分餾塔在不移位情況下對(duì)底部筒體更換

＊陳 俊

（中海石油舟山石化有限公司 浙江 316015）

某公司重油裂解裝置分餾塔在試壓過(guò)程中出現(xiàn)舊筒體下段立焊縫出現(xiàn)破裂并帶動(dòng)上下兩塊壁板受損現(xiàn)象，裂縫位置在塔底上方約10m處（見(jiàn)圖1）。

圖1 塔壁開(kāi)裂位置

裂紋沿立焊縫開(kāi)裂，裂縫范圍：縱向約6m，橫向約3m。經(jīng)過(guò)原因分析為該焊縫在制造時(shí)偏離焊接工藝的要求，采用大電流、高線能量的焊接工藝，在焊縫及熱影響區(qū)形成了沿晶微裂紋，日常生產(chǎn)時(shí)連貫成線逐步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致試壓時(shí)焊縫撕裂，裂紋周邊塔體母材經(jīng)過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常，符合要求。如果對(duì)整個(gè)分餾塔進(jìn)行整體更換，將面臨資金成本、施工周期和生產(chǎn)需求等方面的壓力。經(jīng)過(guò)討論研究，設(shè)計(jì)院認(rèn)為在不對(duì)分餾塔移位，在原地對(duì)開(kāi)裂部位的塔體進(jìn)行加固，只更換開(kāi)裂部分筒體的方案可行。

1.分餾塔基本情況

分餾塔規(guī)格為DN6000/5200×(24+3/20+3/18+3)/(1 8+3)×6 7 0 6 1，該塔高6 7 0 6 1 m m，設(shè)備自重382457kg，分餾塔下部直徑為6000mm，厚度為24+3mm，材質(zhì)為16MnR+0Cr13Al，容積1664m3。開(kāi)裂的位置如圖1所示，在塔體6-11人孔位置（塔底部上方約10m處），裂縫范圍：縱向約6m，橫向約3m，經(jīng)過(guò)綜合考慮，在不移動(dòng)分餾塔的情況下，對(duì)開(kāi)裂的三層筒體進(jìn)行更換，并且按照設(shè)計(jì)要求對(duì)該塔所有焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

2.分餾塔開(kāi)裂部位加固

因現(xiàn)場(chǎng)還有許多不確定因素，為了防止分餾塔體進(jìn)一步損壞，在壁板更換前需要對(duì)破損的塔壁進(jìn)行加固，加固方案見(jiàn)圖2。

圖2 塔體加固示意圖

（1）為了防止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大，在受損焊縫上下兩端臨時(shí)加焊一段圓弧立板，止裂板在縱向橫向均設(shè)置，在縱板之間使用δ20mm的鋼板（材質(zhì)20#鋼）進(jìn)行拉筋加固。

（2）止裂板加工完成后，需要對(duì)塔體破損部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固（見(jiàn)圖2），防止塔體傾斜。在破損處上方和下方各加設(shè)兩道環(huán)板（環(huán)板采用δ25mm厚，材質(zhì)20#鋼板），環(huán)板寬度400mm，兩道環(huán)板之間高度為400mm，并在兩道環(huán)板之間加設(shè)加強(qiáng)筋板。裂紋上下環(huán)板之間增加12根支撐立柱（立柱選用Φ325×10材質(zhì)20#無(wú)縫鋼管），鋼管按照?qǐng)D2進(jìn)行布置按照，安裝過(guò)程中所有焊接均為滿焊并著色檢測(cè)合格。塔體經(jīng)過(guò)鋼管立柱加固后，補(bǔ)償了塔底裂紋帶來(lái)的強(qiáng)度損失，并在底部給整個(gè)分餾塔起到了支撐作用，在壁板更換階段，需要割除部分壁板，剩余的壁板在12根鋼管的支撐下能否滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性的需求，需要進(jìn)一步進(jìn)行核算。

（3）為了保證施工過(guò)程中的塔體強(qiáng)度，對(duì)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行核算。采用ANSYS有限元分析軟件，進(jìn)行塔設(shè)備及其加固結(jié)構(gòu)的軸向外壓失穩(wěn)計(jì)算。根據(jù)塔體以及支撐結(jié)構(gòu)尺寸，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元模型。塔體下端面施加全約束，塔體開(kāi)裂位置上部塔體采用等效密度法，等效480t（包含1.2倍的增重系數(shù)）的塔設(shè)備及其附屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量，其余塔體、筋板、環(huán)板與無(wú)縫鋼管按照實(shí)際密度進(jìn)行設(shè)置。修復(fù)時(shí)按照在無(wú)縫鋼管立柱與剩余塔體（塔體二分之一圓弧截面）共同支撐，載荷工況分為三種：純重力、重力加塔體切除面迎風(fēng)向風(fēng)載、重力加塔體切除面背風(fēng)向風(fēng)載。塔體及其加固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表1。根據(jù)GB 150—2011的規(guī)定，16MnR鋼的許用應(yīng)力為189MPa，20鋼的許用應(yīng)力為152MPa，參照ASME VIII—2019中4.12.2壓力容器軸向外壓失穩(wěn)評(píng)定方法，經(jīng)過(guò)替代計(jì)算得到20#無(wú)縫鋼管的許用軸向應(yīng)力為125MPa，通過(guò)計(jì)算結(jié)果表明，采取12根鋼管立柱的加固方案在各種載荷工況下，其鋼管立柱穩(wěn)定性均能滿足要求。

表1 各種載荷工況下的塔體與鋼管立柱強(qiáng)度與鋼管立柱穩(wěn)定性評(píng)定結(jié)果表

（4）塔體筒體更換時(shí)，此時(shí)的上部塔體的重量（估算480t），將由12根立根及剩余塔體（塔體二分之一圓弧截面）共同支撐承擔(dān)，雖然我們經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出其鋼管立柱穩(wěn)定性均能滿足要求。但由于以下四點(diǎn)原因：①施工時(shí)間長(zhǎng)，沿海風(fēng)力不可預(yù)測(cè)，塔體高度高、容易失穩(wěn)；②作業(yè)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，若產(chǎn)生后果不可接受；③國(guó)內(nèi)無(wú)可借鑒經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜；④設(shè)備進(jìn)水試壓時(shí)，地基承載力偏大。更換筒節(jié)到試壓期間，采用吊機(jī)對(duì)分餾塔進(jìn)行卸載配合，吊機(jī)選用SCC8000履帶式起重機(jī)，90m重型主臂超起性能，作業(yè)半徑為20m，額定載荷為351t，吊機(jī)輔助吊裝按塔體重量的70%計(jì)算吊裝重量為336t。

（5）塔體加固期間、壁板更換期間，在塔頂部設(shè)置平衡水柱，周期性的觀察水平刻度值，從而掌握塔體水平度的變化。同時(shí)通過(guò)經(jīng)緯儀塔體垂直度，測(cè)量塔體偏移量，及目測(cè)頂部樓梯間與塔體的間隙是否還保持一致。

3.分餾塔下部塔體壁板更換

分餾塔裂縫處止裂及整塔加固12根支撐立柱安裝焊接完成后，開(kāi)始對(duì)破損部位塔內(nèi)件及附屬管線進(jìn)行拆除，下部三層筒體進(jìn)行更換。

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，每層筒節(jié)分為4份，即每次更換四分之一弧面，具體更換順序如圖3所示。每次更換由①→②+③、④→⑤+⑥，⑦→⑧+⑨、⑩→+（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可以在加工廠進(jìn)行部分壁板拼裝并檢測(cè)完成，即②+③、⑤+⑥在加工廠內(nèi)進(jìn)行拼裝焊接并完成檢測(cè)后拉至現(xiàn)場(chǎng)，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)安裝。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)2+1的施工，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量）分四次進(jìn)行組對(duì)焊接。

圖3 筒體壁板更換布置圖

（2）壁板切割前根據(jù)更換布置圖，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行劃線，對(duì)利舊筒體進(jìn)行十字加固，防止變形。切割時(shí)，采用等離子切割機(jī)自塔內(nèi)向塔外切割，考慮到進(jìn)鋼板所需的空間，切割面積將大于1/4弧面，但是不得大于1/2弧面。按照焊接工藝卡要求對(duì)利舊筒體的焊縫進(jìn)行消氫熱處理、打磨焊縫。完成坡口打磨、著色滲透、消氫熱處理等工作，相應(yīng)組對(duì)卡具準(zhǔn)備齊全后方可進(jìn)行新壁板安裝焊接。

（3）現(xiàn)場(chǎng)焊接嚴(yán)格按照焊接工藝卡（見(jiàn)圖4）要求進(jìn)行，安裝順序參照3.1，現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)先安裝1#板就位焊接，2#+3#由加工廠加工焊接完成并檢測(cè)合格后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，由現(xiàn)場(chǎng)組裝人員進(jìn)行安裝就位焊接，后面以此類推進(jìn)行施工。根據(jù)工藝卡要求，焊工應(yīng)具備SMAW(N8)-FeⅡ-2G-Fef4J、SMAW(N8)-FeⅡ-3GFef4J資質(zhì)?；鶎雍附拥暮笚l選用J507（E5015），過(guò)渡層A302（E309-16）、復(fù)層焊接的焊條選用A137（E347-15）。

圖4 焊接工藝卡

（4）因立柱阻擋，現(xiàn)場(chǎng)部分焊縫無(wú)法進(jìn)行焊接，但其它焊縫均焊接完成后，塔體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到了保證，可以對(duì)立柱進(jìn)行拆除。立柱的拆除對(duì)稱進(jìn)行，每拆除一對(duì)立柱，對(duì)該處未焊接的焊縫焊接完成后方可拆除（中間間隔一根立柱先不拆）下一對(duì)。所有的焊縫在焊接完成后都必須按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行100%RT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.2規(guī)定的Ⅱ級(jí)要求。因?yàn)槠茡p處上方和下放各加設(shè)兩道環(huán)板，這兩道環(huán)板在生產(chǎn)中會(huì)對(duì)塔壁產(chǎn)生約束影響塔壁板膨脹，因此需要對(duì)環(huán)板進(jìn)行拆除或者在環(huán)板上割膨脹縫。

（5）壁板更換完成后，根據(jù)塔壁人孔及油氣入口管道的位置，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)孔并焊接人孔短接和油氣入口接管，筒體壁板更換完成焊縫檢測(cè)合格后，恢復(fù)塔內(nèi)件、勞保平臺(tái)、保溫。

（6）由于該分餾塔已運(yùn)行多年，下部筒節(jié)壁板開(kāi)裂后，只對(duì)開(kāi)裂部分進(jìn)行更換，為了保證分餾塔能安全平穩(wěn)的運(yùn)行，對(duì)該塔其它舊焊縫進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)，并使檢測(cè)結(jié)果符合NB/T 47013.2規(guī)定的Ⅱ級(jí)。為了節(jié)約施工周期，這項(xiàng)工作在壁板更換過(guò)程中同步進(jìn)行。

（7）所有塔接管及人孔焊接完畢，分餾塔塔體所有焊縫檢測(cè)合格后，加設(shè)盲板并對(duì)分餾塔重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試壓壓力0.483MPa，水壓試驗(yàn)合格后，泄水完畢后，吊機(jī)摘鉤離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)。

4.結(jié)束語(yǔ)

該分餾塔塔高約67m，直徑6m，自重約382t，塔底部裂紋，已不能使用，如果報(bào)廢重建，將面臨施工成本、周期及生產(chǎn)等多方面壓力。通過(guò)本文所述方法，既保證了安全生產(chǎn)需求，又考慮到施工過(guò)程中塔體裂紋擴(kuò)大及垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。采用不移位的情況下對(duì)底部筒節(jié)更換的施工，此方法作業(yè)面積小，不需要對(duì)附屬管線全部拆除，不需要對(duì)分餾塔吊出移位，在保證安全的情況下，節(jié)約了施工周期和資金成本，可以給其它類似情況下的施工提供參考。