易志勇，范建琳

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

轉(zhuǎn)化爐是大型合成氨、甲醇及制氫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其原理是利用爐膛燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)崃?，在一定壓力下，碳?xì)浠衔?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(kuò)大，轉(zhuǎn)化爐逐漸向大型化、規(guī)?；l(fā)展，而且由于設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步、工業(yè)爐廠家制造裝備水平的提高、吊裝運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外化工裝置趨向于在沿海建設(shè)的新特點(diǎn)，轉(zhuǎn)化爐的模塊化設(shè)計(jì)、供貨和施工已經(jīng)成為石化行業(yè)建設(shè)的熱點(diǎn)和新趨勢(shì)。

1 模塊化的優(yōu)勢(shì)

轉(zhuǎn)化爐內(nèi)爐膛操作溫度高達(dá)1 100℃左右，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要部件包括鋼結(jié)構(gòu)、熱管系、燒嘴、煙風(fēng)道、對(duì)流段模塊、空預(yù)器、風(fēng)機(jī)、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(jí)，可見(jiàn)涉及材料類(lèi)型、等級(jí)、規(guī)格之多。基于上述特點(diǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐部件的材料采購(gòu)、加工制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝成為一項(xiàng)復(fù)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(shè)備外，如對(duì)流段模塊、燒嘴，大部分爐墻板、鋼結(jié)構(gòu)、煙風(fēng)道及管道的預(yù)制工作都是在現(xiàn)場(chǎng)完成，這些材料的預(yù)制工作可能就需多花費(fèi)5個(gè)月時(shí)間。而對(duì)于項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，受現(xiàn)場(chǎng)施工人員經(jīng)驗(yàn)和水平、制造和加工機(jī)具條件及工作環(huán)境影響，花費(fèi)的人力、機(jī)具成本肯定是要比制造廠高很多，此外還有為之耗費(fèi)的時(shí)間成本。而部分模塊化或者完全模塊化，目的就是將現(xiàn)場(chǎng)的工作盡可能地轉(zhuǎn)移到工廠，減少現(xiàn)場(chǎng)施工預(yù)制和安裝工作量，縮短項(xiàng)目工期。

對(duì)于大型轉(zhuǎn)化爐，設(shè)計(jì)一般在4～6個(gè)月，制造工期12～14個(gè)月，現(xiàn)場(chǎng)安裝工期12～14個(gè)月，總工期約30個(gè)月。而且因?yàn)檗D(zhuǎn)化爐的現(xiàn)場(chǎng)安裝部件、工序較多，一般都是現(xiàn)場(chǎng)最早開(kāi)始、最晚結(jié)束安裝的設(shè)備，也往往成為控制整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)施工周期的關(guān)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(chǎng)安裝工作量，將制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝的工期大幅壓縮至16個(gè)月以內(nèi)，總工期減至20個(gè)月左右，進(jìn)而縮短整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)周期，在控制項(xiàng)目綜合成本上優(yōu)勢(shì)明顯。此外，模塊化供貨可以減少項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)量，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，而且與現(xiàn)場(chǎng)相比，工廠制造水平、加工條件的優(yōu)勢(shì)，為設(shè)備的制造質(zhì)量也提供了很好的保證。某國(guó)外項(xiàng)目整爐運(yùn)輸見(jiàn)圖1。

圖1 某國(guó)外項(xiàng)目整爐運(yùn)輸

文獻(xiàn)[2]中對(duì)模塊化制造和非模塊化制造進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，文中作者也認(rèn)為：工業(yè)爐的模塊化供貨與非模塊化相比，除了對(duì)于運(yùn)輸條件和吊裝機(jī)具要求較高，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短建設(shè)周期、減少安全隱患等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 模塊化設(shè)計(jì)和制造

2.1 模塊化的類(lèi)型

根據(jù)轉(zhuǎn)化爐的預(yù)制程度，通?？梢苑譃榉悄K化、部分模塊化和完全模塊化3類(lèi)。3種供貨形式的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)化爐模塊化技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

以上只是通常意義上的劃分，因每個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的制造、施工條件不同，工廠至現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸條件不同，以及總包方采購(gòu)要求的差別，模塊化程度都會(huì)有所不同，實(shí)際上并無(wú)絕對(duì)意義上的模塊化類(lèi)別的區(qū)分?？傮w而言，模塊化設(shè)計(jì)理念主要是以運(yùn)輸條件作為前提，根據(jù)業(yè)主要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(zhuān)業(yè)工業(yè)爐設(shè)計(jì)公司)開(kāi)展模塊化設(shè)計(jì)，采用三維建模軟件Advance Steel，TEKLA STRUCTURES 和SOLIDWORKS等進(jìn)行建模、模塊劃分、組模，然后交由制造單位完成詳細(xì)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)和供貨涉及的問(wèn)題2.2.1 運(yùn)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(zhuǎn)化爐整體尺寸就會(huì)更大。在多數(shù)情況下，如果存在內(nèi)陸運(yùn)輸，一般完全模塊化是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，只能根據(jù)道路的運(yùn)輸限制尺寸，各部件在工廠以最大尺寸預(yù)制，再以部分模塊化的形式供貨。然而近年來(lái)，為適應(yīng)完全模塊化供貨的需求，很多工業(yè)爐廠家開(kāi)始將部件組裝工作放到碼頭，各部件在工廠預(yù)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(yùn)至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。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(yùn)，進(jìn)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(dá)千噸以上)，采用吊車(chē)吊裝幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通常的做法是利用導(dǎo)軌將整爐滾裝到運(yùn)輸船上，到達(dá)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)后也需要準(zhǔn)備專(zhuān)門(mén)的導(dǎo)軌，滾動(dòng)到基礎(chǔ)柱上，頂升定位，最后落位安裝。

2.2.2 臨時(shí)加固措施

模塊尺寸越大，運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的穩(wěn)定性就越差。如果控制不好，就可能導(dǎo)致?tīng)t體的變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部已施工的襯里拉裂、破損。因此，在模塊強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)在模塊內(nèi)部采取增加臨時(shí)加固的措施，比如在爐內(nèi)和煙風(fēng)道內(nèi)部增加頂撐、外部壁板增加加強(qiáng)型鋼、對(duì)流段模塊內(nèi)部增加拉桿，都是切實(shí)可行的措施。對(duì)于對(duì)流段重型模塊，一般都會(huì)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的吊裝框架或者加強(qiáng)框架，并采用平衡梁吊裝，以避免模塊吊裝過(guò)程中的變形。但需要注意的是，所有可能影響爐體正常運(yùn)行的臨時(shí)加強(qiáng)部件，都需要開(kāi)車(chē)前移除。

2.2.3 澆注料預(yù)烘爐

如果澆注料在運(yùn)輸前施工完成，或運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)，特別是對(duì)于海運(yùn)襯里模塊，由于澆注料在烘爐前強(qiáng)度較低(只能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的60%左右)，容易在運(yùn)輸途中擠壓、振動(dòng)損壞，而且因?yàn)閮?nèi)部的游離水分未脫除，若在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間放置，在潮濕環(huán)境中也容易出現(xiàn)“返堿”現(xiàn)象，此時(shí)澆注料表面會(huì)逐漸粉化、起皮，由里及外產(chǎn)生破壞(見(jiàn)圖2)。因此，對(duì)于在工廠施工的澆注料，一般都需要在工廠進(jìn)行預(yù)烘爐，最起碼將澆注料中游離水脫除，以保證運(yùn)輸和吊裝中強(qiáng)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(yù)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(guò)程中很容易出現(xiàn)錯(cuò)孔、錯(cuò)邊現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)很多時(shí)候就需要在高空處進(jìn)行整改，極為麻煩，更影響安裝質(zhì)量。因此模塊的預(yù)組裝是出廠前一道非常重要的檢驗(yàn)，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(cuò)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(shí)候也會(huì)采用法蘭面配鉆的方法來(lái)保證連接匹配尺寸。輻射段墻板工廠預(yù)組裝見(jiàn)圖3。

3 模塊化的現(xiàn)場(chǎng)施工

完全模塊化雖然在制造質(zhì)量、進(jìn)度和安裝便利上具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但因存在較多限制，部分模塊化仍是目前轉(zhuǎn)化爐供貨的主流。中國(guó)五環(huán)工程有限公司負(fù)責(zé)總承包的幾個(gè)國(guó)外合成氨裝置大型轉(zhuǎn)化爐項(xiàng)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(chǎng)模塊安裝施工中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)安裝順序進(jìn)行科學(xué)合理的安排，以提高安裝效率，加快安裝進(jìn)度。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)模塊化

模塊化的供貨尺寸受限于運(yùn)輸條件，而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝而言，一般只受吊裝機(jī)具能力的影響。因此，供貨到現(xiàn)場(chǎng)的很多部件都可以在地面進(jìn)一步模塊化組裝。如風(fēng)道、鋼結(jié)構(gòu)、梯子平臺(tái)，都可以在地面進(jìn)一步組裝后再整體吊裝，減少了高空安裝作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，安裝時(shí)間也能大幅壓縮。但需要注意的是，吊耳的設(shè)計(jì)一般只為單模塊設(shè)計(jì)，多模塊組裝后，吊裝需要對(duì)吊耳的強(qiáng)度進(jìn)行重新核算，保證吊裝安全。

3.2 重型模塊的吊裝

轉(zhuǎn)化爐的重型模塊主要包括對(duì)流段模塊和煙道(含澆注料)，一般在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)都會(huì)被列為大件吊裝的范疇，需要制定專(zhuān)項(xiàng)的吊裝方案進(jìn)行指導(dǎo)。因模塊內(nèi)部已澆筑襯里，如果襯里在現(xiàn)場(chǎng)施工，必須等澆注料養(yǎng)護(hù)結(jié)束且達(dá)到一定強(qiáng)度后(至少3d)才能吊裝，且嚴(yán)格遵照廠家設(shè)計(jì)要求，設(shè)置臨時(shí)支撐、采用平衡梁吊裝。

3.3 分區(qū)域模塊化安裝

轉(zhuǎn)化爐按區(qū)域一般可劃分為輻射段、過(guò)渡段、對(duì)流段、煙囪、風(fēng)機(jī)及地面天然氣分配區(qū)域。輻射段的施工時(shí)間最長(zhǎng)，一般最早開(kāi)始，但實(shí)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(shí)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(duì)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(wú)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(cuò)，全部錯(cuò)”的情況。因此，在工廠制造過(guò)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(guò)程中注意檢查裝配尺寸，不合要求及時(shí)整改。爐膛、對(duì)流塔安裝完成后，應(yīng)對(duì)整體尺寸、水平度、垂直度進(jìn)行驗(yàn)收，確保滿足設(shè)計(jì)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(qiáng)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(duì)流段一般采用內(nèi)部密封焊的形式，對(duì)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(jié)語(yǔ)

石油化工裝置沿海布局的新趨勢(shì)、工業(yè)爐廠家制造能力的快速提升以及設(shè)計(jì)理念的更新，都為轉(zhuǎn)化爐模塊化供貨的發(fā)展提供了有利條件。近兩年，隨著國(guó)內(nèi)幾個(gè)民營(yíng)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(guó)外項(xiàng)目模塊化供貨需求的增加，國(guó)內(nèi)多個(gè)工業(yè)爐廠家都有了整體模塊供貨的國(guó)內(nèi)外業(yè)績(jī)，模塊化的供貨模式已得到充分的驗(yàn)證和認(rèn)可。但石油化工項(xiàng)目的布局和需求是多元化的，實(shí)際上完全模塊化的基礎(chǔ)還是部分模塊化，在項(xiàng)目的實(shí)際執(zhí)行中，轉(zhuǎn)化爐的設(shè)計(jì)和供貨應(yīng)因地制宜，注意解決模塊化制造和施工過(guò)程中出現(xiàn)的新問(wèn)題，為進(jìn)一步保證項(xiàng)目質(zhì)量、控制項(xiàng)目成本、加快項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度提供保障。