田彩剛中國石油天然氣第一建設(shè)公司，新疆庫爾勒841000

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合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐施工技術(shù)

田彩剛
中國石油天然氣第一建設(shè)公司，新疆庫爾勒841000

摘要：中國石油塔里木大化肥項目45萬t/a合成氨裝置是國內(nèi)首次引進(jìn)丹麥托普索（TOPSOE）節(jié)能型工藝，這種類型大化肥裝置的成套施工在國內(nèi)并不多見，施工經(jīng)驗不足。結(jié)合合成氨裝置中一段轉(zhuǎn)化爐的爐體安裝工程，在簡要介紹了轉(zhuǎn)化爐工藝結(jié)構(gòu)特點與安裝要求的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)闡述了一段轉(zhuǎn)化爐安裝、組焊的施工程序及基礎(chǔ)驗收、輻射段鋼結(jié)構(gòu)的施工方案及施工過程、筑爐襯里的施工、爐管的施工等。工程實踐表明，一段轉(zhuǎn)化爐安裝精度達(dá)到了設(shè)計要求，爐管焊接合格率100％，一次投產(chǎn)成功，既保證了工程質(zhì)量又縮短了工期，獲得了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：合成氨裝置；一段轉(zhuǎn)化爐；施工安裝

中國石油塔里木大化肥項目45萬t/a合成氨裝置位于塔里木石化廠內(nèi)，合成氨裝置的工藝包設(shè)計是從丹麥托普索（TOPSOE）公司引進(jìn)的，基礎(chǔ)設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計是由中國成達(dá)工程公司完成的，中國石油天然氣第一建設(shè)公司負(fù)責(zé)合成氨裝置從土建施工到開工保運的所有建筑安裝工程的成套施工。45萬t/a合成氨裝置，從裝置規(guī)模上講，單套生產(chǎn)能力為當(dāng)時國內(nèi)最大；從生產(chǎn)工藝上講，采用的是國際先進(jìn)的丹麥TOPSOE節(jié)能型工藝，為國內(nèi)首次引進(jìn)；從施工經(jīng)驗上講，該工程是筆者所在公司首次真正意義上進(jìn)行的大化肥裝置的成套施工。

一段轉(zhuǎn)化爐是合成氨裝置的核心設(shè)備之一，其作用是在高溫、高壓和鎳觸媒存在的條件下將天然氣與水蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣、一氧化碳和二氧化碳。TOPSOE轉(zhuǎn)化爐采用雙輻射室側(cè)燒形式，兩個輻射室有公用的煙道和煙氣熱回收段，每個輻射室內(nèi)有一排立置的轉(zhuǎn)化爐管，轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)裝填催化劑，工藝氣由上向下流動并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化爐管通過上豬尾管與入口集氣管相連，通過下豬尾管與下集氣管及匯氣總管相連。

1　結(jié)構(gòu)特點與安裝要求

一段轉(zhuǎn)化爐施工的程序性強(qiáng)。鋼結(jié)構(gòu)為框架形式，質(zhì)量約656 t，施工的重點是保證組裝精度，預(yù)防焊接變形，確保爐體鋼結(jié)構(gòu)的幾何尺寸精確（如爐壁垂直度、壁板平整度、爐膛尺寸等）。輻射爐管共240根，爐管材質(zhì)包括A335- P22、A312- TP321H、Incoloy800HT等，均為進(jìn)口特殊材質(zhì)，焊接要求高。煙氣出口溫度約1 080℃，筑爐襯里材料采用隔熱耐火磚和陶瓷纖維塊，由于爐膛溫度高，對筑爐襯里的質(zhì)量要求嚴(yán)。

2　一段轉(zhuǎn)化爐的安裝組焊

2.1施工程序及基礎(chǔ)驗收

一段轉(zhuǎn)化爐的施工程序見圖1。

一段爐鋼結(jié)構(gòu)安裝前，應(yīng)對一段轉(zhuǎn)化爐的基礎(chǔ)進(jìn)行驗收。對照鋼結(jié)構(gòu)施工圖紙，逐一核實基礎(chǔ)的軸線和標(biāo)高，特別應(yīng)注意輻射段、對流段、風(fēng)機(jī)、煙囪基礎(chǔ)的中心軸線是否一致。

圖1　一段轉(zhuǎn)化爐施工程序

2.2輻射段鋼結(jié)構(gòu)施工方案

根據(jù)一段轉(zhuǎn)化爐輻射段的結(jié)構(gòu)特點，確定了輻射段鋼結(jié)構(gòu)分4段進(jìn)行預(yù)制安裝，其方案如下。

（1）爐底鋼結(jié)構(gòu)。即標(biāo)高6.03 m以下部分，分12片預(yù)制后由中間向兩邊依次安裝，當(dāng)整體成型并檢查確認(rèn)間距、標(biāo)高、上表面水平度符合要求后，鋪設(shè)爐底板。

（2）爐膛鋼結(jié)構(gòu)。即標(biāo)高6.03～19.95 m之間部分，分8大片深度預(yù)制后由中間向兩邊依次進(jìn)行吊裝，采用風(fēng)繩臨時固定，調(diào)整間距、垂直度等使之符合要求后，及時連接片與片之間的橫梁，并采取臨時加固措施以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

（3）煙道鋼結(jié)構(gòu)。即標(biāo)高19.95～26.095 m之間的部分，采取單根預(yù)制，安裝后連接橫梁的方式施工，檢查確認(rèn)幾何尺寸符合要求后，鋪設(shè)輻射頂板、煙道側(cè)板、煙道頂板（斜面）。

（4）頂棚鋼結(jié)構(gòu)。分6片預(yù)制后進(jìn)行安裝，對于影響轉(zhuǎn)化爐管穿管的橫梁暫不安裝，待轉(zhuǎn)化爐管穿管后再進(jìn)行完善，并鋪設(shè)頂棚彩板。

此種方案可形成規(guī)?；念A(yù)制方式，減少了高空作業(yè)量，既保證了安裝精度，又降低了安全風(fēng)險。

2.3輻射段鋼結(jié)構(gòu)施工過程

2.3.1構(gòu)件預(yù)制

（1）下料切割。嚴(yán)格按照圖紙尺寸進(jìn)行型鋼等的下料，由于一段爐鋼結(jié)構(gòu)安裝精度要求高，必須嚴(yán)格控制下料尺寸精度。氣割前，應(yīng)將切割區(qū)域表面的鐵銹、污物等清除干凈；氣割時，應(yīng)根據(jù)工藝要求預(yù)留安裝的焊接收縮余量及切割加工余量，即板寬方向應(yīng)預(yù)留2 mm收縮余量，板長方向應(yīng)預(yù)留3 mm收縮余量；氣割后，應(yīng)清除熔渣和飛濺物，鋼材切割面應(yīng)無裂紋、夾渣、分層等現(xiàn)象。

（2）矯正和成型。鋼結(jié)構(gòu)下料前，要對幾何尺寸不符合要求的鋼材進(jìn)行矯正，矯正的主要方法有機(jī)械法和火焰局部加熱法。矯正后的鋼材表面不應(yīng)有明顯的凹面或損傷，劃痕深度不得大于0.5 mm，且不應(yīng)大于該鋼板厚度負(fù)允許偏差的1/2。

（3）防腐及標(biāo)識。鋼材矯正后要按照防腐要求進(jìn)行除銹和底漆涂刷，并做好材質(zhì)、規(guī)格的標(biāo)識。下料后要對切割部位進(jìn)行除銹和油漆補(bǔ)刷，并做好標(biāo)識，應(yīng)使用不易褪色的涂料標(biāo)識產(chǎn)品的材質(zhì)、規(guī)格、件號及使用部位。

（4）制孔。制孔前應(yīng)標(biāo)出明顯的制孔中心點和孔徑，制孔應(yīng)采用臺鉆或磁力鉆鉆孔，嚴(yán)禁采用火焊割孔，并要求鉆孔垂直于材料面。C級螺栓孔的允許偏差見表1。

表1　C級螺栓孔的允許偏差

2.3.2鋼結(jié)構(gòu)安裝

（1）EL106.03 m以下鋼結(jié)構(gòu)部分的安裝。安裝順序為：在操作平臺上預(yù)制成片→在基礎(chǔ)上安裝柱底板，調(diào)整柱底板標(biāo)高并劃出安裝軸線→由中心向四周分片安裝鋼結(jié)構(gòu)，并及時連接橫梁以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)→幾何尺寸檢查、調(diào)整→鋪設(shè)爐底板。爐底標(biāo)高和爐底平整度是施工的關(guān)鍵控制點，因此爐底板鋪設(shè)的平整度必須嚴(yán)格把握。

（2）EL106.03～EL119.95 m之間鋼結(jié)構(gòu)部分的安裝。在鋼平臺上按圖紙尺寸進(jìn)行1∶1放樣，焊接定位板，節(jié)點處用墊鐵找平，組成一個片狀組裝胎具。按鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件編號，依次將立柱、橫梁和斜支撐吊裝到胎具架上。然后進(jìn)行螺栓連接和幾何尺寸調(diào)整，尺寸調(diào)整合格后，進(jìn)行螺栓緊固。

為保證安裝精度，輻射段4面?zhèn)葔Ω靼磧纱笃M(jìn)行預(yù)制，安裝并調(diào)整合格后再進(jìn)行兩片之間的橫梁連接。側(cè)墻分片安裝過程中要采用風(fēng)繩固定，并及時連接橫梁以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，以防大風(fēng)造成倒塌事故。

按照對應(yīng)的輻射段端墻板寬度調(diào)整好側(cè)墻板之間的距離，然后吊裝端墻板就位，進(jìn)行安裝螺栓緊固。對輻射段殼體和框架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查調(diào)整，使其誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，并采用臨時橫梁加固。然后進(jìn)行輻射段爐墻板的安裝和焊接，爐墻板焊接時，外部為滿焊，內(nèi)部為間斷焊，為保證輻射室密封焊縫的質(zhì)量，要進(jìn)行100％的目視檢測。

梯子平臺鋼結(jié)構(gòu)的安裝，首先安裝與輻射段連接的橫梁，再安裝梯子平臺的立柱，使之與輻射段主體鋼結(jié)構(gòu)形成一體。

（3）EL119.95 m以上部分鋼結(jié)構(gòu)部分的安裝。爐頂煙道的安裝，由于爐頂煙道為斜面結(jié)構(gòu)，為保證安裝精度，煙道立柱采取單根安裝，整體測量劃線后安裝煙道橫梁，并鋪設(shè)煙道板。屋架結(jié)構(gòu)的安裝，屋架結(jié)構(gòu)在輻射爐管全部就位后進(jìn)行安裝。在預(yù)制平臺上把房頂鋼結(jié)構(gòu)框架分片預(yù)制完畢，采用分片吊裝的方式進(jìn)行安裝。

（4）爐體附件的安裝。風(fēng)箱和煙道預(yù)制后安裝，在預(yù)制平臺上，進(jìn)行組對和焊接，焊接時應(yīng)采取反變形措施，可采取對稱焊、分段跳焊和加固等措施。主熱風(fēng)道因尺寸較大，可在預(yù)制廠預(yù)制成片后運到現(xiàn)場進(jìn)行組裝；燃燒器風(fēng)道可按圖紙在每個風(fēng)道的中部斷開，在預(yù)制廠預(yù)制成形后，在現(xiàn)場組對中間一道口。輻射段燃燒器外框、看火門等爐體附件應(yīng)在襯里前安裝完畢。

2.4筑爐襯里施工

一段爐內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的爐底采用75 mm耐火纖維板+ 4層耐火磚，輻射室側(cè)墻燒嘴磚周圍1 150 mm寬的范圍采用厚度75 mm耐火纖維板+厚度228 mm高強(qiáng)高鋁隔熱耐火磚，輻射室端墻采用厚度305 mm的普通硅酸鋁纖維折疊塊，輻射室頂部采用厚度為305 mm耐火纖維折疊塊，煙囪襯里為厚度50 mm的耐火澆注料［1］。

一段爐筑爐襯里工程的特點是，施工場地狹小，交叉作業(yè)多，耐火磚及陶纖塊型號、規(guī)格多，膨脹縫留置多，因而增加了施工難度。

由于TOPSOE獨特的合成氨一段爐燒嘴加熱工藝，因而對筑爐的質(zhì)量要求與國內(nèi)的施工規(guī)范不盡相同。國內(nèi)規(guī)范對于耐火磚砌筑完成后的整體垂直度、平整度要求較高，而TOPSOE要求燒嘴磚必須高于耐火磚15 mm，誤差為+5 mm/- 3 mm，而對整體垂直度和平整度要求較低，因此要避免施工錯誤。

2.5爐管施工

2.5.1爐管系統(tǒng)

一段轉(zhuǎn)化爐爐管系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)化爐管、上集氣管、下集氣管、上豬尾管、下豬尾管、匯氣總管幾個部分。

（1）轉(zhuǎn)化爐管。材質(zhì)為HP- Nb- M，規(guī)格為φ152 mm×14.7 mm，單根長度14 440 mm，質(zhì)量752 kg/根，共240根，單排豎直排列。

（2）上集氣管。材質(zhì)為A335- P22，規(guī)格為φ323.8 mm×21.44 mm，單根長度33 759 mm，質(zhì)量5 814 kg/根，共2根，水平安裝在爐頂。

（3）下集氣管。材質(zhì)ZG10Ni32Cr20Nb，規(guī)格φ236 mm×29 mm，單根長度5 750 mm，質(zhì)量1 474 kg/根，共5根，水平安裝在爐底。

（4）上豬尾管。材質(zhì)為A312- TP321H，規(guī)格為φ42.16 mm×7.94 mm，單根長度5 400 mm，質(zhì)量24.3 kg/根，共240根，安裝在轉(zhuǎn)化管與上集氣管之間。

（5）下豬尾管。材質(zhì)為Incoloy800HT，規(guī)格為φ42.16 mm×7.94 mm，單根長度7 400 mm，質(zhì)量48.5 kg/根，共240根，安裝在轉(zhuǎn)化管與下集氣管之間。

（6）匯氣總管。材質(zhì)A204Gr.B，規(guī)格φ1 150mm ×20 mm，總長度58 000 mm，共96 t，分12段到貨，安裝在下集氣管與二段爐之間，用于連接一、二段轉(zhuǎn)化爐。

現(xiàn)場焊接部位材質(zhì)及數(shù)量見表2。

表2　現(xiàn)場焊接部位材質(zhì)及數(shù)量

2.5.2爐管系統(tǒng)施工步驟

（1）套管安裝。爐管安裝前，先進(jìn)行爐頂板開孔并安裝爐頂套管（φ182 mm×3 mm，材質(zhì)0Cr18Ni9），套管與爐頂采用密封焊（見圖2）。套管與爐頂板之間的焊接使用A307焊條，如果冬期施工，焊前必須預(yù)熱至50℃以上，焊接完畢后覆蓋保溫棉進(jìn)行緩冷。

圖2　套管與爐頂結(jié)構(gòu)剖面

待頂板套管安裝完畢后，使用線墜從爐頂套管中心垂直吊下，在爐底板上畫出爐管的位置并開孔，安裝爐底套管（φ176 mm×3 mm），根據(jù)實際尺寸先安裝限位板（PL140 mm×25 mm），再安裝轉(zhuǎn)化管支撐（φ164 mm×15 mm），見圖3。為了使?fàn)t管在爐底的伸出長度一致，可適當(dāng)調(diào)整限位板的高度。

圖3　套管與爐底結(jié)構(gòu)剖面

（2）爐管安裝。首先拆掉爐管的外包裝，然后按照從北向南的順序逐根吊裝就位。爐管吊裝時應(yīng)平穩(wěn)，不得撞擊轉(zhuǎn)化爐的任何部位。

在吊裝爐管過程中，不得使用爐管的正式法蘭作為吊裝卡箍。吊裝卡箍采用φ159 mm×8 mm鋼管經(jīng)機(jī)加工制成，吊裝時用卡箍內(nèi)口中的臺階卡住爐管的卡槽?？ü坑蓛蓚€半圓形組合而成，使用螺栓（M20）擰緊。在卡箍上設(shè)置了6個限位塊，防止吊裝帶滑脫。卡箍結(jié)構(gòu)示意見圖4。

爐管的吊裝選用1輛50 t汽車吊和1輛25 t汽車吊配合進(jìn)行（見圖5），為避免爐管起吊過程中發(fā)生變形，采用1根繩扣連接中部和底部兩個吊點，繩扣穿入1個滑車滑輪，抬尾吊車連接滑車，這樣起吊時有3個受力點，可有效防止?fàn)t管變形。用吊裝帶作為索具。

圖4　爐管上部卡箍結(jié)構(gòu)示意

圖5　爐管吊裝示意

（3）爐管焊接。爐管焊接材料的選用見表3。

表3　焊接材料的選用

清潔是成功焊接鎳合金的重要條件之一。焊件組對前應(yīng)對坡口兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)區(qū)域進(jìn)行清理，油污可用丙酮脫脂，對不溶于脫脂劑的漆和其他雜物，可用氯甲烷、堿等清洗劑清洗，被壓入焊件表面的雜物可用磨削或10％鹽酸溶液清洗，并用水沖凈，干燥后方能焊接［2］。

Incoloy800HT流動性偏低，在焊接的快速冷卻、凝固條件下，極易產(chǎn)生氣孔；在氧化性焊接氣氛下氣孔形成機(jī)率更大，在還原性較大時氫氣孔形成機(jī)率也很大。在焊前必須清除坡口及其附近區(qū)域的氧化皮、油漆等，以更好地防止焊縫氣孔產(chǎn)生［3］。

焊接時采用內(nèi)部充氬保護(hù)，上集合管安裝就位后，先把上集合管的對接接頭組對，再安裝上豬尾管，在上豬尾管與轉(zhuǎn)化管的法蘭之間夾石棉板封堵。上豬尾管與上集合管接頭全部組對完畢后，預(yù)留一進(jìn)一出兩個口（兩口盡量遠(yuǎn)些）用來充氬氣，上集合管與上豬尾管其余的焊縫采用密封膠帶密封。從進(jìn)口往此部分中注入氬氣，在出口處檢測，直至達(dá)到要求為止。焊接時把相應(yīng)的焊口的密封膠帶揭掉。

下集合管安裝就位后，在下集合管與冷集合管法蘭之間夾石棉板封堵，轉(zhuǎn)化管過渡段處使用水溶紙?zhí)钊瑺t管氣壓試驗及吹掃時將水溶紙吹出。

打底層采用φ2.4 mm的焊絲，焊接電流控制在80～120 A之間，電壓控制在12～15 V之間；填充層采用φ2.4 mm的焊絲，焊接電流控制在12～160 A之間，電壓控制在14～18 V之間。保護(hù)氣為氬氣（99.99％），氣體流量10～15 L/min；背襯氣體為氬氣（99.99％），背襯氣流量15～20 L/min［4］。

焊接時采用短弧不擺動或小擺動的操作方法。焊縫采用多層多道焊時，底層焊道完成后，應(yīng)采用放大鏡檢查焊道表面，每道焊接后應(yīng)徹底清除焊道表面的熔渣并進(jìn)行表面檢查。

上集合管對接焊縫、集合管與管帽的焊縫在整個焊接過程中，需預(yù)熱到250～350℃之間，層間溫度≥250℃，焊后需進(jìn)行熱處理工作，熱處理溫度720～750℃，恒溫1.5 h。

所有對接焊縫進(jìn)行100％射線檢測，應(yīng)符合JB/T 4730- 2005，Ⅱ級合格。

（4）爐管壓力試驗。

第一，爐管壓力試驗的范圍。包括轉(zhuǎn)化管、上集氣管、下集氣管、上豬尾管、下豬尾管。

第二，試壓程序。爐管系統(tǒng)焊接完畢后，應(yīng)對其進(jìn)行4.4 MPa的壓力試驗，爐管試壓程序見圖6。

圖6　爐管的試壓程序

第三，爐管試壓時間。爐管系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)化管、上集氣管、下集氣管、上豬尾管、下豬尾管。爐管系統(tǒng)安裝、焊接完成，且射線檢測也已完畢，就可以進(jìn)行壓力試驗。

第四，系統(tǒng)封堵。上集氣管共有2道口需要封堵，規(guī)格為φ323.8 mm×21.44 mm，采用厚度為30 mm內(nèi)盲板進(jìn)行封堵焊接，內(nèi)盲板上應(yīng)設(shè)有井字加強(qiáng)筋。上集氣管的兩根排凝管，同時隨爐管系統(tǒng)一起進(jìn)行壓力試驗，此兩根管道作為進(jìn)氣口。上豬尾管與轉(zhuǎn)化管之間的法蘭連接采用金屬纏繞墊（正式墊片）進(jìn)行密封。下集氣管與冷集氣管之間為法蘭連接，此處采用高壓石棉墊和厚20 mm的盲板進(jìn)行封堵。

第五，臨時管道。大型壓風(fēng)車停在指定的位置，進(jìn)行臨時管道的連接。管道均采用無縫鋼管（規(guī)格為DN50），臨時管道與排凝管接在一起作為進(jìn)氣管道。

第六，試壓過程。試驗壓力應(yīng)逐級緩升，首先升至試驗壓力2.2 MPa，而后進(jìn)行檢查，如無泄漏及異?，F(xiàn)象，繼續(xù)按試驗壓力的10％逐級升壓，直至達(dá)到最終試驗壓力。每一級穩(wěn)壓3 min，達(dá)到試驗壓力4.4 MPa后穩(wěn)壓5 min。若無泄漏，無可見的異常變形，對現(xiàn)場焊接的焊縫和連接部位涂刷肥皂水進(jìn)行檢查若無泄漏，則試壓合格；如有泄漏，則應(yīng)泄壓處理，并重新進(jìn)行壓力試驗。

3　結(jié)束語

本施工方法經(jīng)實踐檢驗切實可行，安裝精度達(dá)到了設(shè)計要求，爐管焊接合格率100％，一次投產(chǎn)成功。既保證了工程質(zhì)量又縮短了工期，獲得了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益，為今后類似設(shè)備安裝積累了經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

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Construction Technique of Primary Reformer Furnace of Synthesis Ammonia Facility

TIAN Caigang
PetroChina No.1 Construction Co.，Korla 841000，China

Abstract：The synthesis ammonia facility of Tarim 450 000 t/a fertilizer project is introduced from HALDOR TOPSOE for the first time in China，which adopts energy- saving process. This paper describes the installation process and assembly welding of the primary reformer furnace of the synthesis ammonia facility，check and acceptance of the foundation，constructions of the radiant section steel structure，brickwork lining and furnace piping. The engineering practice shows that the installation accuracy of the primary reformer furnace reaches design requirement and the qualified rate of furnace piping welding reaches 100％.

Keywords：synthesis ammonia facility；primary reformer furnace；construction and installation

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.011

作者簡介：

田彩剛（1982-），男，河北石家莊人，工程師，2007年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，現(xiàn)從事油氣田地面建設(shè)和石油化工裝置建設(shè)施工管理工作。Email：254788998@qq.com

收稿日期：2015- 11- 16