10 Middle module installation

2.4.3 關(guān)鍵控制點B

設(shè)備外取熱器利舊，入口接管與中段模塊催化劑出口管呈斜45°對接如圖8所示，應(yīng)同時保證對接口B點組對的間隙、錯邊、傾斜度、難度大。

控制流程如下：(1)預(yù)制階段催化劑出口管安裝后點焊固定；(2)中段模塊安裝定位后，根據(jù)外取熱器利舊接管的位置、伸出長度、角度來確定中段模塊催化劑出口接管的位置；(3)利用CAD放樣技術(shù)[10]來確定中段模塊催化劑出口接管的開孔尺寸和角度；(4)完成催化劑出口接管開孔→安裝→B點組對→焊接→檢測→里口補襯。

2.4.4 關(guān)鍵點控制點C

外循環(huán)接管總長超過20 m，分別與中段模塊接管N4-1、下段模塊接管N4-2相連，其中N4-1接管為錐形管斜插。

控制流程如下：(1)接管N4-1預(yù)制安裝階段采用CAD放樣確保開孔尺寸精度，如圖11所示；(2)中段模塊就位后依次自上而下安裝循環(huán)斜管→滑閥→膨脹節(jié)；(3)下段模塊N4-2為斜45°接管與膨脹節(jié)組對，外循環(huán)接管安裝至膨脹節(jié)位置時來確定該接管的開孔位置→完成開孔→安裝接管→與膨脹節(jié)組對；(4)自上而下完成各組對口的焊接→檢測→里口補襯。

圖11 N4-1接管CAD放樣開孔安裝Fig.11 CAD lofting opening installation of N4-1 nozzle

3 關(guān)鍵工序質(zhì)量控制

3.1 基礎(chǔ)上分段環(huán)縫組焊[11]

3.1.1 組對

(1)組對前拆除上下端口加固，避免端口加固形成較大拘束應(yīng)力；(2)控制組對間隙2～3 mm、錯邊≤2 mm；(3)調(diào)整組對、錯邊符合要求后，點焊固定。

3.1.2 焊接

(1)焊前準(zhǔn)備。①分段環(huán)縫距離地面供氣位置高約40 m，為保證氣體流量滿足工藝要求，在環(huán)縫附近的平臺上增加氣體增壓裝置；②焊接設(shè)備置放于焊接部位5 m以內(nèi)范圍，減少因距離過大而引起電流電壓的衰減，影響焊接參數(shù)及質(zhì)量；③清除坡口及其兩側(cè)20 mm內(nèi)的污染物。

(2)焊接過程。①安排4名焊工同步同向?qū)ΨQ焊；②先GTAW打底，厚度約為2～3 mm，背面進行充氬保護，然后用GMAW填充、蓋面，每層厚度約為3～4 mm；③焊接中采取防風(fēng)措施；④層間用磨光機清理，不允許存在窄而深的坡口；⑤嚴(yán)控制線能量和層間溫度；⑥GMAW采用脈沖噴射過渡，焊絲干伸長為10～20 mm。

3.1.3 安裝垂直度及直線度控制

基礎(chǔ)上分3大模塊組焊，同時應(yīng)保證設(shè)備安裝的垂直度、直線度以及內(nèi)件的垂直度，這些尺寸存在一定的關(guān)聯(lián)性，從組對和焊接兩個環(huán)節(jié)進行控制，具體措施如下。

(1)下段模塊位于框架內(nèi)，模塊就位后通過調(diào)整導(dǎo)向支架、彈簧箱來調(diào)整模塊方位、垂直度、端口的水平度；

(2)中段模塊的裙座位于框架上與下段模塊通過中心管連接，通過裙座墊鐵來調(diào)整安裝垂直度及直線度；

(3)上、中段模塊組焊，同時測量上段模塊內(nèi)旋風(fēng)分離器、模塊安裝垂直度及直線度，通過調(diào)整組對間隙來保證各項參數(shù)滿足圖樣要求；

(4)上、中段模塊焊接采取對稱焊接法，保證對接縫周向均勻收縮，防止焊接不均勻收縮對設(shè)備安裝垂直度、直線度及內(nèi)件垂直度的影響；

(5)上、中段安裝前在模塊上設(shè)置好垂直度觀測標(biāo)記,用角鋼焊接在加固圈上并露出保溫層，單個模塊上下各設(shè)置一組，呈90°夾角布置。

3.2 無損檢測及致密性試驗

3.2.1 無損檢測

針對原MTO反應(yīng)器運行過程中在焊縫及其附近出現(xiàn)過裂紋的問題，對新更換的MTO反應(yīng)器在無損檢測方面提高了要求并增加了檢測項目，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》。

(1)厚度大于32 mm的鋼板下料前，對距切割線50 mm范圍內(nèi)進行100%UT檢測、承重件集氣室與頂封頭角焊縫部位及兩側(cè)各150 mm范圍內(nèi)的材料進行100%UT檢測、下封頭與快速床分布管的焊接部位及周圍150 mm范圍內(nèi)的材料進行100%UT檢測，均為Ⅰ級合格；(2)A，B類焊接接頭進行100%RT檢測，Ⅱ級合格，技術(shù)等級為AB級；(3)A，B，C，D類焊縫進行100%PT檢測，Ⅰ級合格；(4)A，B，D類焊縫按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》進行鐵素體檢測，檢測結(jié)果要求FN為3～8之內(nèi)；(5)A，B類焊縫按焊工進行PMI抽檢，金屬元素含量符合S30408材料的要求。

3.2.2 致密性試驗

MTO反應(yīng)器設(shè)計壓力為0.35 MPa，正常工作壓力為0.15 MPa，壓力較低，因設(shè)備安裝位置位于框架上，若滿水進行強度試驗則超出了框架的承重負(fù)荷，選擇氣壓試驗存在較大的安全風(fēng)險，此外設(shè)備是分模塊完成內(nèi)壁襯里，成整體再水壓試驗不具備條件，將破壞內(nèi)壁襯里層。為解決壓力試驗的問題，在設(shè)計階段對殼體材料進行了適當(dāng)加厚、對卸料口等大型管口進行了有限元應(yīng)力分析計算和評估，在制造方面提高了對焊接接頭無損檢測的比例。通過增加設(shè)計條件、提高無損檢測比例、有效的焊接質(zhì)量控制等措施，在設(shè)備安裝完成后進行了致密性試驗，未出現(xiàn)泄漏、設(shè)備局部變形、襯里層脫落等問題。

4 結(jié)語

(1)針對大型化設(shè)備，根據(jù)具體情況采取適應(yīng)現(xiàn)場操作的工藝方案，解決了設(shè)備更換問題。

(2)MTO反應(yīng)器采用熱壁結(jié)構(gòu)，主體材料確定為S30408，提高材料中碳含量，增加材料強度，降低了不銹鋼材料在長期高溫環(huán)境下焊縫出現(xiàn)裂紋的概率。

(3)嚴(yán)格控制封頭、錐體等關(guān)鍵部件的成型尺寸，焊接采用氬弧焊打底，氣保焊填充的全焊透工藝，低應(yīng)力組對焊接的措施降低了焊縫的局部應(yīng)力，提高了焊接接頭的質(zhì)量。

(4)根據(jù)旋風(fēng)分離器、分布管的結(jié)構(gòu)特點及預(yù)制安裝要求，采用輔助工裝，保證了其預(yù)制及安裝的質(zhì)量。

(5)模塊的拆除前，科學(xué)合理策劃，有效規(guī)避了拆除過程中的安全風(fēng)險。

(6)模塊的安裝充分考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，在預(yù)制及安裝階段進行有效地預(yù)防和控制，確保了模塊安裝進度和質(zhì)量。

(7)對模塊分段襯里、基礎(chǔ)上環(huán)縫組焊、無損檢測及壓力試驗等關(guān)鍵質(zhì)量控制點進行嚴(yán)格控制，取得了明顯的效果。

(8)采用模塊化施工工藝，大部分預(yù)制及安裝工作在地面完成，減少了高空作業(yè)，有效地化解了高空作業(yè)帶來的安全、質(zhì)量及效益風(fēng)險，為類似建設(shè)項目提供了借鑒的方法。