盧 嬌，張家新，董 元

(中國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鐵路、道路、水路運(yùn)輸能力的極限，無(wú)法在制造廠將容器整體制造好再后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，往往需將各個(gè)部分運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，再在安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接成型。且大型容器各個(gè)部分焊接時(shí)，縱、環(huán)焊縫、各管孔連接焊縫、內(nèi)結(jié)焊縫數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)量，且工序多，處理時(shí)間長(zhǎng)，工作量大，很難很好地實(shí)現(xiàn)熱處理目的。隨著對(duì)高端制造技術(shù)的需求不斷提高，大型容器在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(diào)重復(fù)利用式熱處理裝置。

1 方 案

(1)由于設(shè)備的超大特性，為減少現(xiàn)場(chǎng)工作量和縮短施工周期，將爐體結(jié)構(gòu)模塊化，即將爐體設(shè)計(jì)成由一定模數(shù)的大板塊結(jié)構(gòu)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(zhuān)用夾具連接。

(3)爐蓋采用拼裝結(jié)構(gòu)，由不同組塊通過(guò)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(shè)置多個(gè)、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(nèi)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(jiǎn)化管路系統(tǒng)。

(5)待熱處理工藝結(jié)束后，可將熱處理裝置就地拆除。由于爐體模塊采用拼裝結(jié)構(gòu)，拆除方便。拆除下來(lái)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(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

2 爐體結(jié)構(gòu)模塊化

本熱處理裝置屬于超大直徑設(shè)備，如果采用弧形板塊拼接成型，則彎板工程量大，工期長(zhǎng)，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(jìn)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(yùn)輸成本也可降低。

另外，考慮到本熱處理爐的可重復(fù)利用的功能，將爐體結(jié)構(gòu)模塊化，即將爐體做成若干個(gè)結(jié)構(gòu)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(chǎng)熱處理工藝結(jié)束后，可將爐體拆下后運(yùn)至其他現(xiàn)場(chǎng)，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(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，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(lèi)似直徑10～20 m的爐型。

爐體模數(shù)計(jì)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(nèi)內(nèi)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(jié)果見(jiàn)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(tái)直徑20 m，高度16 m的熱處理裝置。綜合考慮制造、運(yùn)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(gòu)成，每層均由32個(gè)2 m寬的大板塊拼裝而成，效果圖見(jiàn)圖1。

3 爐體大板塊快速拼接

對(duì)本熱處理裝置，大板塊數(shù)量近200個(gè)之多，板塊間的拼接是其關(guān)鍵技術(shù)之一。由于爐體的可重復(fù)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(yīng)不同的夾緊角度，通過(guò)對(duì)板塊夾緊過(guò)程的受力分析、計(jì)算機(jī)三維模擬和多種受力情況下的強(qiáng)度計(jì)算，特設(shè)計(jì)了一種板塊夾緊專(zhuān)用夾具(見(jiàn)圖2、圖3)。通過(guò)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(diào)，因而實(shí)現(xiàn)熱處理爐裝置整體外徑可調(diào)。

為檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性，特對(duì)板塊的夾緊進(jìn)行工廠試驗(yàn)測(cè)試。特委托合作廠家生產(chǎn)多個(gè)2 m寬3 m高的大板塊和用夾具，并在其廠內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)圖4。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的多次試驗(yàn)和對(duì)比，設(shè)計(jì)的專(zhuān)用夾具強(qiáng)度完全符合實(shí)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(chǎng)的人工和安裝工作量。此拼接結(jié)構(gòu)可行。

4 超大型爐蓋拼接結(jié)構(gòu)

本熱處理爐爐蓋屬超大直徑爐蓋，本身強(qiáng)度要求非常高。爐蓋受力情況復(fù)雜，爐蓋起吊時(shí)兩端懸臂的簡(jiǎn)支受力和爐蓋覆蓋在爐體上時(shí)的簡(jiǎn)支梁受力情況，兩種工況受力情況完全不同，這對(duì)爐蓋的設(shè)計(jì)提出了非常高度的要求。難度更高的是，為適應(yīng)道路運(yùn)輸?shù)囊螅中鑼t蓋做成板塊拼接結(jié)構(gòu)。整體設(shè)計(jì)難度非常大。經(jīng)過(guò)多次討論和研究，最后決定爐蓋的設(shè)計(jì)如下：爐蓋分爐蓋本體和鋼結(jié)構(gòu)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(gè)組塊之間由螺栓連接；爐蓋鋼結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)，同樣由多個(gè)組塊拼接而成，每個(gè)組塊之間同樣由螺栓連接。通過(guò)理論計(jì)算和分析，爐蓋鋼結(jié)構(gòu)具體見(jiàn)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(jié)構(gòu)拼接成所需的大小，實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)利用。

圖5 爐蓋鋼結(jié)構(gòu)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(guó)內(nèi)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(guò)計(jì)算機(jī)模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，最終確定了彎頭形式，并委托廠家進(jìn)行制作和測(cè)試。燒嘴改制完成后進(jìn)行性能測(cè)試，見(jiàn)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(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。且燃燒一定時(shí)間后，彎頭出口僅呈紅色，并未呈亮黃色。將出口改為實(shí)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(fēng)爐、烤爐等溫度相對(duì)降低的設(shè)備中，并未在溫度高達(dá)700 ℃的高溫環(huán)境中使用過(guò)。若要用于高溫高達(dá)700 ℃以上的熱處理爐中，其點(diǎn)火槍、燒嘴圓筒等材質(zhì)均不能用于此溫度，需要更換材質(zhì)。另外，考慮到火焰不能直接沖刷工件，火焰方向不能直接對(duì)準(zhǔn)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(guò)與多家國(guó)際國(guó)內(nèi)品牌供應(yīng)商的多次討論和交流，最終對(duì)燒嘴進(jìn)行改制。燒嘴改制完成后再次進(jìn)行性能測(cè)試，見(jiàn)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(shí)現(xiàn)單供風(fēng)不點(diǎn)火。

圖7 一體化燒嘴改造后火焰

7 結(jié) 論

這種新型的大型熱處理裝置可實(shí)現(xiàn)可拼裝、可拆卸、大小可調(diào)、可重復(fù)利用，既可大大減少現(xiàn)場(chǎng)的工作量，且可根據(jù)待處理工件的大小調(diào)節(jié)設(shè)備大小，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，大大節(jié)約了材料。且組裝后的熱處理裝置，可對(duì)工件進(jìn)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(shí)間、工作量、能耗都將大幅降低，且熱處理質(zhì)量也將大幅提高。