30 萬t/a 光氣合成法TDI 裝置成套施工技術(shù)

周 華 莫長亮 楊湘陽 呂德強(qiáng) 胡 俊

中國化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司 湖北襄陽 441100

中國化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司承建的30 萬t/ a光氣合成法TDI 裝置是某公司采用自主研發(fā)新型工藝，依托某工業(yè)園產(chǎn)業(yè)鏈興建的新裝置，是世界TDI 產(chǎn)能最大的裝置。項目投資額149260.74 萬元。主裝置為光化精制單元，是整個TDI 的核心裝置。項目主要工程量包括鋼結(jié)構(gòu)3100t、動靜設(shè)備341 臺、非標(biāo)設(shè)備4 臺、工藝管道195000DIN、電氣電纜12km、電氣設(shè)備175臺、儀表電纜120km 和儀表設(shè)備1320 臺。

項目施工存在以下特點和難點：設(shè)備數(shù)量種類繁多，成套設(shè)備多，安裝精度要求高；裝置內(nèi)工藝管線走向復(fù)雜，管道密集，施工空間狹??；裝置內(nèi)危險介質(zhì)較多，大部分為光氣管線，對管道安裝質(zhì)量要求非常高；設(shè)備內(nèi)件工程量較大，安裝精度要求較高；工藝設(shè)備管道潔凈度要求高；鋼結(jié)構(gòu)工程量較大，施工場地較小，異形節(jié)點板數(shù)量及規(guī)格較多，批量加工難度大；施工周期緊張。為了按時完成施工內(nèi)容，順利交工和運(yùn)行，針對本項目裝置的上述技術(shù)難題，項目組展開了詳細(xì)的調(diào)研，明確施工的關(guān)鍵路線及施工技術(shù)難點，確定通過開發(fā)和應(yīng)用TDI 裝置成套施工技術(shù)，達(dá)到降低施工周期，提高施工效率，提升施工效益的目的。

1 設(shè)備施工關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

1.1 創(chuàng)新點一：恒力彈簧懸掛設(shè)備，結(jié)構(gòu)分塊組對

TDI 主裝置中，TDI 采出一級冷凝器（14E3509）、第二脫ODCB 塔中再沸器（14E3408）和第二脫ODCB塔頂一級冷凝器（14E3410）采用了恒力彈簧懸掛安裝，安裝難度高。以14E3509 為例，其安裝標(biāo)高為EL+26m，重量57.9t。由于設(shè)備直徑大于懸掛彈簧框架的寬度，如果先安裝恒力彈簧，則設(shè)備將無法繼續(xù)安裝；如果先裝設(shè)備，則設(shè)備吊裝過程中必須待彈簧及支撐梁安裝完成后才能摘鉤，不僅大吊車機(jī)械成本極高，吊裝風(fēng)險也十分巨大。

項目部自行研發(fā)了恒力彈簧懸掛設(shè)備的安裝工法，采用結(jié)構(gòu)分塊組對施工方法，在設(shè)備吊裝前，預(yù)制并安裝上部分支撐鋼梁，預(yù)留出影響設(shè)備安裝的鋼梁。在設(shè)備吊裝前，將預(yù)留鋼梁在地面上進(jìn)行分塊組對，并全部定位焊接恒力彈簧。在設(shè)備吊裝過程中，先將設(shè)備吊裝就位后，再安裝預(yù)留鋼梁就位。不僅極大縮短了安裝周期，節(jié)省了大量機(jī)械成本，還降低了施工風(fēng)險。施工圖如圖1 所示。

圖1 恒力彈簧懸掛設(shè)備、結(jié)構(gòu)分塊組對施工方法

根據(jù)圖1，TDI 采出塔一級冷凝器（14E3509）共計8 個支撐點，8 個恒力彈簧分別焊接在1 號鋼梁、①號八卦梁、2 號鋼梁、②號八卦梁、5- CD 軸主梁、③號八卦梁、3 號鋼梁和④號八卦梁；設(shè)備通過恒力彈簧下吊桿與設(shè)備支座連接吊裝支撐。

由于設(shè)備筒體在8 個方向上分別焊接設(shè)備支耳，若設(shè)備支座所有焊接完畢后，設(shè)備吊裝過程中將無法從預(yù)留孔中穿過。所以，設(shè)備支座無法提前全部焊接，必須在設(shè)備吊裝就位后進(jìn)行補(bǔ)焊安裝，為節(jié)約焊接時間及降低吊裝過程中的風(fēng)險，采用如下方法：

（1）1 號鋼梁西側(cè)、2 號鋼梁北側(cè)所有次梁不吊裝，并提前預(yù)制1 號主梁，通過放樣焊接該梁上設(shè)備支座用筋板等，并定位焊接完成該處彈簧后，在該梁兩端頂部翼緣板通過滿焊焊接支撐板。焊接完成后，在設(shè)備吊裝前將該梁掛至4- CD 軸附近。

（2）①號八卦梁、2 號鋼梁和②號八卦梁通過放樣，焊接各梁上設(shè)備支座用筋板等，并定位焊接完成該處彈簧，做成模塊1，放在地面等待設(shè)備就位后吊裝焊接。如圖2 所示。

圖2 ①號八卦梁、2 號鋼梁和②號八卦梁的吊裝、焊接施工

（3）5- CD 處為結(jié)構(gòu)主梁，可直接焊接該處設(shè)備支座用筋板及彈簧，并在設(shè)備吊裝前焊接至26m 層結(jié)構(gòu)位置處。

（4）③號八卦梁、3 號鋼梁和④號八卦梁做成模塊2。在設(shè)備吊裝前完成模塊2 與5- CD 軸主梁間的焊接。為保證模塊2 的穩(wěn)定性，3 號鋼梁南側(cè)次梁可以提前預(yù)制并焊接，并需要在3 號鋼梁與④號八卦梁交叉位置處做臨時工字鋼（采用I20a）支撐。

（5）待設(shè)備吊裝就位后，通過倒鏈緩慢將1 號鋼梁拉至指定位置處，并吊裝模塊1 就位進(jìn)行組對焊接。焊接完成后，設(shè)備就位連接螺栓固定。

（6）在TDI 采出一級冷凝器（14E3509）設(shè)備吊裝、就位過程中，對設(shè)備支撐筋板及恒力彈簧的定位尺寸要求需十分精準(zhǔn)，所有的定位放樣必須根據(jù)現(xiàn)場到貨設(shè)備的現(xiàn)場尺寸進(jìn)行實測后制作。設(shè)備安裝完成后效果如圖3 所示。

圖3 TDI 采出一級冷凝器（14E3509）設(shè)備安裝完成效果圖

1.2 創(chuàng)新點二：對內(nèi)件安裝各工序進(jìn)行詳細(xì)分解及控制，確保安裝精度

TDI 主裝置大量塔器需要進(jìn)行內(nèi)件安裝，且由于特殊工藝要求，對精度要求極高，尋?；ば袠I(yè)塔內(nèi)件安裝水平度要求精度為5mm 以內(nèi)（設(shè)備直徑1.6～4m），而TDI 裝置要求為1mm 以內(nèi)（設(shè)備直徑4m）。為了保證安裝精度，滿足業(yè)主工藝生產(chǎn)需求，項目部對內(nèi)件安裝各工序進(jìn)行詳細(xì)分解及控制。以14C3401 塔內(nèi)件安裝為例，其內(nèi)件尺寸如表1 所示。

表1 14C3401 塔內(nèi)件尺寸表

14C3401 塔內(nèi)件整體安裝順序為至下而上安裝。每層安裝工藝流程如圖4 所示。

圖4 14C3401 塔內(nèi)件每層安裝工藝流程圖

填料安裝具體技術(shù)措施如下：

（1）第一層填料為M252Y，每層由19 小層組成，每一小層高度為216mm；第二層填料為M252Y，每層由28 小層組成，每一小層高度為216mm；第三層填料為M252Y，每層由24 小層組成，每一小層高度為216mm。

（2）填料安裝時可隨用隨開，一箱一層。安裝時按安裝速度有序搬運(yùn)，箱體放于塔體附近，便于吊裝和搬運(yùn)，安裝填料時還要準(zhǔn)備踩踏木板。

（3）填料的安裝要求較高，整個塔的填料安裝需從下往上（如果上、下層填料同時施工，須有相應(yīng)的安全保護(hù)措施）。每一層填料均由多塊填料組成，填料可從人孔放入塔內(nèi)。每一塊填料均有編號（按半圓編號），根據(jù)編號將填料排正。安裝相鄰兩塊填料時，必須在填料間放入插板，安裝完成后再將插板拿出。相鄰兩塊填料之間允許有均勻的間隙（＜10mm），但不允許有局部間隙過大的情況。填料安裝根據(jù)塔內(nèi)件實際尺寸進(jìn)行裁剪，如圖5 所示。

圖5 根據(jù)塔內(nèi)實際尺寸進(jìn)行裁剪

（4）每一層填料的底層填料安裝非常重要，決定了該填料層的安裝方位。底層填料安裝方位為：格柵方位和底層填料成90°（向東旋轉(zhuǎn)）。安裝時要做一個起始角度標(biāo)示，作為安裝基準(zhǔn)，并按照該基準(zhǔn)同方向旋轉(zhuǎn)向上安裝上層填料。上下兩層的填料安裝角度相差90°，每安裝完四層后填料方向應(yīng)回到安裝基準(zhǔn)。同時，為了保證填料安裝的水平度，每安裝完四層填料后要使用激光水平儀對填料進(jìn)行水平測試。水平測試如圖6 所示。

圖6 使用激光水平儀進(jìn)行復(fù)測

（5）為避免塔壁縫隙過大，每安裝完一小層填料，必須安裝防壁流圈，使填料和塔壁間無縫隙。每安裝完兩小層填料后，均需要檢查其接觸面，保證上下兩層填料之間緊貼無間隙。

1.3 創(chuàng)新點三：使用氦氣檢測技術(shù)進(jìn)行泄漏性檢測，防止光氣泄漏

TDI 裝置采用的是光氣合成法，光化反應(yīng)是在無水環(huán)境下進(jìn)行。若光化系統(tǒng)有水則危害巨大，輕則會加速設(shè)備和管線的腐蝕，重則副反應(yīng)增加堵塞設(shè)備和管道。而光化換熱器殼側(cè)冷媒大部分都是水，因此換熱器在首次投入使用前，需要對每個換熱器殼側(cè)進(jìn)行檢測，保證無泄露。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，項目部采用了氦泄漏- 吸槍檢測半定量技術(shù)：在容器中充入一定壓力氦氣與空氣的混合氣，用氦氣作為示漏氣體，利用檢測儀的高靈敏度，在外側(cè)可探測出容器泄漏出來的微量氦氣，即可確定容器泄漏的位置。

2 管道施工關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

TDI 主裝置工藝管線走向復(fù)雜，管道密集，施工空間狹小。且因生產(chǎn)工藝特點，設(shè)計了大量光氣夾套管線，其中部分管內(nèi)光氣濃度較高，屬于極度危害介質(zhì)，泄露風(fēng)險極大，對管道的焊接、安裝質(zhì)量及內(nèi)潔度要求非常高。

TDI 主裝置中部分高溫光氣管線采用了純鎳管道（N02200）。純鎳材料由于含有少量的硫、磷元素，焊接時焊縫金屬從液態(tài)冷卻凝固過程中，硫、磷與鎳形成低熔共晶向焊縫金屬的晶界偏析而形成液態(tài)薄膜，在焊接拉應(yīng)力的作用下容易導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。同時，由于純鎳材料導(dǎo)熱系數(shù)大且對氫氣孔非常敏感，焊接時熔池冷卻凝固快，熔池液態(tài)金屬中溶解的氫不易析出，易形成氣孔或未熔合，焊接難度較高。

2.1 創(chuàng)新點一：專利技術(shù)+ 氨滲檢測，確保光氣管道的焊接質(zhì)量

鎳管母材具有良好的耐腐蝕性能，焊接時宜采用小線能量、窄焊道和保持電弧電壓穩(wěn)定，并應(yīng)采用短弧不擺動或小擺動的操作方法，坡口應(yīng)選用大角度和小鈍邊的形式。在施工過程中，采用公司專利技術(shù)——一種純鎳管道的焊接方法（ZL2014 1 0088519.X），具體焊接參數(shù)如表2 所示。

表2 焊接參數(shù)表

管道施工前，項目部對光氣管線母材進(jìn)行了表面無損檢測，并將發(fā)現(xiàn)缺陷的原材料上報業(yè)主進(jìn)行處理，避免母材缺陷導(dǎo)致光氣泄露。

光氣夾套管內(nèi)管氣密試驗后，使用氨氣滲透檢測方式對焊縫進(jìn)行100%檢測。

氨滲檢測步驟及關(guān)鍵點：

（1）按要求安裝和連接試壓臨時管路。

（2）用3～5 倍充氣空間容積的氮?dú)庵脫Q充氣空間里的空氣（關(guān)閉出口閥，進(jìn)行充氮，然后開出口閥卸壓，循環(huán)上述步驟3～5 次），直至出口氧含量≤0.5%，避免形成氨氣和空氣的爆炸混合物（其爆炸極限為15%～18%），然后關(guān)閉排出管路閥門。

（3）氮?dú)庵脫Q過程中，要隨時檢測管路連接部件的泄漏情況，保證無泄漏點。

（4） 最后一次氮?dú)庵脫Q后，泄壓時容器內(nèi)留0.1MPa 壓力，設(shè)計壓力≥0.4MPa 時充入氨氣至0.2 MPa，之后充入氮?dú)庵?.4MPa，保壓時間不低于4h。如設(shè)計壓力小于0.4MPa 時，要求充入氨氣分壓不小于30%，檢測壓力為設(shè)計壓力，保壓時間不低于4h。

（5）管道焊縫表面須清潔，如焊縫表面存在銹蝕或其他污染物，須使用中性水進(jìn)行沖洗，然后用壓縮空氣或氮?dú)獯蹈?，否則將影響試驗效果。

（6）將白綿布清洗（防止漂白劑漂白過的白綿布含堿性），擰干水分，均勻浸透酚酞試劑。然后緊貼在管線的焊縫位置上，將塑料布迅速蓋好，趕盡其中的氣泡，用鐵絲扎緊，要始終保持酚酞的濕潤狀態(tài)；保壓開始后，0.5h、1h 時各檢查一次，以后每2h 檢查一次，并要隨時檢查試驗管線的壓降情況，仔細(xì)觀察白綿布上有無紅色斑點出現(xiàn)。

（7）保壓完畢后，如果沒有漏點出現(xiàn)，則進(jìn)行泄氨。將排出管路引至盛有水的水箱中，小心開啟閥門，直至壓力表數(shù)值為0。

（8）泄氨完畢后，用氮?dú)夥磸?fù)置換5 遍，清除氨氣，合格后拆除試漏管道及儀表，并清洗干凈。

（9）試漏完畢后，如果有漏點出現(xiàn)，仔細(xì)記錄漏點位置，進(jìn)行焊縫返修；返修經(jīng)射線探傷檢驗合格后，重復(fù)上面各項內(nèi)容，直至無漏點為止。

（10）泄壓后，氨水排放至附近排水管道，為避免影響施工，排放工作應(yīng)選擇在下班后進(jìn)行。

2.2 創(chuàng)新點二：內(nèi)窺鏡+ 大功率吸塵設(shè)備，確保管道內(nèi)部清潔度達(dá)標(biāo)

TDI 主裝置是TDI 的核心生產(chǎn)裝置，管道安裝過程中的內(nèi)部清潔度控制直接影響TDI 的產(chǎn)品質(zhì)量。其現(xiàn)場管道內(nèi)部清潔、檢查如圖7、圖8 所示。

圖7 使用內(nèi)窺鏡進(jìn)行管道內(nèi)部檢查

圖8 使用大功率吸塵設(shè)備對管道內(nèi)部進(jìn)行清理

采用內(nèi)窺鏡對管道內(nèi)部進(jìn)行檢查，對管道內(nèi)部不易清理的位置使用大功率吸塵設(shè)備進(jìn)行清理，管道封閉前還要聯(lián)合業(yè)主、監(jiān)理進(jìn)行檢查驗收，并使用驗收標(biāo)簽封閉。通過嚴(yán)格的檢查、管控，TDI 裝置交工后一次投產(chǎn)成功，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，贏得了業(yè)主的一致好評

2.3 創(chuàng)新點三：工廠化預(yù)制自動焊接，提高效率，節(jié)約成本

在進(jìn)行TDI 主裝置管道施工過程中，項目部對管道單線圖進(jìn)行挖掘分析，發(fā)現(xiàn)TDI 主裝置空冷器大量連接管線走向、管徑完全一致，非常適合使用自動化焊接技術(shù)批量預(yù)制。通過利用公司專利技術(shù)（管道工廠化預(yù)制方法ZL201610920162.6），引入自動焊接設(shè)備，原需投入5 個作業(yè)班組（15 人）的預(yù)制作業(yè)，最終僅投入一個作業(yè)即完成全部焊接任務(wù)，節(jié)約了大量的人力投入成本，并且焊接質(zhì)量得到了保證。

3 鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

TDI 主裝置鋼結(jié)構(gòu)主要施工難點：鋼結(jié)構(gòu)工程量巨大，施工場地較小；傳統(tǒng)施工方式費(fèi)時費(fèi)工，難以保證施工周期；異形節(jié)點板數(shù)量及規(guī)格較多，批量加工難度大；主裝置內(nèi)管廊焊接高空作業(yè)較多，腳手架及架子工需求較大，高空作業(yè)風(fēng)險較大。

3.1 創(chuàng)新點一：地面模塊化預(yù)制，提高效率，降低風(fēng)險

（1）TDI 主裝置長120m、寬38m，工程量合計3100t。項目部結(jié)合圖紙及現(xiàn)場實際情況，應(yīng)用并優(yōu)化公司鋼結(jié)構(gòu)模塊化施工技術(shù)（鋼結(jié)構(gòu)模塊ZL2014 2 0474199.7），將裝置所有立柱、橫梁等統(tǒng)籌規(guī)劃，分成24 個大模塊及若干小模塊并按計劃在地面模塊化預(yù)制，再集中整體吊裝，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)整體施工進(jìn)度。

（2）在鋼結(jié)構(gòu)施工中，自主研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的管廊結(jié)構(gòu)立柱對夾式可拆卸活動平臺（ZL2016 1 0725825.9）。使用此活動平臺，可在短短15min 內(nèi)完成一處高空作業(yè)平臺的搭設(shè)，極大地節(jié)約了人力成本，同時還節(jié)省了大量的腳手架租賃費(fèi)用。對夾式可拆卸活動平臺樣品如圖9 所示。

圖9 對夾式可拆卸活動平臺樣品

3.2 創(chuàng)新點二：自制電動壓板機(jī)進(jìn)行異形板節(jié)點板加工

TDI 裝置結(jié)構(gòu)異形節(jié)點板數(shù)量及規(guī)格較多，人工制作不僅效率慢，施工質(zhì)量也難以保證。項目部通過自主研發(fā)，發(fā)明了制作異形節(jié)點板的電動壓板機(jī)，提高了加工速度，制作的異形板成型美觀，質(zhì)量可靠。鋼結(jié)構(gòu)異形節(jié)點板加工制作工具如圖10 所示。

圖10 現(xiàn)場制作完成的電動壓板機(jī)

4 儀表SIS 系統(tǒng)電纜敷設(shè)關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

TDI 主裝置電纜型號較多，電纜盤大小不一，每個類型電纜敷設(shè)時重新制作對應(yīng)電纜盤支架耗工耗時耗料；內(nèi)管廊電纜工程量較大，電纜橋架距框架平臺距離較小，施工空間較小，人工敷設(shè)困難，施工效率低，盤柜到貨晚，嚴(yán)重影響施工工期。

4.1 創(chuàng)新點一：采用機(jī)械敷設(shè)專利技術(shù)，節(jié)約人力和物力

（1）應(yīng)用公司電纜的機(jī)械敷設(shè)裝置敷設(shè)電纜專利技術(shù)（ZL2015 2 0678797.0），代替人工敷設(shè)，解決了電纜敷設(shè)的難題，節(jié)約了施工時間及成本。

（2）現(xiàn)場制作利用公司可調(diào)節(jié)式電纜盤支架專利技術(shù)（ZL2013 2 0178519.X），滿足各種規(guī)格電纜的敷設(shè)要求，節(jié)省了許多人力物力。

4.2 創(chuàng)新點二：優(yōu)化設(shè)計和敷設(shè)程序，確保項目順利中交

（1）儀表SIS 系統(tǒng)比DCS 系統(tǒng)在可靠性、可用性上要求更嚴(yán)格。按照安全獨(dú)立原則要求，獨(dú)立于集散控制系統(tǒng)，并且其安全級別高于DCS。SIS 系統(tǒng)具有如下特點：極高的安全性和有效性，即使出現(xiàn)故障，也要用冗余等措施使系統(tǒng)工作正常；故障以可預(yù)見的、安全方式出現(xiàn)。

（2）SIS 系統(tǒng)的最終目的是通過對輸出數(shù)字量電源有無的控制，來實現(xiàn)現(xiàn)場緊急切斷閥的開關(guān)，保證生產(chǎn)和設(shè)備的安全運(yùn)行，所以SIS 系統(tǒng)控制的各種現(xiàn)場緊急閥門的電磁閥從SIS 機(jī)柜直拉電纜。為確保電纜的易查易改，通過與設(shè)計、業(yè)主協(xié)商，在機(jī)柜間進(jìn)口處沿機(jī)柜基礎(chǔ)單獨(dú)敷設(shè)電磁閥控制電纜橋架，獨(dú)立于其他電纜的同時也降低了對計算機(jī)電纜的信號干擾。

（3）由于現(xiàn)場SIS 系統(tǒng)機(jī)柜到貨晚，為保證工期，先進(jìn)行其配套電纜的敷設(shè)工作，并根據(jù)電纜表進(jìn)行電纜頭的制作。待SIS 系統(tǒng)機(jī)柜安裝就位后，接線工作立刻展開，為后續(xù)的調(diào)試工作爭取了至少15d 的時間。同時在施工后期大干時，可以集中人力進(jìn)行現(xiàn)場儀表回裝及調(diào)試，確保了項目的順利中交。

5 結(jié)語

TDI 主裝置實際建設(shè)工期比合同工期縮短160d，施工期間未發(fā)生重大安全、質(zhì)量事故，比同規(guī)模其他裝置節(jié)省800 萬元成本。TDI 裝置交工后一次投產(chǎn)成功，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，獲得業(yè)主的高度認(rèn)可，為TDI 及相關(guān)領(lǐng)域工程建設(shè)施工提供了有力的技術(shù)支撐。采用30 萬t/ a 光氣合成法TDI 裝置成套施工技術(shù)，對項目整體施工效率和施工質(zhì)量的控制起到了極大的促進(jìn)作用，能夠為項目的施工安全及裝置的開車生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。